隋迎章 高偉 馬婕

摘 要：勝利油田氣層氣經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)，已形成了一定的規(guī)模。天然氣作為一種安全、穩(wěn)定、清潔、高效的新型能源，在油田的內(nèi)外用氣中起到了重要的補(bǔ)充和調(diào)節(jié)作用。天然氣水合物的形成是影響天然氣生產(chǎn)與管理的重要問(wèn)題。水合物對(duì)天然氣的開(kāi)采、技術(shù)和加工都有著不同程度的影響。本文概述了天然氣水合物的生成條件，分析了天然氣水合物的形成對(duì)站內(nèi)安全生產(chǎn)運(yùn)行的危害，介紹了水合物防治和處理的方法，從而降低其對(duì)油氣田生產(chǎn)和天然氣輸送的危害程度。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；危害；生成條件；防治措施

1. 天然氣水合物的形成條件

形成水合物的首要條件是天然氣中含水處于飽和或過(guò)飽和狀態(tài)并存在游離水，其次是要有足夠高的壓力和低于水合物形成的溫度。當(dāng)氣流溫度低于水合物形成的溫度時(shí)，在高壓下，天然氣水合物可以在高于0℃的條件下生成。

當(dāng)天然氣中存在液態(tài)水分時(shí)，管道中所形成的液滴在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)在閥門、彎頭、三通等地方同管壁碰撞成為粉末，這些液態(tài)粉末同氣體混在一起并一同流動(dòng)，黏附在管道表面上成為液態(tài)黏膜，在高壓地溫條件下，就在管壁形成一層水合物。在天然氣不斷輸送的過(guò)程中，水合物便一層層地加厚，堆積在管壁內(nèi)使得管道的內(nèi)徑變小，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)压艿蓝滤馈?/p>

天然氣流速和方向改變也是影響水合物生成的重要因素。在彎頭、閥門、孔板和其他局部阻力大的地方，由于壓力的變化和流向的突變，特別是節(jié)流閥、分離器入口、閥門不嚴(yán)密處及壓縮機(jī)出入口處等節(jié)流的地方，由于氣體溫度的急劇降低，會(huì)加快水合物的形成。

根據(jù)天然氣水合物的生成條件，當(dāng)管道運(yùn)行在天然氣水合物平衡曲線以下時(shí)，就不會(huì)形成天然氣水合物。

圖1曲線為不同相對(duì)密度的天然氣形成水合物的壓力-溫度平衡線。由圖1可知，隨著溫度的升高，水合物形成壓力變化較大。當(dāng)確定了天然氣的相對(duì)密度，可以根據(jù)上圖，估算一定溫度下天然氣形成水合物的最低壓力，或一定壓力條件下天然氣形成水合物的最高溫度，從而達(dá)到預(yù)測(cè)天然氣水合物生成的目的。

在一定溫度條件下，不同密度的烴類混合物所產(chǎn)生天然氣水合物的形成壓力不同。含有5%乙烷和2%丙烷的天然氣形成水合物的平衡壓力可以比甲烷降低約1.15 MPa[4]。由于天然氣通常是烴類分子的混合物. 因此其形成水合物相對(duì)比甲烷容易得多。

2. 天然氣水合物的危害

在天然氣管道輸送過(guò)程中，天然氣水合物是威脅輸氣管道安全運(yùn)行的一個(gè)重要因素。油氣流體通常含有大量的烴類物質(zhì)和小分子氣體成分，在含水等一定壓力條件下和容易形成水合物。

能否生成水合物與天然氣組成（包括含水量）、壓力、溫度等條件有關(guān)。在天然氣運(yùn)輸和加工過(guò)程中，尤其是產(chǎn)出氣中含有飽和水蒸汽時(shí)，天然氣通過(guò)阻力件（如節(jié)流閥、調(diào)壓器、排污閥等）后會(huì)造成壓力升高，溫度下降。氣體溫度的降低會(huì)使管路、閥門、過(guò)濾器及儀表出現(xiàn)結(jié)霜或結(jié)冰現(xiàn)象，從而降低管道的輸送效率，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)氯艿?，以?dǎo)致管道上游壓力升高，引起不安全事故的發(fā)生，造成設(shè)備及人員的傷害，從而影響正常供氣。

