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苏里格气田天然气水合物成因与防治措施分析_图文

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里格 气田 天然气 水合物 成因 防治 措施 分析 图文
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8 009 石油化工应用 28卷第8期 2009年里格气田天然气水合物成因与防治措施分析 牟春国 ,胡子见 ,白建文 ,张焕杰 (1.中国石油长庆油田公司苏里格气田研究中心,陕西西安710018; 2.中国石油天然气道局第四工程分公司,河北廊坊065000) 摘要:针对苏里格气田冬季因气温较低而出现的气井井下油套管和地面输气管线容易形成水合物的问题,从天然气 水合物的物化性质出发,对生成水合物的成因进行分析,其成因条件主要有热力学条件和动力学条件两个方面,水分和 烃类物质是形成水合物的先决条件。分析了气井井筒和输气管线防治水合物的措施,井下节流器的应用对井筒水合物 的形成有较好的防治效果,对天然气进行脱水使天然气不满足形成水合物的水分这个先决条件,提高管道的工况条件 主要是提高管道内天然气流动温度、降低管道压力、添加抑制剂,可防止管道中水合物的形成。提出了水合物防治技术 的研究方向。 关键词:天然气水合物;成因;节流器;抑制剂;防治技术 中图分类号:832 文献标识码:B 文章编号:1673—5285(2009)085 as ln 1.n i"10018,.65000,n it is a to in in on of ut on of in is an on is to a in is of in be by in on of is 里格气田位于鄂尔多斯盆地境内,冬季寒冷的 气候使气井井下油管、套管和集输管线容易出现因形 成水合物而带来的管线冻堵问题。2008年11月至 2009年4月,苏里格气田日均因气井冻堵关井50口, }收稿日期:2009—07—10 作者简介:牟春国,男,硕士,2008年毕业于西南石油大学油气井工程专业。助理工程师,主要从事天然气开采工艺方面的工作。 石油化工应用2009年 第28卷 42 凳 , 寞 井 ’ 日 蠹 菜120 2008 11 i.~-~0 从 年 月卜甸升媚,睫有 、岘 厘? ’.、 ,, , 毒 茎 ’ 考 羹 暮 篙 堵生产,气井开井时率也随之上升。必须解厌水 旨 】.1.1 水分在管道中流动的天然气随着压力和温 度的变化,其饱和含水量也发生着变化,如 要 曲线由P、警 ab d 羹要 度下降平缓,接近于刷围介质 厦,雎 急剧下降,饱和含水量逐步上升。其中 加 瑟 锚 赠 较 出 窨 蛙 r 和,即输气管的温度等于其露点,则气体中水蒸气分压 已超过水合物的蒸气压,生成水合物的水分条件已经 满足;若气体中的水蒸气分压低于水合物中的水蒸气 分压,则不能形成水合物,即使已经形成也会瓦解消 失。由此可知,欲使输气管不具备水分条件,则进入气 管的气体的含水量要远小于n。 苏里格气田多数井都产水,气井间歇性出水使得 单井采出的天然气中含水较多,经过处理厂处理后的 天然气输送为湿气输送,这样就为管线因水合物冻堵 图成水合物的首要条件是要有充足的水分,即管 道中气体的水蒸气分压要大于气体一水合物中的水蒸 1.1.2 烃类及杂质研究表明,烃类物质并不是全部 都可以形成水合物,直链烷烃中只有C。形成水合物,支链烷烃中只有异丁烷能形成水合物。 此外,天然气中的杂质组分水合物的形成嘲。天然气通常它们主要生成对密度愈高的天然气愈 容易形成水合物,较少含量的重质烃可使形成水合物 所需的压力大幅度降低。 1.1的温度和压力条件。