氣田集輸系統水合物防治工藝的對比分析

蘇文坤，成慶林，范明月

（東北石油大學，黑龍江 大慶 163318）

氣田集輸系統水合物防治工藝的對比分析

蘇文坤，成慶林，范明月

（東北石油大學，黑龍江 大慶 163318）

氣田集氣過程中水合物的生成會影響集輸系統的正常運行，常用的水合物防治方法有脫水、加熱、降壓以及注抑制劑。重點研究了應用較為廣泛的加熱法和注抑制劑法，介紹了兩種工藝的具體特點、適應條件及其在各氣田的應用情況，提出了氣田具體水合物防治工藝選擇的建議，對指導現場水合物的防治工作有一定的借鑒意義。

氣田；水合物；加熱；抑制劑

氣田天然氣輸送過程中攜帶或產生的游離水，在適宜的溫度和壓力條件下，會與天然氣中的甲烷、乙烷等組分結合生成水合物，水合物在集輸干線或集輸站的彎頭、閥門、節流裝置等處形成后，使管段的流通面積減小，形成局部堵塞，影響正常的供氣，如不能及時處理，堵塞嚴重時會引發安全事故。因此，積極預防水合物，選擇適宜的水合物防治方法對于確保天然氣的安全輸送具有重要意義。

水合物形成的內因是天然氣中飽和水的存在，外因是一定的溫度和壓力條件（一般高壓低溫）。因此，防治水合物生成也應從這兩方面考慮，提高天然氣的溫度，或減少天然氣中水汽的含量。

1 水合物防治工藝

目前氣田常用的水合物防治措施有脫水、加熱、降壓以及注防凍劑三種方法：

①脫水，脫除天然氣中的水汽，降低其露點，即對天然氣進行干燥處理，防止水合物生成。

②加熱，對天然氣進行加溫，使其溫度始終保持在水合物生成溫度以上，防止水合物的生成。

③降壓，在維持原來溫度狀態下，使輸氣管道中的天然氣壓力降低至水合物的生成壓力下，防止水合物生成。

④注抑制劑，通過將抑制劑噴注到氣流中吸收氣體中的水分，使其露點下降，從而降低水合物的生成溫度，防止水合物生成。

其中脫水是防止水合物生成的根本辦法，但其主要用于氣田的外輸處理流程。因此，在天然氣氣田集輸系統中通常采用節流降壓、加熱方法或注抑制劑方法防止水合物的形成，而節流降壓法會增加輸送過程的能耗，且通常用于滿足集輸系統的壓力級制要求，所以本文重點研究加熱法和注抑制劑法在不同氣田的適用性。

2 加熱防凍工藝

2.1 加熱防凍工藝特點及適用性

在氣田實際現場應用中，常在節流降壓之前先通過加熱爐給氣體升溫，防止在節流過程以及后續的輸送過程中生成水合物。加熱法一般多用于產量小于10×104m3/d且壓力小于30 MPa的高壓氣井的井場或集氣站，同時也適用于含蠟或含水較多的氣井，加熱法工藝較成熟，操作方便，管理簡單且防凍效果好，運行風險低，但建返輸燃料管線需要投資[1]。氣田常用的加熱防凍井場裝置原理流程圖如圖1：

圖1 加熱防凍的典型井場裝置原理流程圖Fig.1 Well site facilities flow chart of heating process to prevent hydrate

2.2 氣田礦場常用加熱設備

氣田礦場常用的加熱設備多為水套加熱爐，其特點是操作方便且易于管理。加熱爐加熱法通常有多井加熱和單井加熱兩種方式，對于氣井初期壓力較高、井網密度大的氣田，常采用多井式水套加熱爐加熱方式，一臺加熱爐可同時對8口氣井進行加熱，一般1個集氣站2～3臺加熱爐即可滿足需求，此方法不僅減少了加熱爐的數量，提高了設備利用率，而且降低了工程投資。

3 注抑制劑防凍工藝

3.1 注抑制劑防凍工藝特點及適用性

目前廣泛采用的水合物抑制劑為熱力學抑制劑，氣田常用的抑制劑有甲醇和乙二醇兩種：

甲醇一般適用于氣體流量小、高壓、出水量大、礦化度高的氣田，或用于建廠初期或季節性防凍管道較長情況，其特點是可用于任何溫度下的天然氣管道和設備，且腐蝕性低，價格便宜，質量濃度相同的抑制劑，甲醇使用效果優于乙二醇。但甲醇有中等毒性，易揮發，使用有一定的危險性，且注入量較大時需在凈化廠內設置相應的醇回收裝置和返輸管線，而注入量小不回收，廢液的處理將是一個難題。

