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凝析气藏开采过程中天然气水合物生成条件预测方法研究

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凝析气藏 开采 过程 天然气 水合物 生成 条件 预测 方法 研究
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© 1994 (96080202 - 2) 。3 3 孙 雷 ,1977 年 毕 业 于 西 南 石 油 学 院 ,现 任 西 南 石 油 学 院 石 油 工 程 系 副 教 授 ;主 要 从 事 油 气 相 态 理 论 与 测 试 、 气 田 与 凝析 气 田 开 发 设 计 以 及 注 气 提 高 采 收 率 方 面 的 教 学 与 研 究 工 作 。 地 址 : (637001)四 川 省 南 充 市 。 电 话 : (0817) 2642487。凝 析 气 藏 开 采 过 程 中天 然 气 水 合 物 生 成 条 件 预 测 方 法 研 究 3孙 雷 3 3   李 士 伦   刘 健 仪   熊 钰   郭 平   何 志 雄(西 南 石 油 学 院 殊 气 藏 开 发 重 点 研 究 室 )王 仲 林   杨 凯         赵 万 优   王 俊 明(吐 哈 油 田 分 公 司 )                   (大 港 油 田 分 公 司 )孙 雷 等 . 凝 析 气 藏 开 采 过 程 中 天 然 气 水 合 物 生 成 条 件 预 测 方 法 研 究 . 天 然 气 工 业 ,2002 ;22 (1) :61~ 66摘   要   文 章 按 凝 析 油 气 体 系 定 容 衰 竭 相 态 模 拟 实 验 过 程 ,测 试 了 大 港 油 田 千 米 桥 凝 析 气 藏 烃 类 体 系 水 合 物的 生 成 条 件 ,并 以 此 为 基 础 检 验 了 统 计 热 力 学 方 法 在 天 然 气 水 合 物 生 成 条 件 预 测 中 的 可 靠 性 。 然 后 在 前 人 有 关 天然 气 水 合 物 研 究 成 果 的 基 础 上 ,结 合 凝 析 气 藏 开 采 过 程 动 态 相 态 变 化 预 测 方 法 的 建 立 以 及 采 出 井 流 物 烃 组 成 的 动态 相 态 数 值 模 拟 预 测 ,讨 论 了 适 合 于 凝 析 气 藏 衰 竭 开 采 过 程 中 从 井 筒 → 井 口 → 常 温 高 压 分 离 器 → 节 流 膨 胀 分 离 器→ 透 平 膨 胀 分 离 器 多 级 分 离 回 收 工 艺 上 下 游 一 体 化 的 天 然 气 水 合 物 生 成 条 件 预 测 方 法 。 该 方 法 特 别 适 用 于 凝 析气 藏 开 发 方 案 设 计 阶 段 ,能 更 好 地 为 凝 析 气 藏 从 气 井 井 筒 到 地 面 多 级 分 离 工 艺 流 程 乃 至 到 天 然 气 处 理 厂 工 艺 流 程中 天 然 气 水 合 物 的 防 治 工 艺 设 计 提 供 依 据 。 文 中 通 过 吐 哈 油 田 丘 东 和 大 港 油 田 千 米 桥 两 个 凝 析 气 藏 开 采 过 程 中天 然 气 水 合 物 生 成 条 件 的 预 测 及 防 治 措 施 分 析 说 明 了 方 法 的 应 用 效 果 。主 题 词   凝 析 油 气 藏   相 态 研 究   多 相 流 体   组 成   轻 烃 回 收   水 合 物   井 动 态   预 测凝 析 气 藏 烃 类 体 系 水 合 物 类 型宏 观 上 ,天 然 气 水 合 物 似 冰 雪 状 。 曾 拍 摄 到 大 量 气 体 水 合 物 晶 体 结 构 生 成 的 直 观图 像 〔 1〕 。 