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管输节流降压过程中水合物形成研究

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节流 降压 过程 水合物 形成 研究
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8 内蒙古石油009年第16期 管输节流降压过程中水合物形成研究 李阅明 (中油辽河工程有限公司油气储运所) 摘 要:天然气管输节流降压过程中容易形成水合物,该物质会堵塞管道、阀门等,造成巨大损失。 本文介绍了天然气水合物的形成机理、条件,探讨了水合物形成的平衡常数法、热力学模型计算方法,并 介绍了目前常用的水合物防止方法。 关键词:节流;水合物;天然气输送 在天然气输送过程中,经常使用节流阀对气体 进行降压,使高压气体被降压到规定的压力。而在节 流过程中,气体由于压力的降低,体积急剧膨胀,导 致气体的温度下降,当温度下降到一定温度时,天然 气中的气体分子和水形成天然气水合物,该物质为 固态物质,通常堆积在节流阀前后,造成管道的堵 塞、爆炸,给管道输送带来巨大的损失。随着西气东 输工程的启动,中西部地区大量的天然气资源通过 长输天然气管道输往东部及沿海地区。为确保输气 管道安全经济运行,如何消除和防治管道水合物生 成已引起科研人员’和有关部门的重视,从而成为天 然气传输中亟待解决的关键技术问题。 1 然气水合物形成机理 天然气水合物又称为水化物,是天然气中某些 组分与水分在一定的温度、压力条件下形成的固体 化合物。 1.1天然气水合物结构 天然气水合物是在一定压力温度条件下,天然 气中某些气体组分(如:C。。H 、C。H 、H。天然气中的游离水形成的一种复杂的 但又不稳定的白色结晶固体,是一种类似于冰或雪 的物质,密度为O 88~O.9O g/大量研究结果 表明n ,水合物是由氢键连接的水分子结构形成 笼形结构,气体分子则在范德华力作用下,被包围在 晶格中。至今,在自然界已经发现了三种水合物晶格 结构:结构构构种结构晶 格中都含有无数大小不等的孔穴。而天然气中的烃 5结论与建议 5.1对于构造比较复杂的探区,基于双曲线理论的 常规处理不能很好的解决成像问题,应该采取叠前 成像技术。 5.2实用中首选的方法应该是间偏移方法。它的优点是对道集类型无要求、不要 求采样间隔的规则性、可以适应非水平界面的成像。 5.3叠前偏移、叠前反演、叠前地震属性分析是一 种必然的发展趋势。建议加强地震资料叠前偏移处 理的研究力度,为叠前反演与属性提取奠定良好的 资料基础。 [参考文献] [1] Z.]. 2001 [2] 王成祥,赵波,张关泉.基于起伏地表的混合 法叠前深度偏移.石油地球物理勘探,2002, 37(3):219~223. [3]何光明,贺振华,黄德济,王翠华,张毅.叠前时 间偏移技术在复杂地区三维资料处理中的应 用.天然气工业,2006,26(5):47. iS of a in is of n is in a 稿日期:205 作者简介:李阅明(1981一),工程师,中油辽河工程有限公司油气储运所,从事方向:地面油气工程设计。 2009年第16期 李阅明 管输节流降压过程中水合物形成研究 9 类分子和非烃类分子以客体分子的形式占据水合物 晶格的孔穴,占据晶格空穴的分子尺寸和几何形状 必须与空穴相匹配,因此,在能填充C。H 小分子烃类以及子;。、C.H。等较大的 烃类气体分子;而外,还能容纳一般的原油分子i—C 。 