集氣管線預注醇分析及優化

2017-11-08 03:19:53楊亞軍楊繼剛尤靖茜白建收

石油化工應用 2017年10期

楊亞軍，楊繼剛，尤靖茜，白建收

（1.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710021；2.西安長慶化工集團有限公司，陜西西安 710018；3.中國石油長慶油田數字化與信息管理部，陜西西安 710018）

集氣管線預注醇分析及優化

楊亞軍1，楊繼剛2，尤靖茜3，白建收1

天然氣水合物堵塞管線是冬季采氣過程中經常遇到的一個問題，甲醇是蘇里格氣田東區用于防治水合物的主要抑制劑。根據蘇里格氣田“井下節流、中低壓集氣、井間串接”等工藝流程特點，文章從注醇量、注醇點等方面對冬季預注醇進行了分析優化。通過理論定性計算甲醇注入量，并隨著氣溫、壓力等的變化及時調整制度；依據入冬前的管線巡護工作準確選取甲醇最佳注入點。該方法形成后，集氣管線預注醇更加合理，不但減少了井堵頻次，還大大降低了甲醇消耗量。

水合物；凍堵；預注醇量；預注醇點

1 冬季運行現狀

蘇里格G區冬季最低氣溫可達-20℃以下，地面集輸管線易造成水合物堵塞，嚴重影響氣井的正常安全生產。鑒于此，每年冬季都會開展大量的預注醇工作。據統計，2015年11月至2016年3月，集輸管線共計預注醇1 493次，消耗甲醇616.87 m3，過程中發生凍堵61井次，影響天然氣產量約826.63×104m3。可以看出工作量大、甲醇消耗量大、效果欠佳是往年預注醇工作的明顯特點，究其原因，未能深入分析進行精細化管理，形成有效的預注醇制度，只是在集輸管線末點或壓力高點憑經驗定性的開展預注醇工作，針對性弱。

2 天然氣水合物形成原因及預防原理

2.1 蘇里格G區天然氣水合物的形成原因

天然氣水合物是天然氣與水在一定條件下形成的類似于冰的籠形晶體水合物。概括起來講，天然氣水合物的形成必須具備以下條件：

（1）有液態水存在，天然氣溫度必須低于天然氣的水露點；（2）低溫，系統溫度低于水合物生成的相平衡溫度；（3）高壓，系統壓力高于水合物生成的相平衡壓力；（4）其他輔助條件，如氣體流速和流向的突變產生的擾動、壓力的波動和晶種的存在。

蘇里格G區為中低壓集氣模式，設計之初，管線均埋于凍土層之下且井口不注醇，但在冬季實際運行中，管線內依舊會產生天然氣水合物，嚴重時亦可發生管線凍堵現象。分析其中原因，筆者認為主要有以下兩點：

（1）蘇里格G區位于毛烏蘇沙漠腹地，其主要地貌為半沙漠化及沙化土地，流沙移動較快，盡管管線上方開展了局部的防風固沙工作，但效果不能持久，所以當風力搬走管線上方的沙土后，就會直接造成管線埋深不足甚至裸露，降低了管線運行溫度，達到了天然氣水合物的形成條件。

（2）部分管線鋪設地段沙丘較大且多，造成管線起伏較為嚴重，降低了氣體攜液能力，在低洼處易積液。管線積液處管線有效流通截面變小，形成節流降溫，也可達到天然氣水合物的形成條件。

2.2 甲醇防堵機理

由于甲醇的羥基團形式相似于水分子，根據相似相溶原理，天然氣中的水分極易溶于甲醇中，改變水分子之間的相互作用，降低界面上的水蒸氣分壓，從而提高了水合物生成壓力或降低了水合物生成溫度，達到抑制水合物形成的目的[1，2]。

3 預注醇優化及效果分析

預注醇制度內容包含四點：注醇管線、注醇點、注醇量、注醇周期。其中注醇管線的選擇可以根據巡線結果、本年度管線下放工程及往年冬季運行管線凍堵情況綜合來選擇，注醇周期由于受注醇設備及人員的限制，統一按三天一次運作。注醇點和注醇量則根據不同的管線特征屬性制定不同的制度。下面就以典型代表說明預注醇制度的制定與調整。

3.1 預注醇量計算及選取

注入天然氣系統中的甲醇[3-5]，一部分與管線中的液態水混合，形成甲醇的水溶液，一部分與氣體混合（防止氣相中形成水合物），準確計算甲醇注入量時，需要考慮氣相和液相中的甲醇量。

水合物形成溫度降計算：

式中：ΔT-水合物形成溫度降，℃；t1-水合物形成臨界溫度，℃，由圖1可查得；t-天然氣進站溫度，℃。

當確定出水合物形成的溫度降ΔT后，可按下式計算液相中必須具有的抑制劑濃度X（質量百分數）：

式中：X-水溶液中抑制劑濃度，質量百分數；ΔT-水合物形成溫度降，℃；32.04-甲醇相對分子質量；1 297-抑制劑常數。

圖1 預測形成水合物的壓力-溫度曲線

甲醇注入量計算：

式中：Gm-甲醇注入量，kg/d；Gs-液相中甲醇量，mg/m3；Gg-氣相中甲醇量，mg/m3；Q-天然氣流量（標準大氣壓，20℃條件下），m3/d。

式中：Wf-日產水量與日產氣量的比值，mg/m3；C-注入甲醇的濃度，質量百分數。

式中：α-甲醇在每立方米天然氣中的克數與在水中質量濃度的比值，與溫度和壓力有關，可用下列經驗公式計算：

式中：P-壓力，MPa；T-溫度，K。

氣井井口均無兩相計量，無法準確得知氣井產液量，故這里只計算氣相中甲醇的消耗量，即取Gs=0。以G-1三叢井為例，該井叢日均產氣量1.349 7×104m3，目前井場外輸壓力1.3 MPa，平均產氣溫度4℃，甲醇濃度95%。計算地面管線注醇量：根據外輸壓力及天然氣相對密度（取0.6），由圖1查出水合物形成溫度t1=2.5 ℃，則 ΔT=（t1-t）+（3 ℃～5 ℃）=3.5 ℃，代入公式算出X=7.96%，根據壓力和溫度計算出α=4.66，則依據公式可得Gg=390 mg/m3，將產氣量Q代入公式得Gm=5.26 kg/d，根據甲醇密度0.792 8 kg/L，即得出理論甲醇注入量為6.6 L/d。

在氣量、溫度、壓力不變的情況下，計算液相中甲醇消耗量，趨勢（見圖2），可以看出隨著產液量的增加，甲醇消耗量線性增加，而且增加幅度較大。

圖2 液相消耗甲醇量與日產液量曲線

以計算所得氣相中甲醇消耗量為基礎，考慮到實際生產中氣井有產液現象，首次預注醇時選取日產液量為100 kg，所以每天預注醇量為18 L，又因為注醇周期為3 d，故每次預注醇量為54 L，制度取整為50 L。后期根據氣溫及井口壓力變化及時調整注入量，2017年1月5日，該井油壓異常，異常值較正常值升高0.3 MPa，防止發生凍堵，進行了一次解堵注醇，注醇量為1 037 L，此后一月預注醇量由50 L上調為100 L，后期運行正常，二月再次調整為50 L，三月氣溫回升，停止了對該條管線的預注醇工作，管線運行平穩。具體運行制度（見表1）。