观 测 指 出 ,甲 烷 、 乙 烷 和 丙 烷 形 成 的 单 体 气体 水 合 物 与 天 然 气 形 成 的 复 合 气 体 水 合 物 相 比 ,其晶 体 的 生 长 形 态 具 有 明 显 的 差 别 。 气 体 水 合 物 晶 体生 长 的 一 般 规 律 是 :气 体 的 分 子 量 越 小 ,生 成 的 水 合物 晶 体 越 硬 、 性 状 越 平 直 。 甲 烷 水 合 物 通 常 是 按 着近 乎 直 线 形 状 的 螺 旋 状 态 生 成 结 晶 体 ;乙 烷 水 合 物易 形 成 具 有 弯 曲 纤 维 状 的 结 晶 体 ;丙 烷 水 合 物 易 生成 无 规 则 多 分 支 形 态 的 结 晶 体 ;而 天 然 气 则 易 生 成混 合 水 合 物 ,其 形 态 为 直 线 形 和 多 分 支 结 构 的 复 合结 晶 体 。 凝 析 气 藏 烃 类 体 系 中 乙 烷 、 丙 烷 和 异 丁 烷的 含 量 通 常 比 常 规 天 然 气 的 含 量 要 高 ,因 此 凝 析 气更 易 生 成 低 硬 度 的 具 有 螺 旋 线 型 和 多 分 支 结 构 的 水合 物 。 从 微 观 角 度 观 测 ,根 据 等 人 用 X 射线 衍 射 方 法 对 气 体 水 合 物 结 构 的 分 析 〔 2 ,3〕 ,按 现 代 气体 络 合 物 理 论 ,天 然 气 水 合 物 是 水 和 烃 类 气 体 分 子按 氢 键 和 范 德 华 力 作 用 所 构 成 的 带 有 空 穴 结 构 的 结晶 体 ,是 由 在 大 多 数 空 穴 中 被 天 然 气 分 子 稳 定 的 水分 子 形 成 的 。 水 合 物 晶 体 由 不 同 类 型 的 水 合 物 晶 格所 组 成 ,水 合 物 的 主 晶 格 有 I 型 和 两 种 结 构 。结 构 分 析 表 明 ,只 有 直 径 较 小 和 几 何 形 态 适 宜 的 气体 分 子 才 能 进 入 空 穴 。 水 合 物 结 构 分 析 证 明 ,甲 烷 、乙 烷 、 硫 化 氢 、 二 氧 化 碳 和 氮 气 可 在 大 小 两 种 空 穴 中充 填 ,丙 烷 和 丁 烷 只 能 在 大 空 穴 中 充 填 ,戊 烷 以 上 的烷 烃 分 子 一 般 不 形 成 水 合 物 。 在 同 一 温 度 下 ,形 成水 合 物 的 先 后 次 序 分 别 是 硫 化 氢 → 异 丁 烷 → 丙 烷 →乙 烷 → 二 氧 化 碳 → 甲 烷 → 氮 气 ,而 且 碳 原 子 数 越 大的 烷 烃 ,形 成 的 水 合 物 越 稳 定 。 因 此 ,凝 析 气 主 要 形成 结 构 的 气 体 水 合 物 ,而 富 含 乙 烷 、 丙 烷 和 异 丁烷 等 中 间 烃 的 凝 析 气 形 成 的 水 合 物 更 为 稳 定 。·16·第 22 卷 第 1 期                             天   然   气   工   业                             开 发 试 采© 1994 ,确 定 天 然 气 水 合 物 生 成 条 件 (温 度 和 压力 ) 的 方 法 可 归 纳 为 图 解 法 、 经 验 公 式 法 、 相 平 衡 计算 法 和 统 计 热 力 学 法 。 前 三 种 方 法 简 便 实 用 ,但 其误 差 可 达 20 % ;统 计 热 力 学 方 法 是 根 据 系 统 理 论 ,将气 体 水 合 物 宏 观 相 态 行 为 与 其 分 子 间 的 相 互 作 用 联系 起 来 ,引 入 配 分 函 数 来 描 述 气 体 水 合 物 生 成 条 件 ,理 论 基 础 严 密 ,通 用 性 强 ,便 于 运 用 计 算 机 在 较 宽 的范 围 内 对 水 合 物 生 成 的 温 度 、 压 力 条 件 进 行 连 续 求解 。