对于密度相同的天然气,压力愈 高,形成水合物的温度也愈高,每种气体都有形成水合 物的临界温度(见表1),高于临界温度,无论压力多高 图2混合物中水的蒸气压 如图2,在温度t。时,气体一水合物中的水蒸气分 压p 小于气体一水中的水蒸气分压气体已被饱 也不会形成水合物。 表1 各种气体形成水合物的临界温度表 气井开井初期井筒及地面管线易形成水合物,气井压 力与形成水合物的临界温度关系(见表2)。 表2苏里格气田气井压力与形成水合物临界温度关系 :—————————————————一 压力,.5 2 2.5 3 4 5 10 15 20 临界温度, 3.3 5.4 7.6 8.8 11.1 13.2 17.8 2O.3 22_3 —_ 吴 合物的平衡曲线如图4所示,曲线 的左上方是水合物的形成区,曲线的右下方是不能形 成水合物的区域。从图4中可以看出,形成水合物的温 度与压力有关,在低温高压力下容易形成水合物;在压 力相同条件下,相对密度越大的气体形成水合物的温 度越高,越容易形成水合物。 第8期 牟春国等苏里格气田天然气水合物成因与防治措施分析 43 温度, 图3水合物形成的平衡曲线 苏里格气田气井经井下节流器节流后井口压力控 制在3 据图3可知,水合物的形成温度为 9℃,而井口温度一般控制在5~12℃,所以当井口温 度低于9 ,就可能形成水合物堵塞管线。 苏里格气田集输管线的运行压力一般在3 ,形成水合物的而管线的运行 温度为地温,冬季苏里格气田因气候严寒使地表的地温 相对较低,有时地温达不到9℃,这样就形成了管线水 合物冻堵。还有因为压缩机停机、管输压力增高、流速减 小,携液能力减弱,使得管线中的水分含量相对增大。 1.2动力学条件 1.2.1过冷度与诱导时间从动力学方面讲,天然气 水合物的形成依次包括晶体(微晶)形成和生长聚集两 个过程。 把给定压力下形成水合物的平衡温度( )与实际 操作温度( )的差值称为过冷度(△ );把与客体分子接 触至形成水合物晶核的时间定义为诱导时间(t)。过冷 度与诱导时间之间存在如式(2)所示的经验关系式[51。 .一1) .1(△ 9)(2) 式中:t—诱导时间,△ 冷度,℃。 有研究表明[41,过冷度超过7.49℃时,才有可能形 成水合物;而过冷度超过℃时,在25 更短时间内就会形成水合物。 1.2.2节流效应天然气在管道中经过突然缩小的断 面,如管道的变径管、针形阀、孔板、过滤器等,产生强 烈的涡流,使压力下降的现象称为节流。节流时压力降 低会使温度下降,则天然气中的水蒸气会凝析出来使 天然气达到形成水合物的水分条件。 苏里格气田部分井的输气管线规格与气井产能不 匹配,相同规格输气管线,高配产井管输摩阻较大,存在 节流降温现象,低配产井气量不足,管输携液能力不够。 1.2输送容易形成水合 物的天然气时应采用较高的流速,一般应高于3 m/s。因 为高流速可以维持较高的输气温度,也可加强气体扰 动,达到抑制水合物的形成和聚集的目的。表3是一条 输气管线的气体流速与温度的关系151。 表3气体流速与气体温度的关系 从表3可以看出,当气流速度为1.68 m/流 输送温度差为44.4℃;气流速度为3.05 m/流 输送温度差为16.7 流速度为5.49 m/流 输送温度差为5.5℃。由此可见,当输送相同的距离, 天然气输送速度越高,起点温度和终点温度差越小,管 线输送温度越高,天然气水合物形成越难。 苏里格气田部分相对高产井与低产井在管输节点 位置不同产生井间干扰现象、干管集输气量不足、流速 较低、气流携液能力较差致使管线积液,管线水堵逐步 变为冰堵,不易解堵,长期冰堵关井,影响气井较多。为 防治管线形成水合物冻堵,管线中的气流需维持较高 的流速,一般在3 m/2天然气水合物的防治措施 2.1气井水合物防治措施 防治气井水合物生成有两个途径嘲,一是降低井筒 内的压力,二是提高井筒内温度。 