1.2天然气水合物的形成条件 天然气水合物的形成与天然气的组分等因素有 关,一般要具备以下三个条件:①天然气中有液态水 存在或含有过饱和状态的水汽;②一定的低温和高 压条件;⑧气体压力发生变化使得气体产生扰动。系 统的压力越高,温度越低,越容易生成水合物。形成 水合物的关键是自由水存在。当天然气输入管道后, 由于输气管道内温度高于水汽露点温度,没有自由 水析出,就不会形成水合物。随着管道内压力、温度 不断变化,天然气温度可能逐渐降到天然气水露点 温度,形成饱和气体,开始有水析出,并且在一定压 力、温度下可能形成水合物。水合物一旦形成后,就 会减少管道的流通面积,产生节流,加速水合物的进 一步形成。 2天然气水合物形成计算 天然气水合物的形成计算方法比较多,常用的 有图解法,平衡常数法Q ,热力学模型计算法。 2.1水合物形成温度的平衡常数法 在管输天然气分析中,一般知道天然气的组成, 天然气水合物的形成温度或压力可用平衡常数来预 测。 一1 ‘1) 式中:k 一天然气组分的平衡常数,y 一天然气 组分的摩尔分数。在设计使用天然气节流降压时,① 按照选择节流阀的最大压降确定天然气最终压力; ②再假设此压力下天然气水合物的形成温度;③查 相应的图板确定各个天然气组分的平衡常数;④带 入公式(1)中计算,若在误差允许的范围内(1)式满 足,则该温度为使用天然气水合物形成的温度,若 (1)式不满足,则重新假定②的温度,并按照③、④的 方法计算,直到(1)式满足。⑤根据节流方式计算实 际使用该节流阀降压后的实际温度,该温度应在天 然气水合物形成温度之上,否则,调整初步设计的节 流降压方式。 2.2天然气水合物形成热力学模型 在天然气热力学模型的计算过程中,一般选取 节流前后两个断面,建立两个断面的能量方程,通过 对形成水合物的化学位研究,确定出能形成天然气 水合物的临界温度。流体通过节流装置时压力下降, 由于天然气的可压缩性,压力的降低会引起比容显 著的减少,即体积急剧增大,所以一般会在节流后增 加流道的截面积以保持基本恒定的流体线速度,流 体流经节流装置前后的动能、位能均可忽略,且过程 中与外界无功和热的交换,所以节流过程为等焓膨 胀过程,故节流前后热力学第一定律可由下式给出。 (0 (2) 根据天然气流动状态过程可以确定温度压力模 型: Q= √(占)[(南)占一( )告](3) ,、,r|中:Q——通过气嘴的体积流量;d 一气嘴开 孔直径,P 一气嘴入口端面的压力;;等熵指数数。 由上式可以计算出节流后的压力,再由下式计 算出节流后的温度。 △T:L;4) 式中:a 一节流阀的节流 效应系数。 纯水到水合物形成的 水合物晶格),学方法得出了水再化学位表达 式: 。~ “= (1一 5) 根据化学位的变化利用计算机迭代计算可得出 节流过程中水合物形成的临界温度,从而判断水合 去的生成。 3天然气水合物防止 天然气的形成在管输过程中有很大的危害,因 此在使用节流阀中应注意此类问题,不过在天然气 的输送过程中有许多办法可以防止天然气水合物的 形成。常用的方法有天然气脱水,控温控压输送,添 加抑制剂等方法0 )。 3.1脱水防天然气水合物形成 天然气水合物的形成一定要有游离的水分子, 因此在防止水合物的形成中可以通过除去水分子来 抑制水合物的生成。常用的有吸湿溶剂、物理吸附方 法。吸湿溶剂一般选取三甘醇等,由其与气体接触, 通过氢键吸收水分子;物理吸附方法指采用分子筛、 氧化铝或硅胶等可选择性吸附水分子的固体与气体 接触,来降低气相中的水浓度。此项技术有一定的局 限性,如果水合物晶核或自由水吸附于壁面或其他 10 内蒙古石油4L:009年第16期 地方,尽管液烃相中的水浓度十分低,水合物也可以 很容易地从液烃相中生长。