根 据 M 和 J 以 及 H 和 C 的 研 究 〔 4 ,5〕 ,在 (混 合 气 体A 、 B 、 C、 … ) + (液 态 水 ) = ( A 、 B 、 C、 … 气 体 水 合物 ) 的 三 相 平 衡 中 ,当 气 体 分 子 A 、 B 、 C、 … 在 水 合 物晶 格 大 、 小 空 穴 中 的 填 充 度 达 到 热 力 学 稳 定 的 情 况下 ,则 在 生 成 水 合 物 时 水 溶 液 界 面 上 的 饱 和 蒸 汽 压力 可 由 下 列 配 分 函 数 来 表 述 :n(1 + n) m 1 - ∑A , B , C , … θ A 1) +n(1 + n) m 1 - ∑A , B , C , …θ A 2) = 0 (1)式 中 : 想 态 的 水 合 物 “ 空 ” 晶 格 表 面 的 饱 和蒸 气 压 ; n、 m 为 水 合 物 结 构 参 数 ;θ A 1为 平 衡时 被 气 体 分 子 A 占 据 的 小 空 穴 的 填 充 度 ;θ A 2为 平 衡 时 被 气 体 分 子 A 占 据 的 大 空 穴 的 填 充度 。式 (1)中 第 二 项 的 意 义 在 热 力 学 上 表 示 所 生 成的 稳 定 水 合 物 与 理 想 态 水 合 物 状 态 下 水 溶 液 的 化 学位 差 。 而 根 据 H 等 人 的 观 点 ,把 水合 物 的 生 成 看 作 是 气 体 吸 附 的 相 似 过 程 时 ,则 式 (1)中 的 空 穴 充 填 度 可 由 附 等 温 式 确 定 〔 6〕 。下 面 引 入 水 合 物 生 成 条 件 的 计 算 方 法 。当 给 定 水 合 物 结 构 时 , 度 和 压 力的 函 数 ,经 对 大 量 实 验 数 据 的 关 联 计 算 , Х о р о щ ч л о бВ А 等 人 给 出 了 根 据 式 (1) 所 得 到 的 简 化 而 实 用 的天 然 气 水 合 物 生 成 条 件 计 算 方 法 。 对 于 水 蒸 气 — 液态 水 溶 液 — 气 体 水 合 物 三 相 平 衡 体 系 ,式 (1) 左 端 的可 分 别 由 以 下 各 式 计 算 。 对 于 不 含 天 然 气 其公 式 如 下 :当 p ≤ 6. 9 3. 515 170 5 - 0. 014 360 65 T (2)当 p > 6. 9 8. 975 110 - 0. 033 039 65 T (3)对 于 含 有 的 天 然 气 ,则 有 5. 406 96 - 0. 021 33 T (4)而 式 (1) 中 的 大 、 小 空 穴 填 充 度 θ 则 由 下 式 计算 :θ ∑2i = 1)式 中 : i 表 示 水 合 物 大 、 小 两 种 空 穴 ; j 为 天 然 气 组成 ; 天 然 气 中 生 成 水 合 物 的 组 分 j 的 分压 ; i 型 空 穴 j 组 分 的 数 。 式 给 出 : A B ) (6)上 式 中 , i 型 空 穴 j 组 分 的 常 数 A 值参 见 文 献 〔 7〕 。对 已 知 组 成 的 天 然 气 , 欲 求 某 一 压 力 下 水 合 物的 生 成 温 度 ,可 利 用 公 式 (1) ~ (6) 采 用 代 法 求 解 。防 止 水 合 物 生 成 的 措 施 通 常 包 括 : ① 天 然 气 脱水 ; ② 天 然 气 加 热 ; ③ 降 低 工 作 压 力 ; ④ 加 入 水 合 物抑 制 剂 。 文 中 对 所 研 究 的 工 程 实 例 ,主 要 分 析 了 加入 不 同 抑 制 剂 对 水 合 物 生 成 温 度 的 影 响 。经 对 比 ,对 后 面 所 研 究 的 工 程 实 例 ,抑 制 剂 作 用下 水 合 物 生 成 温 度 降 低 值 的 预 测 ,采 用 G 根 据 大 量 实 验 数 据 得 出 的 半 经 验 预 测公 式 :Δ T = 100 - W ) (7)式 中 : M 为 抑 制 剂 的 分 子 量 ; W 为 抑 制 剂 溶 液 的 重量 百 分 数 ; K 表 示 与 抑 制 剂 种 类 有 关 的 经 验 常数 ,对 甲 醇 、 异 丙 醇 、 氨 等 取 1 228 ,对 氯 化 钙 取1 220 ,对 二 甘 醇 则 取 2 425。