孟凡臣，王仙之，于長(zhǎng)錄，耿厚忠

1.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司油氣合作開發(fā)分公司，天津 300280 2.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西晉城 048000

0 引言

天然氣水合物是在一定溫度、壓力條件下，天然氣中某些氣體組分與水形成的一種極其復(fù)雜但又不穩(wěn)定的白色結(jié)晶固體，密度在0.88～0.9 g/cm3之間。

大量研究表明：水合物是由氫鍵連接水分子形成的籠形結(jié)構(gòu)，氣體分子在范德華力作用下，被包圍在晶格中。目前自然界中共發(fā)現(xiàn)了3種水合物晶格結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)Ⅰ型、Ⅱ型和H型。在Ⅰ型結(jié)構(gòu)的晶格孔穴中只能填充CH4、C2H6小分子烴類及H2S等非烴分子；Ⅱ型結(jié)構(gòu)中還可以容納C3H8、C4H8等較大的烴類氣體分子；而H型結(jié)構(gòu)除了能容納上述各種分子外，還能容納一般的原油分子i-C5。

水合物的形成依賴于高壓、低溫，尤其對(duì)于天然氣站場(chǎng)集輸管道來說，氣體往往處于水汽飽和或過飽和狀態(tài)，極易形成水合物，造成管道凍堵。因此，筆者根據(jù)水合物形成的水力、熱力學(xué)條件，開發(fā)出水合物生成預(yù)測(cè)軟件，為預(yù)防集輸管道凍堵和制訂科學(xué)生產(chǎn)管理方案提供依據(jù)。

1 集輸管道凍堵原因分析

天然氣最初進(jìn)入集輸管道時(shí)，由于輸氣管道內(nèi)的溫度高于水汽露點(diǎn)溫度，天然氣未飽和，沒有自由水析出，不滿足水合物的生成條件；隨著氣體在井筒內(nèi)的不斷上移，集輸管道內(nèi)的氣體壓力和溫度也不斷降低，當(dāng)天然氣溫度降至水汽露點(diǎn)溫度時(shí)，氣體處于飽和狀態(tài)，自由水開始析出，若此時(shí)壓力滿足要求，即可形成水合物。水合物一旦形成，就會(huì)減少管道的流通面積，產(chǎn)生節(jié)流，加速水合物的進(jìn)一步生成，最終導(dǎo)致管道的堵塞。

2 集輸管道凍堵預(yù)測(cè)模型的建立

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)和數(shù)值分析等基本原理，建立了集輸管道天然氣水合物堵塞預(yù)測(cè)模型，模型主要包括：集輸管道溫降、壓降計(jì)算及水合物生成溫度計(jì)算，而后采用計(jì)算機(jī)語言編制軟件，并進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1 集輸管道任意點(diǎn)溫度、壓力計(jì)算

2.1.1 集輸管道任意一點(diǎn)溫度

式中T——計(jì)算段距離起點(diǎn)x處的溫度/K；

T0——輸氣管道埋深處土壤的環(huán)境溫度/K；

TQ——計(jì)算段起點(diǎn)天然氣的溫度/K；

a——計(jì)算常數(shù)（無量綱）；

x——計(jì)算段任意一點(diǎn)距離起點(diǎn)的距離/m；

Di——焦耳-湯姆遜系數(shù)/（℃/Pa）；

PQ——管道的起點(diǎn)壓力/Pa；

Pz——管道的末點(diǎn)壓力/Pa；

L——管道總長(zhǎng)度/m；

K——管道總傳熱系數(shù)/（W/（m2·K））；

D——管道的內(nèi)徑/m；

M——?dú)怏w質(zhì)量流量/（kg/s）；

CP——天然氣定壓比熱容，一般0.58～0.7 J/（kg·K）。

2.1.2 集輸管道上任意一點(diǎn)壓力的計(jì)算

式中Px——距離管道起點(diǎn)x處的壓力/Pa。

2.2 水合物生成溫度的計(jì)算

天然氣水合物相平衡理論模型研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，絕大多數(shù)預(yù)測(cè)水合物相平衡條件的理論模型都是基于范德瓦爾-普朗特統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)模型發(fā)展起來的。在多元混合體系中，每一組分在各相中的化學(xué)勢(shì)能相等，范德瓦爾-普朗特根據(jù)水合物結(jié)晶特點(diǎn)，應(yīng)用經(jīng)典熱力學(xué)處理方法，結(jié)合蘭格繆爾（Langm uir）氣體吸附理論、相平衡準(zhǔn)則等，以水作為考察組分，建立起含氣田水合物相和富水相的熱力學(xué)模型。

目前蘇里格氣田大部分天然氣管道之所以發(fā)生凍堵，都是由于生成了I、II型水合物。水合物分類計(jì)算非常復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用Newton Raphson方法計(jì)算水合物的生成溫度。對(duì)于任一給定組成成分的天然氣，其在某一壓力下的水合物生成溫度計(jì)算公式可通過引入統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)模型加以推導(dǎo)。