另外,某些偶发事件也会 导致自由水的存在,进而导致水合物的形成,堵塞管 线。 3.2控温控压防止天然气水合物形成 在天然气节流过程中,气体压力下降和温度的 下降可使得天然气水合物得形成,因此,要防止水合 物得形成,可以控制温度和压力在水合物得形成温 度之上。在设计中,计算使用节流阀的压降,使之不 能满足产生水合物的条件。除此之外,还可以用加热 的方法控制天然气温度的下降。但此方法的难点在 于需要准确的计算天然气的所需要的热量,过高的 热量会使天然气压力升高,达不到节流降压的目的, 过低则达不到防止天然气水合物的形成。 3.3添加抑制剂防止天然气水合物形成 添加抑制剂是目前防治水合物形成经常使用的 方法。它通过向天然气中注入抑制剂而达到防止水 合物生成的目的。常用的抑制剂有热力学抑制剂、动 力学抑制剂和聚合物一表面活性剂等。 3.3.1热力学抑制剂。通过向管线中注入热力学抑 制剂,破坏水合物的氢键,提高水合物生成压力,降 低生成温度,以此来抑制水合物的生成。现目前使用 的这类抑制剂有甲醇和乙二醇等。醇的添加会影响 气体水合物晶体的形态及结晶凝聚特征。根据天然 气节流条件选择醇的注入速率、注入时间、注入量等 参数,添加足够数量的抑制剂,可使水合物的热力学 平衡条件高于管线的压力、温度条件。热力学抑制剂 法在油气生产中已得到了较广泛的应用。但该方法 抑制剂的加入量较多,成本较高,抑制剂的损失也较 大,并存在与环境不协调等问题。 3.3.2动力学拟制剂。动态抑制剂是近年来国内外 开发出了几种新型的水合物抑制剂之一,在水合物 成核和生长的初期,动态抑制剂吸附于水合物颗粒 表面,活性剂的环状结构通过氢键与水合物晶体结 合,从而防止和延缓水合物晶体的进一步生长。因 此,它可以使水合物晶粒生长缓慢甚至停止,推迟水 合物成核和生长的时间,防止水合物晶粒长大。它抑 制水合物生成的机理与热力学抑制剂不同,加入量 很少,一般浓度低于1 ,成本较低,经济可行,已在 一些油气田中试用。 3.3.3聚合物一表面活性剂。这类水合物抑制剂是 一种聚合物和表面活性剂的混合。它的加入可使油、 水相乳化,将油相中的水分散成水滴。加入的防聚剂 和油相混在一起,在水合物形成时可以防止乳化液 滴的累积,达到抑制水合物生成的作用。防聚剂的用 量大大低于热力学抑制剂用量,0.5 ~2 即可有 效,较好的节约成本。 水合物的防止方法有许多,其机理基本与以上 几种相同,各个油田也在根据自己的经验使用一种 或多种方法防止水合物的生成,都起到了较好的效 果。 4结论 ①天然气管道输送过程中,由于节流降压气体 膨胀,温度降低,天然气中水分子和天然气小分子形 成水合物,堵塞管道,造成损失。 ②天然气管输节流水合物形成可有通过平衡常 数,热力模型等计算得出。 ③天然气在管输过程中可以通过脱水,控压控 温,添加水合物抑制剂的方式防止水合物的形成。 [参考文献] 曾自强,张育芳.天然气集输工程.石油工程 出版社,2001,40~55. 李远超,张国玉,等.井下节流温压分布模型 和水合物预防.石油工程技术. 王海霞,陈保东,等.油田节流时天然气水合 物的预测.管道技术与设计,2006,(3):8~ 10. 王海霞,陈保东,等.输气管线中水合物形成 与预防.天然气与石油,2006,(2):292. 陈赓良.天然气采输过程水合物的形成与防 止.天然气工业,第24卷8期89—91. 陈光进,等.化工热力学.石油工程出版社, 2006,39—89. on 1 is to it on to it be by of t to ] ] ] ] ] I!l
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