各 环 节 天 然 气 相 组 成 计 算 方 法运 用 统 计 热 力 学 方 法 预 测 水 合 物 的 生 成 条 件 ,必 须 知 道 天 然 气 的 摩 尔 组 成 。 而 凝 析 气 藏 开 采 过 程中 随 着 地 层 压 力 的 降 低 ,当 其 低 于 露 点 压 力 以 下 时地 层 流 体 会 发 生 反 凝 析 现 象 ,从 而 使 流 入 井 底 的 凝析 气 相 组 成 是 随 着 衰 竭 开 采 过 程 而 变 化 的 ;此 外 ,为最 大 限 度 提 高 凝 析 油 收 率 ,从 井 口 至 天 然 气 处 理 场·26·开 发 试 采                             天   然   气   工   业                                 2002 年 1 月© 1994 ,如 集 气 站常 温 高 压 分 离 — 绝 热 节 流 膨 胀 分 离 — 透 平 机 膨 胀 分离 等 。 这 使 得 采 出 的 地 层 凝 析 气 从 井 底 经 井 筒 流 到井 口 ,再 由 井 口 流 经 地 面 各 级 分 离 装 置 及 集 气 管 汇的 过 程 中 ,受 采 出 井 流 物 组 成 变 化 的 影 响 ,流 经 各 工艺 环 节 的 天 然 气 所 处 的 相 组 成 也 会 发 生 变 化 ,这 就需 要 分 别 建 立 适 合 于 从 地 层 近 井 带 到 轻 烃 处 理 厂 各工 艺 节 点 凝 析 油 气 动 态 相 平 衡 过 程 天 然 气 组 成 的 预测 方 法 ,才 能 正 确 计 算 出 各 节 点 处 的 天 然 气 相 组 成以 便 用 于 水 合 物 生 成 条 件 预 测 。 为 此 ,文 中 建 立 并给 出 以 下 各 工 艺 环 节 天 然 气 相 组 成 预 测 方 法 。1. 向 井 流 入 的 地 层 凝 析 气 组 成 计 算将 凝 析 气 藏 压 降 开 采 过 程 视 为 不 同 时 步 的 压 降阶 段 … , 运 用 凝 析 气 藏 定 容 衰 竭 开 采过 程 流 体 相 平 衡 建 模 方 法 ,可 得 到 凝 析 气 藏 衰 竭 开采 到 第 j 级 压 力 向 井 流 入 的 地 层 凝 析 气 相 组 成计 算 关 系 式 : z i ( j - 1)φ (φ φ ng j (8)式 中 :φ φ 为 地 层 凝 析 油 气 体 系 平 衡 气 、 液 相中 各 组 分 的 逸 度 系 数 ; ng 摩 尔 剩 余 地 层流 体 中 气 相 的 摩 尔 分 量 ; z i ( j - 1) 为 1时 地 层中 剩 余 凝 析 油 气 体 系 的 总 组 成 。z 以 下 关 系 式 计 算 :z z i (1 - N - ∑ 1Δ N N 9)其 中 : N 1 - i/ 0)N 1 - Z (i/ 1)Δ N (1 - N Z (i k pf i(12)式 中 : z i 为 地 层 流 体 原 始 摩 尔 组 成 ; N 气 藏 压 力降 低 到 露 点 压 力 时 凝 析 气 采 出 程 度 ;Δ N 气 藏 压 力 从 1降 低 到 段 时 凝 析 气 的 采出 程 度 ; 地 层 凝 析 气 相 组 成 ; N 凝 析 气 采 出 程 度 ; pf 始 地 层 压 力 ; 点 压 力 ; 原 始 地 层 流 体 偏 差 因 子 ; 点 压 力 下 地 层 流 体 偏 差 因 子 ; Zg k为 力 下 地 层 凝 析 气 相 的 偏 差 因 子 ; 层 凝 析油 气 体 系 两 相 偏 差 因 子 。 