雷 煒 王俊人

（1.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院 2.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院）

根據(jù)規(guī)劃，元壩氣田第一期將新建集氣站場11座，鋪設(shè)管道約130 km，天然氣建設(shè)產(chǎn)能規(guī)模將達(dá)17×108m3/a。氣田采取集中脫硫方式，單井氣源均采用濕氣輸送方式。在濕氣輸送過程中，若不采取相應(yīng)的措施，由于沿程溫降，不可避免地要出現(xiàn)天然氣水合物，由于天然氣水合物極強(qiáng)的聚集性，將直接造成管線壓降增大而影響輸送效率，嚴(yán)重時(shí)甚至造成堵塞而影響氣田的穩(wěn)定生產(chǎn)并帶來巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此分析集輸管網(wǎng)水合物形成規(guī)律并制定相應(yīng)的防治對策具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 水合物形成條件預(yù)測

1.1 水合物室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)

采用藍(lán)寶石水合物生成裝置，實(shí)驗(yàn)主要采用觀察法進(jìn)行，其平衡溫度點(diǎn)確定方法如下：當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件達(dá)到水合物形成的臨界溫度時(shí)，水的黏滯力明顯增強(qiáng)，攪拌速度明顯變慢。一旦溫度繼續(xù)下降，達(dá)到水合物生成的臨界點(diǎn)，此時(shí)壓力明顯下降，通過釜壁可依稀觀測到細(xì)小的白色顆粒，而CCD圖像檢測系統(tǒng)上明顯觀察到有晶核形成，并分散在液相中。這時(shí)稍微增大攪拌速度或降低溫度，通過CCD圖像系統(tǒng)可觀測到：分散在液相中的晶核越來越多，并且不斷聚結(jié)，出現(xiàn)了漿狀沉淀，此刻釜內(nèi)液相已變得渾濁并且迅速堆積凝固，形成像冰塊狀的透明固體，堵塞了整個(gè)高壓釜。

根據(jù)前期測試氣樣分析，元壩H2S摩爾分?jǐn)?shù)在3%～9%之間，CO2摩爾分?jǐn)?shù)3%～11%，考慮H2S摩爾分?jǐn)?shù)為水合物形成的主要敏感因素，因此選擇摩爾分?jǐn)?shù)為9%的H2S進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)（表1）。

表1 模擬天然氣組成表

通過模擬實(shí)驗(yàn)，元壩天然氣隨著壓力的升高，天然氣水合物溫度逐步升高，在0.1～15 MPa之間呈現(xiàn)出快速上升趨勢，在15 MPa以后，則趨勢較為平緩（圖1）。

圖1 水合物形成溫度隨壓力變化趨勢圖

由于元壩地區(qū)為山區(qū)地形，加上采用濕氣輸送方式，沿程壓損較大，因此水合物的形成條件需要考慮集輸?shù)钠鹗级撕湍┒藟毫?。以元壩凈化廠為末端，最遠(yuǎn)單井站為起始端進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)，末端凈化廠運(yùn)行壓力為6 MPa，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知其水合物形成溫度為17℃。末端壓力推算至最遠(yuǎn)單井站得出所需起點(diǎn)壓力為10 MPa左右才能滿足末端凈化廠6 MPa的壓力需要，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，起始端水合物形成溫度為21℃。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，為確保管網(wǎng)內(nèi)不形成水合物，通常需要增加5℃的安全富余量，因此起始端和末端的水合物形成溫度分別為26℃和22℃。

1.2 元壩集輸系統(tǒng)水合物形成預(yù)測

輸送過程中為使得輸送末端溫度仍高于形成水合物溫度，需要對起始端氣流進(jìn)行加熱，以加熱后的出站氣流溫度為50℃～80℃作為初設(shè)條件進(jìn)行管網(wǎng)溫降模擬計(jì)算。

采用HYSYS軟件對元壩氣田集輸系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算參數(shù)取值如下：單井站出站流量（40～70）×104m3/d，管道外表面環(huán)境計(jì)算溫度6℃，傳熱系數(shù)取值如表2所示。

表2 3PE夾克防腐管道傳熱系數(shù)K值表

計(jì)算得在常規(guī)輸送方式下，由于熱傳導(dǎo)過快，到末端凈化廠時(shí)，天然氣溫度降至7.8℃，遠(yuǎn)低于水合物形成的22℃，易發(fā)生水合物堵塞情況，而即便是將起始點(diǎn)的出站溫度加熱到80℃，到末端凈化廠時(shí)溫度為23.2℃，也接近水合物形成溫度（表3），而將出站溫度加至80℃面臨著如下難題：①高產(chǎn)量下，加熱至80℃所需水套爐功率較大，能源耗費(fèi)較大；②80℃的輸送環(huán)境下輸氣管材質(zhì)已進(jìn)入CO2高溫腐蝕區(qū)，且整個(gè)管網(wǎng)溫度跨度較大（80℃～23.2℃），不利于管網(wǎng)防腐工作的開展。因此技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上并不可行，因此采用加溫后常規(guī)輸送方式將無法有效預(yù)防水合物的形成。