苏里格气田广泛应用井下节流器将地面气嘴移到 井下产层上部油管内,使天然气的节流、降压膨胀过程 发生在井筒内。通过井下节流降低油嘴上部井筒压力, 同时提高天然气井口温度,破坏水合物的生成条件,达 到防治形成水合物的目的,初步统计气井开井时率由 以前的67%提高到97.2%。 排水采气技术在苏里格气田的广泛应用,对防治 水合物形成起到有效作用。苏里格气田从气田投产至 今,把排水采气工艺作为攻关重点,先后开展了优选管 柱、柱塞气举、泡沫排水、井下节流技术和合理携液生 产制度优化等工艺试验。 蛐 柏 m , 2 , 5 2 出靛帮 饥 石油化工应用2009年 第28卷 井下节流技术在气田大面积应用,对提高携液能 力的作用也得到了充分发挥,目前已成为气田前期及 中期排水采气的主体技术。首先、最明显最重要的是大 大降低气井井筒压力,提高气体流速,第二、井下节流 技术有利降低井筒液体析出,第三、气液通过节流嘴时 高速气流,有利液体雾化。 对于单井管线发生水合物冻堵的情况,在现场最 常用的方法是井口注醇和放空解堵,根据现场应用情 况来看,效果明显。 2.2输气管线水合物防治措施 冬季是苏里格气田输气管线因水合物发生冻堵频 率最高及冻堵程度最严重的季节,单井管线、站内流 程、集气干线等管线都可能因存在水合物而发生冻堵, 严重影响生产的安全、平稳运行。 2.2.1天然气脱水工艺方法 目前采用的天然气脱水 工艺方法主要有低温分离、固体吸附和溶剂吸收三类 方法[71。低温分离一般适用于高压气田,作为辅助脱水 措施。固体吸附剂常用的有硅胶、活性氧化铝、铝矾土 和分子筛等。三甘醇溶剂吸收是目前应用最广泛的方 法,也是苏里格气田目前采用的天然气脱水方法。 膜分离法是一种新型的天然气脱水技术罔,设备简 单、投资少、容易撬装、操作方便,具有巨大的发展潜 力,随着气体膜分离技术的发展,应在集气站开展膜分 离脱水技术的论证试验。 2.2.2提高管道运行的工况 2.2.2.1 提高管道中气体流动的温度加热提高天然 气流动温度可以防治生成水合物和除去已生成的水合 物,如图4所示。这一方法不适用于干线输气管道中, 特别是对于压缩机站数较多的干线输气管道[91。加热方 法通常在配气站采用,因为那里经常需要较大幅度的 降低天然气的压力,由于节流效应会使温度降得很低, 从而使节流阀、孔板等发生冻结。 /4加热法防治生成和排除已生成的水舍物 1.压降曲线;2.加热后的温降曲线;3.生成水合物温度曲线; 4.温降曲线 通过加热(保温),使流体的温度保持在水合物形 成的平衡温度以上。对于地面管线,常用蒸汽逆流式管 壳式换热器、电伴热等,也可通过绝热或掩埋管道降低 管道热量的损失。 针对苏里格气田冬季环境温度较低、冻土深度较 大的问题,苏里格气田的天然气集输管线埋地深度达 到1.5 m(管顶至地面的最低标高),避开了冻土层,有 效的防治了管线水合物生成。而在处理厂和集气站的 输气管道则主要采用给管线保温加防腐层、加电伴热 的方式防治管线冻堵。 2.2.2低管道运行压力 降低管道运行压力可以 防治生成水合物,在维持原来的温度状态下使输气管 道中的天然气压力降低,如图5中曲线2,使生成水合 物温度曲线下降,如图5中曲线5。 这一方法也可用来排除在输气管道中已形成 的气体水合物,其途径是通过放空管放空。要注意 的是,放空时,必须在环境温度高于0℃以上的条 件下进行。 裔 L/m 图5降压法防治生成和排除已生成的水合物 .降压后的压降曲线;3.生成水合物温度曲线; 4.温降曲线;5.降压后的生成水合物曲线 干线输气管道中天然气的最低温度接近于零度,在 此温度下,生成水合物的平衡压力约为1~11.5 一般的输气压力大于5 此,用降压来防治干 线输气管道中天然气生成水合物并不是一种有效的方 法。停产放空就是解决集输管线冻堵最为常用的一种 方法,利用堵塞处两边的压差将水合物顶出。