分子熱力學(xué)模型：

式中z——α富水相（冰相）和β相（完全空的水合物晶格）中水的飽和蒸汽壓比；

r——水在β相和H相（完全填充氣體分子的水合物相）中的化學(xué)位之差；

θ1、θ2——水合物小孔穴、大孔穴的填滿程度（無量綱量）。

式中T——水合物的溫度/K。

式（3）、（4）中的ln z為溫度的函數(shù)，是針對(duì)不含H2S的天然氣。

式中 θij——j組分在i型孔穴中的填滿程度（無量綱）；

Cij——i型孔穴，j組分的Langm uir常數(shù)；

Pj——j組分的壓力/×0.1MPa；

Aij、Bij——i型孔穴，j組分的Langm uir常數(shù)，見表1；

i——水合物的小孔穴1或大孔穴2；

T——水合物的溫度/K。

（1）當(dāng)管道起點(diǎn)壓力P＜6.865MPa時(shí)，經(jīng)過修正以后的計(jì)算公式：

表1 Langm uir常數(shù)Aij、Bij

（2）當(dāng)管道起點(diǎn)壓力P＞6.865MPa時(shí)：

式中yj——天然氣中j組分的摩爾分?jǐn)?shù)。

水合物生成溫度初始值/K：

式中P——管道的起點(diǎn)壓力。

迭代格式：

2.3 預(yù)測(cè)軟件程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)

通過計(jì)算水合物的形成溫度TH以及在距離管道起點(diǎn)x處的溫度Tx，當(dāng)Tx

2.4 軟件的應(yīng)用實(shí)例

蘇76-5-1井日外輸氣量7 000 m3/d，管道規(guī)格為D 60 mm×3.5 mm，長(zhǎng)度7 km，單井外輸壓力為1.67MPa，進(jìn)站壓力1.01 MPa，進(jìn)站溫度9℃，土壤環(huán)境溫度0.8℃，利用預(yù)測(cè)軟件分別計(jì)算外輸溫度為-1℃、6℃情況下集輸管道內(nèi)水合物的生成情況。

圖1 集輸管道凍堵預(yù)測(cè)軟件框圖

圖2 集輸管道凍堵預(yù)測(cè)軟件界面示意

表2 272 K時(shí)的計(jì)算結(jié)果

溫度在272 K（-1℃）時(shí)，由于數(shù)據(jù)太長(zhǎng)，只列舉2 km長(zhǎng)度管道的水合物生成情況，計(jì)算情況見表2。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，起點(diǎn)溫度在-1℃的情況下，管道各個(gè)點(diǎn)的溫度都小于水合物的生成溫度，因此管道此時(shí)是處于凍堵的狀態(tài)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合。

溫度在279 K（6℃）時(shí)，由于數(shù)據(jù)太長(zhǎng)，只列舉2.2 km的水合物生成情況，計(jì)算情況見表3。

表3 279 K時(shí)計(jì)算結(jié)果

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，水合物在管道的2 100m處生成，此時(shí)該處管道的溫度為4.216℃，水合物生成溫度為4.23℃，該處管道的溫度T2100＜TH2100水合物的生成溫度。因此從2 100 m處開始有水合物生成，此處管道凍堵，與現(xiàn)場(chǎng)解堵員工了解的實(shí)際情況基本相符。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

蘇76區(qū)塊目前有投產(chǎn)氣井98口，在冬季大約有20～30條的管道發(fā)生凍堵，管道解堵的時(shí)間1～24 h不等，個(gè)別超過24 h。管道凍堵不但影響氣井的正常生產(chǎn)，而且解堵也需要加注相當(dāng)大量的甲醇，因此給公司造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。凍堵預(yù)測(cè)軟件的應(yīng)用，在很大程度上降低了管道凍堵的幾率進(jìn)而減少了解堵的注醇量。

（1）如果以每口氣井平均日產(chǎn)氣1萬～1.5萬m3，天然氣價(jià)格0.85元/m3，平均每天凍堵30條管道，管道解堵的平均時(shí)間12 h，每個(gè)月平均凍堵時(shí)間15 d，高發(fā)期3個(gè)月共凍堵45 d為例進(jìn)行計(jì)算，則由于凍堵造成的氣量損失費(fèi)大概可以減少30×(15 000/24)×12×0.85×45=8606250元（干管放空損失的氣量未計(jì)入）?？梢娞崆斑M(jìn)行預(yù)防并采取相應(yīng)的解堵措施，可以避免相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。

（2）通常是在管道發(fā)生凍堵之后加注甲醇進(jìn)行解堵，十分被動(dòng)，甲醇的注入量也難以控制。如果根據(jù)凍堵預(yù)測(cè)軟件分析結(jié)果，在管道凍堵前加入甲醇，那么甲醇的注入量可以根據(jù)實(shí)際情況控制在較低水平。

采用管道凍堵預(yù)測(cè)軟件進(jìn)行分析后，可能發(fā)生凍堵的管道提前注入甲醇量平均約0.1～0.2 t/d，而凍堵后被動(dòng)解堵的管道平均注入甲醇量0.4 t/d（情況嚴(yán)重時(shí)甚至更多），采用軟件分析計(jì)算后每條管道解堵甲醇的注入量可減少0.3 t/d，如果以甲醇價(jià)格3 000元/t，每個(gè)月解堵的平均時(shí)間15 d，高發(fā)期3個(gè)月共45 d，30條管道發(fā)生凍堵為例進(jìn)行計(jì)算，則解堵甲醇的注入量可減少0.3×30×3 000×45=1 215 000元。

（3）應(yīng)用管道凍堵預(yù)測(cè)軟件進(jìn)行預(yù)防解堵，粗略計(jì)算預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)以上兩項(xiàng)節(jié)支1 215 000+8 606 250=9 821 250元。

3 結(jié)束語

集輸管道凍堵預(yù)測(cè)軟件的壓力適用范圍為1.013～20.265MPa，在已知天然氣組成成分的情況下，應(yīng)用此軟件可以計(jì)算管道中任意點(diǎn)壓力及溫度，同時(shí)可以計(jì)算單點(diǎn)水合物的生成溫度及管道沿程水合物的生成情況，這對(duì)管道冬季的解堵工作有極大的幫助，為采氣員工的實(shí)際工作提供指導(dǎo)，從而為公司節(jié)約了大量資金。

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