乙二醇常用于大氣量操作，蒸發損失小，可回收循環利用，且乙二醇無毒性，不會危害人身安全和帶來環境污染問題。但若達到相同的水合物防治效果，乙二醇用量比甲醇大，且溫度低于-10 ℃時，一般不使用乙二醇，因為有凝析油存在且溫度較低時，會很難分離，加大溶解和夾帶損失[2]。乙二醇單價也比甲醇高，需建回收裝置循環使用，投資相對較高。

由于甲醇抑制效果好，貨源充足價格便宜，且相應工藝已較為成熟，所以目前各大氣田用量較多的抑制劑還是甲醇，但也有部分氣田使用乙二醇作為水合物抑制劑，比如克拉美麗氣田。氣田常用的注抑制劑井場裝置原理流程如圖2所示。

圖2 注抑制劑防凍的典型井場裝置原理流程圖Fig.2 The well site facilities flow chart of hydrate inhibitor injection process to prevent hydrates

3.2 氣田礦場常用抑制劑注入方式

注醇方式一般有井口設注入設備分散注入，注醇管線集中注入[3]以及流動注醇車注入三種：

①分散注入是指在井口安裝抑制劑注入設備，

將醇液霧化噴注入氣流內防治水合物，但由于目前多采用注醇泵注醇，所以此方法對電的依賴性強；

②集中注醇方式是指在集氣站建注醇泵房，并敷設至各單井的注醇管線，由泵房的柱塞計量泵控制各單井的注醇量和注醇速度，此方法應用方便，適用于加注量較多的場合；

③流動注醇車采用車載式柱塞泵向氣井井筒或堵塞管線段注醇，主要用于解除井筒及地面管線水合物堵塞，操作方便且見效快。

4 防凍工藝的現場應用

長慶靖邊氣田采用井口注醇、高壓集氣、集氣站多井加熱節流、集中回收甲醇的集輸工藝[4,5]，具體氣田集氣站的工藝流程如圖3所示。高壓管線水合物生成溫度更高，更易形成水合物，因此需向井口注入防凍劑甲醇防治水合物，注醇管線與采氣管線同溝敷設向氣井或采氣管線注入甲醇。而高壓天然氣送入集氣站后需降壓節流以滿足集輸系統的壓力要求，而降壓通常伴隨著劇烈的溫降，為防止這個過程中生成水合物，集氣站先采用水套加熱爐對氣體加熱后再進行節流。注醇防治水合物工藝在長慶氣區的應用已經較為成熟，擁有甲醇生產廠與甲醇集中再生廠。

川西氣田氣井開采初期壓力較高，產少量凝析水，冬季或初春氣溫較低時，地面管線容易出現由水合物引起的堵塞，目前氣田主要采用先加熱后節流的方式來防治水合物[6]，由于節流降壓通常伴隨著劇烈的溫降，因此天然氣從氣井出來后要先經過水套加熱爐進行升溫，然后再經過節流閥進行節流降壓，滿足集輸管網的壓力要求，同時防止水合物生成，氣田的集輸工藝流程如圖4所示。

圖3 長慶靖邊氣田集氣站工藝流程圖Fig.3 The process flow chart of gas-gathering station in Changqing Jingbian gas field

圖4 川西氣田集輸工藝流程圖Fig.4 The flow chart of gathering and transferring process in western Sichuan gas field

克拉美麗氣田原料氣含有一定量的凝析油，主要有單井注醇、初級節流、高壓集氣、集氣站集中加熱節流，井口初級節流、保溫輸送、集氣站加熱節流以及井口加熱初級節流、保溫輸送、集氣站集中加熱節流三種集輸工藝。但目前氣田現在產水量大，超過預期，井口溫度也低于預測值[7]，且開發初期部分單井集輸管線未設保溫層，針對此情況對防凍工藝進行了改造[8]，在氣井井口增設水套爐，提高采氣管線的輸送溫度，同時對集輸管線進行保溫，減少輸送過程的熱損。

普光氣田氣井壓力較高，氣井所產天然氣含飽和水，而且含H2S、CO2酸性氣體，更易生成水合物。氣田主要采用濕氣加熱、保溫輸送的集輸工藝[9]，氣井濕氣經過井場的三級節流降壓后，再通過兩級加熱的水套間接式加熱爐為氣體升溫，主要管線敷設保溫層保溫，安全運至集氣總站進行氣液分離，確保輸送過程中不會產生水合物[10]，具體工藝流程見圖5。

