氣井井口天然氣水合物預測軟件設計

摘" " " 要： 天然氣水合物的生成會對氣田井口生產天然氣帶來極大困難，準確預測水合物生成位置及條件對氣井井口水合物防治至關重要。基于Visual Basic 6.0平臺設計出氣井井口天然氣水合物生成預測軟件，通過運行分析得到天然氣氣井井口溫度、壓力及流量對天然氣水合物生成位置的影響。

關" 鍵" 詞：水合物生成預測；BWRS方程；節流壓降與溫降；傳熱計算

中圖分類號：TE37" " " 文獻標識碼： A" " " 文章編號： 1004-0935（2023）02-0262-04

天然氣是天然蘊藏于地層中的可燃性氣體，其組成以甲烷為主，同時含有少量的乙烷、丙烷和丁烷等低相對分子質量烴類以及硫化氫、二氧化碳、氮和水蒸氣等非烴氣體等。在氣井井口開采天然氣過程中，當滿足一定的溫度和壓力條件時，若存在游離水時，將會形成籠型冰雪狀固體，稱為天然氣水合物[1]。

少量天然氣水合物的形成會造成輸氣管道的流通面積減少，產生節流，造成管線壓差的增大，進而形成更有利于水合物生成的環境。當水合物繼續聚集生長，將會造成管線、閥口及設備的堵塞，導致管件損壞，影響氣井井口天然氣的正常生產。特別是大水量產水氣井在冬季低溫環境下，油管、采氣樹及集氣管線更易受水合物的堵塞，嚴重時會引起管道堵死、爆管等事故[2]。如何對天然氣開采和集輸過程中天然氣水合物的生產進行準確預測，并采取有效的防治方法避免由于水合物生成而造成的“凍堵”等生產事故，將成為未來天然氣生產集輸過程中的一個重點問題。

1" 天然氣水合物生成預測模型

1.1" 天然氣水合物生成回歸公式

TOWLER和MOKHATAB通過擬合GPSA水合物形成條件曲線，提出了一種由天然氣相對密度和壓力預測水合物形成溫度的三參數關聯式。其中對于非酸性和低含CO2天然氣，TOWER公式的平均相對誤差較小[3]。

其中的A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、β為狀態方程式的參數。對于純組分，參數可通過與臨界參數Tci、ρci及偏心因子ωi關聯求解[9]；對于混合物，BWRS方程采用二元交互作用系數Kij混合規則求解[10]；計算中天然氣各純組分臨界參數出自單一氣體在標準狀態下的主要特征值表[11]。基于BWRS狀態方程，可分別計算天然氣密度、氣體壓縮因子、定壓及定容比熱容、焓、熵、導熱系數及黏度等物性參數[12]。

1.3" 節流壓降及溫降計算

氣井井口通常安裝有針形閥、流量計等節流裝置，用來控制氣井產量和井口壓力及油氣計量。當氣體通過這些節流裝置時，由于局部阻力較大，將產生壓力降低、比容增大、溫度降低的現象。裝置的節流壓降采用下式計算：由圖2可知，隨著天然氣溫度的逐漸升高，水合物的生成位置逐漸往管線下游推移，說明提高天然氣溫度對防止水合物生成有顯著效果。考慮針閥和流量計孔板節流影響時，預測的天然氣水合物生成位置略有后移，其原因在于針閥和流量計孔板節流導致下游壓力下降，不利于天然氣水合物生成。

天然氣流量管線對水合物生成位置的影響如 圖3所示。由圖3可知，隨著天然氣流量的增大，水合物的生成位置逐漸往管線下游推移。由于天然氣流量的增大使得其攜帶的熱力學能增大，使得管線內天然氣沿管長方向的溫度下降趨勢變緩，使得天然氣在較長管線內處于水合物生成溫度以上，抑制了水合物的生成。考慮針閥和流量計孔板節流影響時，預測的天然氣水合物生成位置向下游推移，這一現象在天然氣流量較大時更加明顯。其原因在于針閥和流量計孔板的節流效應導致的壓力降低在流速較大時更加顯著，此時有利于抑制下游天然氣水合物的生成。

由圖4可知，隨著天然氣操作壓力的增大，水合物的生成位置往管線上游推移。其主要原因是隨著壓力的增加，天然氣水合物生成的最低溫度減小，即在高壓條件下，更有利于水合物的生成。考慮針閥和流量計孔板節流影響時，預測的天然氣水合物生成位置略有后移，其原因在于針閥和流量計孔板節流導致下游壓力下降，不利于天然氣水合物生成。壓力較小時，天然氣密度較小，此時其流速較大，節流效應更明顯，因此水合物生成位置后移更顯著。

3" 結 論

軟件以BWRS方程為基礎，計算出天然氣密度、比熱容、焓、熵、黏度和導熱系數等關鍵物性參數；同時利用水合物預測回歸公式，結合壓降及溫降計算模型和傳熱計算模型，建立水合物生成位置與溫度、壓力和流量等參數之間的關系，生成相應的計算軟件。通過采取參數計算可以看出，軟件具有使用簡單、運算精度高等特點，可對氣井井口水合物生成位置進行準確預測。

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Design of Natural Gas Hydrate Generation

Prediction" Software for Gas Wellheads

WANG Jia-le ， WU Nan-nan， HAN Fei-yue

（Xi'an Shiyou University， Xi'an Shaanxi 710065， China）

Abstract：" The formation of natural gas hydrates will bring great difficulties to the production of natural gas at the wellhead of gas fields， and accurate prediction of hydrate formation location and conditions is crucial for the prevention and control of natural gas hydrate formation at gas wellheads and mouths. Based on the Visual Basic 6.0 platform， the gas wellhead natural gas hydrate generation prediction software was designed， and the effect of natural gas wellhead temperature， pressure and flow rate on the natural gas hydrate generation position was obtained through operational analysis.

Key words： Hydrate generation prediction; BWRS equation; Throttling pressure drop and temperature drop; Heat transfer calculations