为 : o + g (13)应 用 状 态 方 程 和 流 体 相 平 衡 热 力 学 原 理 对 上 述相 关 参 数 进 行 计 算 ,并 使 其 满 足 下 列 相 平 衡 目 标 方程 组 ,即 可 正 确 预 测 不 同 开 采 期 向 井 流 入 的 凝 析 气的 组 成 变 化 。 x iφ 0∑ 1z iφ (φ φ 1(14)2. 考 虑 相 态 变 化 的 井 筒 流 动 状 态 及 凝 析 气 组 成计 算地 层 凝 析 气 从 井 底 经 井 筒 流 到 井 口 ,在 垂 直 管流 阶 段 经 历 的 压 力 和 温 度 会 发 生 明 显 变 化 ,由 此 引起 井 筒 中 凝 析 气 体 系 的 相 态 及 油 、 气 相 的 组 成 也 会发 生 明 显 变 化 。 因 此 有 可 能 在 井 筒 上 部 接 近 地 表 的井 筒 中 会 形 成 天 然 气 水 合 物 结 晶 沉 积 。 文 中 将 油 气体 系 相 平 衡 闪 蒸 计 算 热 力 学 模 型 引 入 筒 动 态 分 析 方 法 中 ,充 分 考 虑 井 筒 中 所 发 生的 相 态 变 化 对 水 合 物 生 成 条 件 的 影 响 ,从 而 不 仅 可以 更 准 确 地 进 行 凝 析 气 井 井 筒 动 态 预 测 ,而 且 可 以得 到 更 符 合 井 筒 动 态 变 化 的 凝 析 油 、 气 两 相 的 组 成数 据 。根 据 流 体 相 平 衡 — 物 质 平 衡 关 系 ,当 凝 析 油 气体 系 在 井 筒 中 任 一 位 置 处 于 气 液 两 相 平 衡 状 态 时 ,可 以 导 出 组 分 i 在 气 相 和 液 相 中 组 成 x i 的 计算 式 : z iφ (φ φ 5)x i = z iφ (φ φ 6)上 式 中 ,组 成 x i 与 及 间 的 关 系 并 不是 相 互 独 立 的 ,而 必 须 同 时 满 足 逸 度 相 等 和 组 成 归一 化 条 件 : x iφ 0∑ 1z i (φ φ (φ φ 1(17)上 式 中 , i = 1 , 2 , 3 , … , n 为 组 分 数 。 式 (17) 共含 有 n + 1 个 方 程 ,计 算 时 需 用 代 算 法 求 解 。 此 外 ,由 于 多 相 垂 直 管 流 是 一 个 复 杂的 流 动 过 程 ,根 据 上 述 相 平 衡 模 型 用 状 态 方 程 计 算井 筒 中 任 一 点 处 的 气 、 液 相 组 成 时 ,所 对 应 的 温 度 和压 力 不 能 预 先 给 定 ,而 是 必 须 同 时 满 足 多 相 垂 直 管流 的 流 动 规 律 。 根 据 式 ,井 筒 中温 度 、 压 力 、 凝 析 气 流 量 和 深 度 之 间 的 相 关 关 系 可 表示 为 :·36·第 22 卷 第 1 期                             天   然   气   工   业                             开 发 试 采© 1994 ∫1. 324 × 10- 18 f Q p= 0. 0341 5γ H (18)式 中 : 底 流 压 , 口 压 力 ; T 为 温度 , K; 析 油 气 两 相 偏 差 因 子 ; f 为 摩 阻系 数 ; Q 析 气 产 量 (标 准 态 ) ,d ; d 为油 管 内 径 , m ;γ 为 凝 析 气 相 对 密 度 ; H 为 井深 ,m。式 (18)中 的 凝 析 油 气 两 相 偏 差 因 子 随 油 管 中 不同 位 置 的 温 度 、 压 力 及 相 平 衡 状 态 的 变 化 而 变 化 ,因此 ,油 气 两 相 偏 差 因 子 的 计 算 , 必 须 考 虑 井 筒 中 相态 变 化 的 影 响 ,即 必 须 满 足 方 程 组 (17) 所 约 束 的 条件 。 