表3 元壩氣田集輸管網(wǎng)溫降模擬計(jì)算結(jié)果表

2 防治對策研究

對于含硫氣田濕氣輸送，為防止集輸管網(wǎng)水合物的形成，主要采用抑制劑加注法和加熱保溫輸送兩種工藝。

2.1 水合物抑制劑加注法

采用水合物抑制劑能有效降低水合物形成溫度，目前含硫氣田使用最廣泛的熱力學(xué)抑制劑是甲醇和乙二醇。它們通過改變水合物相的化學(xué)位，使水合物形成條件向較低溫度和較高壓力的范圍移動，從而達(dá)到抑制水合物形成的目的。但使用乙二醇較使用甲醇所需藥劑注入量大，費(fèi)用高，且需在凈化廠建乙二醇回收裝置，再返輸至各集氣站，系統(tǒng)投資、運(yùn)行費(fèi)用較高，操作較繁雜，故在此采用甲醇進(jìn)行水合物抑制效果實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)采用觀察法，氣樣組分見表1所示，甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%和25%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，加注甲醇后，能有效降低水合物形成溫度，在10 MPa左右，甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%情況下，水合物形成溫度能降低至12℃～9℃，考慮5℃富余量，水合物預(yù)防溫度為17℃～14℃，為使得末端溫度高于該值，根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，采取不保溫輸送則需要起始站溫度在70℃以上，管線仍面臨高耗能及較大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)在大量的甲醇加注情況下，將嚴(yán)重影響緩蝕劑的性能，因此單一依靠加注水合物抑制劑的方式無法實(shí)現(xiàn)有效的水合物防治。

圖2 甲醇加注對水合物形成溫度影響圖

2.2 加熱保溫輸送法

保溫輸送在管道防腐層的基礎(chǔ)上增加保溫層，以降低熱傳導(dǎo)系數(shù)，減少熱量散失。埋地鋼質(zhì)管道常采用聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層，其保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算公式如下：

式中：

δ—保溫層厚度，m；

D—保溫層內(nèi)徑，m；

D1—保溫層外徑，m；

h—管道中心距地面深度，m；

t1—介質(zhì)溫度，℃；

t2—距地面h處的土壤溫度，℃；

λ — 保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

λr— 土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

α—保溫層外表面向土壤的放熱系數(shù)，W/（m·℃）；

B—熱能價(jià)格，元/（MW·h）；

H—年運(yùn)行時(shí)間，h；

A—防腐保溫層單位造價(jià)，元/m3；

N—保溫工程投資年分?jǐn)偮省?/p>

根據(jù)元壩實(shí)際情況，計(jì)算得應(yīng)采用30 mm夾克聚氨酯泡沫外防腐保溫層。在此仍采用HYSYS建模計(jì)算在采用夾克聚氨酯泡沫外防腐保溫層后集輸管道的溫降情況。

初設(shè)起始端氣流溫度為40℃～60℃，傳熱系數(shù)取值見表4，計(jì)算結(jié)果見表5。采取保溫輸送后，當(dāng)起始溫度為40℃時(shí)，其末端溫度為21.5℃，稍低于水合物形成溫度，而當(dāng)溫度提升為50℃后，其末端溫度為29.8℃，高于水合物形成的22℃，可見采取保溫輸送，溫度加熱至50℃左右后，便能有效預(yù)防水合物的形成。因此該區(qū)濕氣輸送方式下，采用加熱后保溫輸送工藝能有效防止水合物的形成。

表4 聚胺酯泡沫保溫集氣管道傳熱系數(shù)K值表

表5 元壩氣田集輸管網(wǎng)保溫條件下的溫降模擬計(jì)算結(jié)果表

3 結(jié)論

（1）基于水合物形成室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，元壩含硫氣田集輸管網(wǎng)水合物形成溫度隨管網(wǎng)運(yùn)行壓力下降而下降，為預(yù)防管網(wǎng)內(nèi)水合物形成而影響生產(chǎn)，管道內(nèi)天然氣溫度應(yīng)不低于26℃。而通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)元壩集輸管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行溫度將遠(yuǎn)低于水合物形成溫度，易發(fā)生水合物堵塞現(xiàn)象。

（2）通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算相結(jié)合的方式發(fā)現(xiàn)，僅采用水合物抑制劑加注法將無法實(shí)現(xiàn)有效的水合物防治，即便采用加熱輸送和抑制劑加注法相結(jié)合的方式也無法有效預(yù)防水合物的形成。

（3）基于管網(wǎng)運(yùn)行模擬計(jì)算，元壩含硫氣田濕氣輸送可采用加熱和保溫輸送相結(jié)合的方式，在單井站出站天然氣溫度加熱至50℃左右時(shí)便能有效預(yù)防集輸管網(wǎng)內(nèi)水合物的形成。

1 王麗，周克明，張地洪，等.高含硫氣藏水合物形成機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究[J].天然氣工業(yè)，2003，23（3）：97-100.

2 戚斌.含硫氣藏天然氣水合物生成預(yù)測與防治[J].天然氣工業(yè)，2009,29（6）：89-90.

3 姚慧智，魏鯤鵬，古小紅，等.高含硫化氫氣井水合物的預(yù)測及防治[J].斷塊油氣田，2011,18（1）：107-109.

4 邱曉林.含硫天然氣水合物形成條件及預(yù)防措施[J].石油與天然氣化工，2002,31（5）：240-242.

5 付建民，陳國明，龔金海，等.高含硫濕氣管道水合物形成影響因素[J].油氣儲運(yùn)，2010,29（8）：589-591.