如果单井 井口上装有闸板阀,可以选择站内和井口两边同时放 空,将干管内的水合物向两边同时推出,这样解堵效果 会更好。 苏里格气田引进压缩机增压工艺可使管线在运行 温度为地温的条件下提高管线的运行压力,从而使天 然气输送速度增加,能有效防治水合物的形成。 2.2过在被水饱和的天然气中加入 抑制剂,吸收部分水蒸气,并将其转移至抑制剂的水溶 液中。通过加入水合物抑制剂,水合物的生成曲线向较 第8期 牟春国等苏里格气田天然气水合物成因与防治措施分析 45 低温度移动,经常采用的水合物抑制剂有甲醇、乙二 醇、二甘醇和三甘醇等,也有用氯化钙的。苏里格气田 常用的抑制剂是甲醇。 哈默施米特公式(式给出了抑 制剂浓度与水合物生成温度降的关系式: △ (100(3) 式中:△卜水合物生成温度降,K; 肘一抑制剂的相对分子质量,kg/醇M= 32.04,乙二醇M=62.1; ^ 印制剂种类常数,甲醇、乙醇、异丙醇、氨为1 228, 氯化钙为1 220,乙二醇为2 220; 一抑制剂质量分率(质量浓度)。 该式的另一种表达形式为: X=[T)M/K+(](4) 根据式(4)可以计算出满足抑制水合物生成温度 降时需要的抑制剂浓度x,然后结合注入的抑制剂浓 度,查出吸收)称为甲 醇喷注比。注比过小,天然气中的水气不能完全为甲醇 吸收,达不到抑制目的(露点降要求)。喷注比过大,不 经济,还使再生塔重沸器负荷增大,造成再生浓度达不 到要求,使回收系统处于恶性循环。 冬季严寒条件下,为防治水合物形成可以选择对 干管进行提前注醇,实践证明该方法可以有效的防治 水合物形成,避免了井堵起跳现象,从而保证冬季生产 正常运行。为了实现在站内给干管进行提前注醇,建议 在站内增设注醇泵以及甲醇罐。 对于已经冻堵的干管我们可以选择站内注醇与井 口放空相结合的办法来解堵,利用气流的流动将甲醇 带到堵塞部位,增加解堵效果。 3天然气水合物防治技术研究方向 通过研究气井的生产动态、合理的注醇解堵技术、 优化注醇量和天然气水合物形成机理,寻找高效的水 合物防治技术已成为目前苏里格气田关注的问题。一 是研究单井注醇动态监测技术,建立甲醇注入量动态 曲线;二是研究复合抑制剂技术,将甲醇和其他物质混 合使用,以降低甲醇消耗量并增加其抑制效果;三是研 究膜法脱水技术,膜分离法是一种新型的天然气脱水 技术,有巨大的发展潜力;四是研究动力学抑制剂技 术,在气井和集输系统正常运行时,根据含水量来增加 动力学抑制剂的用量,防治天然气水合物的形成;五是 加强排水采气工艺和起泡剂的研究,苏里格气田开发 中后期产水问题将越来越严重,必须解决好排水采气 的问题,实现气田排水采气的同时并预防天然气水合 物的形成。 4结论 1天然气水合物形成条件分为热力学条件和动 力学条件两个方面,热力学条件主要指水分、烃类及杂 质条件和管道工况条件;动力学条件有过冷度与诱导 时间条件、节流效应和输送流速。 2防治气井生成水合物从两种途径着手,一是降 低井筒的压力,二是提高井筒温度。井下节流器在苏里 格气田的应用很好地实现了这两种途径,既降低了节 流后井筒的压力,也避免了因地面节流而带来的温度 降低。 3 防治管道生成水合物的措施其一是天然气脱 水,使其不具备形成水合物的先决条件;其二是提高管 道运行的工况条件,主要是降低管道压力、提高流动温 度;其三是在流动气体中添加抑制剂,苏里格气田主要 采用注甲醇,抑制水合物的形成。 4开展天然气水合物防治新技术与新方法的研 究。加强单井注醇动态监测技术,建立甲醇注入量动态 曲线;研究复合抑制剂技术,降低甲醇消耗量并增加其 抑制效果;加强膜法脱水技术和动力学抑制剂技术的 研究;加强排水采气工艺和起泡剂的研究,实现苏里格 气田的排水采气开发。 参考文献: [1] W. 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