于 是 ,油 气 组 成 计 算 所 需 的 温 度 和 压 力 必 须 同时 由 式 (15) ~ (18) 结 合 状 态 方 程 联 立 求 解 ,而 式(18)也 必 须 用 代 算 法 求 解 ,可 见求 解 过 程 的 复 杂 性 。 上 述 计 算 关 键 是 求 解 油 气 两 相的 偏 差 因 子 ( 。当 应 用 状 态 方 程 计 算 出 井 筒 中 气 、 液 相 的 偏 差因 子 并 求 出 两 相 偏 差 因 子 之 后 ,将 其 代 入 式 进 行 迭 代 计 算 ,便 可 通 过 凝 析 气 井 井 筒 动态 预 测 给 出 p、 T ,继 而 由 相 平 衡 方 程 组 求 出 气 液 相组 成 x i 。3. 常 温 分 离 器 天 然 气 相 组 成 计 算在 凝 析 油 气 体 系 分 离 过 程 中 ,常 温 分 离 器 的 作用 主 要 是 将 上 的 较 重 的 凝 析 油 从 采 出 井 流 物中 分 离 出 来 ,剩 余 的 天 然 气 则 送 至 下 一 级 分 离 器 进一 步 回 收 丙 、 丁 烷 。 常 温 分 离 器 温 度 控 制 范 围 通 常为 0~ 40 ℃ ;压 力 控 制 范 围 通 常 为 5~ 12 凝 析油 气 的 常 温 分 离 可 视 为 等 温 闪 蒸 相 平 衡 过 程 。 因此 ,在 给 定 分 离 温 度 和 压 力 下 ,分 离 后 的 天 然 气 和 凝析 油 的 组 成 仍 可 由 式 (15) ~ (17) 结 合 状 态 方 程 联 立求 解 得 到 。4. 节 流 膨 胀 低 温 分 离 器 天 然 气 相 组 成 计 算节 流 膨 胀 低 温 分 离 器 的 作 用 主 要 是 将 间 烃 组 分 从 常 温 分 离 器 出 口 气 中 分 离 出 来 。 通常 采 用 焦 — 汤 阀 实 现 节 流 低 温 分 离 。 由 于 分 离 温 度降 低 ,分 离 后 的 天 然 气 组 成 将 有 可 能 构 成 生 成 水 合物 的 条 件 。 因 此 ,需 按 相 平 衡 原 理 计 算 天 然 气 组 成的 变 化 。 根 据 节 流 膨 胀 过 程 的 相 平 衡 原 理 ,在 用 焦— 汤 阀 实 现 低 温 分 离 的 工 艺 过 程 中 ,对 焦 — 汤 阀 进行 绝 热 处 理 ,制 冷 分 离 过 程 可 视 为 等 焓 过 程 ,即 分 离前 后 流 体 系 统 的 焓 不 变 ,满 足 焓 平 衡 条 件 。 据 此 ,建立 等 焓 绝 热 节 流 分 离 过 程 的 相 平 衡 模 型 并 应 用 状 态方 程 进 行 计 算 ,就 可 以 得 到 节 流 低 温 分 离 回 收 丙 、 丁烷 后 剩 余 天 然 气 相 组 成 的 计 算 方 法 : z iφ +φ 19)应 用 状 态 方 程 对 上 述 相 关 参 数 进 行 计 算 ,并 使其 满 足 下 列 相 平 衡 热 力 学 目 标 约 束 方 程 组 ,即 可 正确 预 测 绝 热 等 焓 制 冷 分 离 过 程 中 天 然 气 的 组 成 变化 。 x iφ 0 ( g + l) = 0∑ 1z iφ +φ = 1(20)以 上 两 式 中 , 节 流 前 天 然 气 的 焓 值 ; l 分 别 为 节 流 分 离 后 平 衡 气 、 液 相 的 焓 值 。5. 透 平 机 膨 胀 深 冷 分 离 器 天 然 气 相 组 成 计 算透 平 机 膨 胀 深 冷 分 离 器 的 作 用 主 要 是 将 分 从 等 焓 制 冷 脱 丙 、 丁 烷 后 的 天 然 气 中 分 离 出 来 。该 过 程 是 通 过 天 然 气 对 透 平 机 涡 轮 作 功 而 产 生 温 降深 冷 分 离 效 应 ,根 据 化 工 热 力 学 ,该 过 程 可 视 为 等 熵过 程 ,既 分 离 前 后 流 体 系 统 的 熵 不 变 ,满 足 熵 平 衡 关系 。 