圖5 普光氣田井場工藝流程圖Fig.5 The process flow chart of well site in Puguang gas field

澀北氣田氣井氣質較好，CH4平均含量高達98.73%，但壓力衰減較快。氣田最初采用井口注醇方式防凍，后來氣井產水量逐漸增多，需要甲醇的加注量變大，同時考慮甲醇的毒性，氣田改為集氣站加熱節流的防凍集輸工藝，并且，經多次方案論證與氣田的實際生產驗證，采氣管線的保溫輸送也是防治水合物的較好措施[11]。

5 結論及建議

根據以上研究成果，綜合各大氣田水合物防治工藝的現場應用情況，在集輸系統的防凍工藝選擇上，應注意以下幾點：

①防凍效果好，能最大限度的降低水合物生成溫度，產量小、產水較多的氣井適合用加熱法，產水量少時適合采用注抑制劑法；

②不引起附加問題，不與天然氣中的組分發生反應，不會增加氣體和燃燒產物的毒性，不會引起管道及設備的腐蝕；

③結合現場條件，若集氣半徑過大（超5km），單獨防凍工藝應用效果不好時，應考慮采用加熱注抑制劑聯合防治水合物的方法；

④總投資最省，如果氣田產量變化大、衰減快，比如頁巖氣田，應考慮氣田的后期產量降低后的集輸及防凍方式，盡量減少項目投資。

［1］ 劉德青，馮德寶，陳小艷,等．采氣井集輸加熱與注醇工藝適應性分析[J]. 新疆石油天然氣，2008，4(1)：93-97．

［2］ 趙琴．D區氣田工程集輸工藝優化研究[D].南充：西南石油大學, 2014．

［3］ 程小莉, 陳德見, 陳勇．對蘇里格氣田水合物防治工藝的幾點認識[J].內蒙古石油化工，2012，38(18)．

［4］ 徐勇, 穆謙益, 楊亞聰,等．長慶氣區開發模式及地面配套工藝技術[J].天然氣工業, 2010, 30(2)：102-105．

［5］ 劉銀春, 王莉華, 李衛,等．蘇里格氣田南區塊天然氣集輸工藝技術[J].天然氣工業，2012，32(6)：69-72．

［6］ 鄧柯．川西氣田水合物防治工藝技術研究[D]. 南充：西南石油大學，2007．［7］ 王治紅，張鋒，曹洪貴,等．影響克拉美麗氣田天然氣水合物生成因素分析[J].天然氣與石油，2012，30(5)：1-4．

［8］ 曹洪貴，劉濤，陳曉明等．克拉美麗氣田地面集輸工藝技術探討[C].中國油氣田地面工程技術交流大會,2013．

［9］吳志欣．普光氣田地面集輸工程建設創新總結[J].油氣田地面工程，2013(9)：132-133．

［10］龔金海，劉德緒．普光高含硫氣田濕氣集輸與安全環保配套技術[J].油氣田地面工程，2012，31(11)：6-7．

［11］張濤，陳婭南，程建文,等．澀北氣田地面集輸工藝技術[J].天然氣地球科學，2009，20(4)：636-640．

Comparison and Analysis on Hydrate Prevention Processes of Gas Field Gathering System

SU Wen-kun，CHENG Qing-lin，FAN Ming-yue
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

The hydrate forming in the natural gas transportation process can affect the normal operation of the gathering system. There are four common processes for hydrate prevention, namely, dehydration, heating, depressurization and hydrate inhibitor injection. In this paper, heating and hydrate inhibitor injection were mainly studied, which were widely used in various gas fields. The characteristics, adaptive conditions and corresponding field applications of these two processes were presented. Some suggestions on the selection of hydrate prevention process were proposed, which could provide some reference for the hydrate prevention work in gas field.

Gas field; Hydrate; Heating; Inhibitor

TE 89

A

1671-0460（2015）08-1897-03

國家自然科學基金項目，項目號： 51174042。

2015-05-16

蘇文坤（1990-），女，河北人，在讀碩士研究生，2013年畢業于東北石油大學油氣儲運工程專業，研究方向：油氣長距離管輸技術。E-mail：suwenkun1990@126.com。

成慶林（1972-），女，教授，博士，主要從事油氣儲運以及熱力學分析方向的研究。E-mail：chengqinglin7212@163.com。