建 立 等 熵 膨 胀 分 离 过 程 的 相 平 衡 模 型 并 引 入 状态 方 程 ,就 可 以 得 到 等 熵 深 冷 分 离 去 乙 烷 后 天 然 气相 组 成 的 计 算 方 法 : z iφ S g - S l)φ S i - S l) +φ S g - S i)(21)同 理 ,应 用 状 态 方 程 对 上 述 相 关 参 数 进 行 计 算 ,并 使 其 满 足 下 列 相 平 衡 热 力 学 目 标 约 束 方 程 组 ,即可 正 确 预 测 等 熵 深 冷 分 离 过 程 中 天 然 气 的 组 成 变化 。 x iφ 0S i - ( g + l) = 0∑ 1z iφ S g - S l)φ S i - S l) +φ S g - S i) = 1(22)式 中 : S 表 示 体 系 的 熵 ;下 标 意 义 同 前 。上 述 五 个 工 艺 环 节 中 天 然 气 组 成 及 相 关 热 力 学参 数 的 计 算 ,都 需 要 优 选 与 所 研 究 的 凝 析 油 气 体 系相 适 应 的 状 态 方 程 及 其 逸 度 、 焓 、 熵 等 热 力 学 参 数 计算 式 ,目 前 在 凝 析 油 气 体 系 相 平 衡 计 算 中 常 用 的 状态 方 程 有 、 L 文 作 者 提 出 ) 、 要 适 用 于 地 面 常 压 范 围 ) 等 状 态 方 程 。 由 这 些 状态 方 程 导 出 的 焓 和 熵 的 计 算 方 法 参 见 文 献 〔 8 ,9〕 。矿 场 应 用 实 例 分 析1. 千 米 桥 凝 析 气 藏 开 采 过 程 水 合 物 生 成 条 件 预·46·开 发 试 采                             天   然   气   工   业                                 2002 年 1 月© 1994   千 米 桥 气 藏 板 深 7 井 水 合 物 生 成 条 件 对 比测千 米 桥 凝 析 气 藏 属 于 异 常 高 温 富 含 凝 析 油 型 凝析 气 藏 。 受 异 常 高 温 的 影 响 ,该 气 藏 地 层 流 体 中 不仅 富 含 中 间 烃 组 分 ,而 且 富 含 凝 析 水 。 实 验 测 试 表明 ,原 始 地 层 条 件 下 千 米 桥 凝 析 气 藏 天 然 气 中 饱 和凝 析 水 含 量 可 达 1 104 试 采 证 实 ,气 田 一 投入 开 采 就 伴 随 有 凝 析 水 采 出 ,因 此 为 提 高 该 气 田 开发 效 益 和 安 全 生 产 ,地 面 轻 烃 回 收 工 艺 流 程 设 计 中就 必 须 开 展 水 合 物 生 成 条 件 预 测 ,考 虑 气 体 水 合 物的 防 治 措 施 。根 据 前 述 方 法 ,应 用 引 进 的 加 拿 大 司 的水 合 物 测 试 装 置 和 理 论 预 测 方 法 对 板 深 7 井 水 合 物生 成 条 件 进 行 了 实 验 测 试 和 预 测 分 析 (见 图 1) ,其 预测 曲 线 与 实 测 曲 线 接 近 。 分 析 可 知 ,在 开 采 初 期 ,井口 压 力 较 高 时 ,板 深 7 井 井 口 处 水 合 物 生 成 温 度 相对 较 高 (为 21. 41~ 27. 12 ℃ ) ,但 仍 低 于 井 口 温 度 (异常 高 温 所 致 ) 。 因 此 ,板 深 7 井 在 开 采 过 程 中 井 筒 上部 不 会 生 成 水 合 物 。 但 如 果 采 用 多 级 分 离 工 艺 流程 ,则 根 据 图 1 给 出 的 预 测 曲 线 ,在 低 温 分 离 状 态 下就 有 可 能 生 成 天 然 气 水 合 物 ,这 就 需 要 考 虑 水 合 物防 治 问 题 。 为 此 ,应 用 水 合 物 预 测 方 法 对 甲 醇 和 氯化 钙 两 种 抑 制 剂 降 低 水 合 物 生 成 温 度 的 效 果 做 了 对比 ,结 果 见 图 1 中 最 下 面 的 两 条 曲 线 。 对 比 可 知 ,加入 一 定 量 的 水 合 物 抑 制 剂 可 有 效 降 低 水 合 物 生 成 温度 。2. 丘 东 凝 析 气 藏 开 采 过 程 水 合 物 生 成 条 件 预 测丘 东 凝 析 气 藏 地 层 流 体 为 一 富 含 中 间 烃 的 凝 析气 体 系 。 为 了 最 大 限 度 地 提 高 凝 析 油 采 收 率 ,在 开采 过 程 中 ,从 井 口 至 天 然 气 处 理 厂 设 计 采 用 多 级 分离 回 收 工 艺 。 工 艺 条 件 设 计 为 : ① 井 口 压 力 控 制 为初 期 18 后 期 4 ② 常 温 (20 ℃ ) 高 压 (10 分 离 ; ③ 节 流 前 预 冷 却 (10 - 30 ℃ ) ; ④节 流 膨 胀 分 离 ,进 料 为 10 - 30 ℃ ,分 离 为 4. 5 - 58 ℃ ; ⑤ 透 平 机 膨 胀 分 离 ,进 料 为 4. 5 48 ℃ ,分 离 为 2. 4 - 96 ℃ 。由 于 地 层 流 体 中 富 含 乙 烷 (7. 05 %~ 9. 83 %) 和丙 烷 (2. 69 %~ 4. 74 %) ,根 据 前 面 水 合 物 结 构 分 析 ,可 知 丘 东 凝 析 气 藏 在 开 采 过 程 中 生 成 水 合 物 的 条 件比 较 强 。 因 此 ,需 要 针 对 上 述 工 艺 设 计 ,预 测 气 藏 不同 开 采 时 期 气 体 流 经 各 分 离 工 艺 节 点 处 水 合 物 生 成的 条 件 ,为 防 治 水 合 物 配 套 工 艺 设 计 提 供 依 据 。根 据 前 述 预 测 方 法 ,按 照 丘 东 凝 析 气 藏 开 发 方案 设 计 中 相 态 和 数 值 模 拟 计 算 提 供 的 开 采 10 年 的生 产 指 标 预 测 数 据 ,分 别 对 井 口 、 高 压 分 离 器 、 节 流膨 胀 和 透 平 机 分 离 器 各 节 点 处 水 合 物 生 成 的 条 件 进行 了 预 测 。 由 于 各 节 点 处 的 压 力 (除 井 筒 中 各 点 压力 需 迭 代 求 解 外 ) 是 容 易 测 定 的 ,因 此 ,预 测 方 式 采用 给 定 各 节 点 的 压 力 计 算 天 然 气 组 成 和 水 合 物 的 生成 温 度 。 表 1、 2 分 别 给 出 了 按 统 计 热 力 学 方 法 预 测的 丘 东 凝 析 气 藏 水 合 物 生 成 条 件 。分 析 表 1 数 据 可 知 ,3 口 产 气 井 开 采 初 期 油 管 上部 近 井 口 处 气 体 水 合 物 生 成 温 度 为 21. 5 ℃ 左 右 ,衰竭 开 采 到 第 10 年 时 ,井 口 处 气 体 水 合 物 生 成 温 度 略有 降 低 ,为 19 ℃ 左 右 。 可 以 推 知 ,受 吐 哈 油 田 地 地 理位 置 影 响 ,在 秋 、 冬 、 春 三 季 ,丘 东 凝 析 气 藏 气 井 近 地表 井 筒 和 井 口 温 度 有 可 能 降 到 水 合 物 生 成 温 度 以下 ,因 此 气 井 油 管 上 部 近 井 口 处 就 有 可 能 形 成 水 合表 1   丘 东 凝 析 气 藏 采 气 井 井 口 水 合 物 生 成 条 件 预 测井     号 生     产     时     间     (年 )1 2 3 4 5 6 7 8 9 10丘 东 3 井 口 压 力 (17. 7 16. 6 15. 8 15. 0 14. 3 13. 5 12. 7 12. 0 11.
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本文标题:凝析气藏开采过程中天然气水合物生成条件预测方法研究
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