天然氣水合物一旦形成以后，它與金屬結(jié)合牢固，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)一步形成，進(jìn)而造成管道、閥門和一些設(shè)備的堵塞，嚴(yán)重影響管道的安全運(yùn)行。而消除水合物則需要大量的時(shí)間、能源、物資以及工程的調(diào)整，從而導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，防止水合物生成的費(fèi)用約占生產(chǎn)總成本的5%-8%。因此，研究和討論天然氣在管內(nèi)輸送過(guò)程中水合物的防治和處理，對(duì)保障天然氣管道的安全運(yùn)行具有十分重要的實(shí)際意義。

3.天然氣水合物的防治方法

3.1 天然氣水合物的預(yù)防

控制管道內(nèi)天然氣水合物的生成，是天然氣水合物防治最根本、最安全的策略。

根據(jù)天然氣水合物生成條件，對(duì)管道中的流體而言，由于流體成分相對(duì)穩(wěn)定，并以一定的速度運(yùn)行，因此抑制水合物的生成主要考慮溫度、壓力和含水三方面的影響。

為了抑制天然氣水合物的生成，一般有三種途徑：

（1）把輸送壓力降低到所處溫度下形成水合物的生成壓力以下；

（2）脫除天然氣中的水分；

（3）向氣流中加入抑制劑。

3.1.1 加熱法

由于節(jié)流前后溫度下降較多，提高節(jié)流前的天然氣溫度，使天然氣在節(jié)流后的溫度高于生成水合物的溫度，從而防止由于節(jié)流溫度降低而生成水合物。

3.1.2 降壓法

維持原來(lái)的溫度狀態(tài)下使輸氣管道中的天然氣壓力降低至給定溫度時(shí)水合物的生成壓力以下。

3.1.3 添加抑制法

對(duì)于集氣管線內(nèi)水合物的生成，可以采取添加化學(xué)抑制劑法。在一定操作條件下向管道內(nèi)注入一定量的化學(xué)添加劑，改變水合物形成的熱力學(xué)條件、結(jié)晶速率或聚集形態(tài)，來(lái)達(dá)到保持流體流動(dòng)的目的。目前可采取的抑制劑類型主要有熱力學(xué)抑制劑、動(dòng)力學(xué)抑制劑、防聚劑三類。

水合物熱力學(xué)抑制劑是目前廣泛采用的一種防止水合物形成的化學(xué)劑。這種抑制劑是利用抑制劑分子或離子增加與水分子的競(jìng)爭(zhēng)力，改變水和烴分子間的熱力學(xué)平衡條件，從而使水合物的形成條件移向較低的溫度或較高的壓力范圍。常見(jiàn)的熱力學(xué)抑制劑有電解質(zhì)水溶液（NaCI、CaCl2等無(wú)機(jī)鹽的水溶液）及甲醇、甘醇類有機(jī)化合物。一般說(shuō)來(lái)，采用甲醇作抑制劑時(shí)投資費(fèi)用較低，但因其氣相損失較大，故操作費(fèi)用較高。采用乙二醇或二甘醇作抑制劑時(shí)投資費(fèi)用較高，但操作費(fèi)用低。

由于化學(xué)抑制劑在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多限制，存在環(huán)境保護(hù)和污水處理等額外費(fèi)用的增加，在使用時(shí)需考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3.1.4 干燥脫水法

天然氣脫水是防止集輸過(guò)程中形成水合物最有效的措施。天然氣進(jìn)入輸氣管道之前應(yīng)進(jìn)行充分脫水，使天然氣水露點(diǎn)低于管線周圍介質(zhì)最低溫度5-7℃，這是預(yù)防形成水合物冰堵的根本方法[5]。在天然氣生產(chǎn)過(guò)程中，脫水就是降低天然氣中的水汽含量，即降低天然氣的露點(diǎn)。

工業(yè)中廣泛使用的天然氣水合物抑制劑有甲醇和甘醇類化合物，如甲醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇。這類抑制劑可以有效地脫除天然氣內(nèi)的水分，達(dá)到抑制水合物生成的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，目前常采用的脫水方法是二甘醇溶劑脫水和固體吸附劑脫水。

結(jié)論

本文對(duì)天然氣水合物的形成及危害防治進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究和介紹，分析了天然氣水合物形成的條件以及防治天然氣水合物的措施，取得下列幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和體會(huì)。

（1）天然氣水合物的形成與天然氣組分和組成、壓力和溫度以及游離水的含量等因素有關(guān)。

（2）天然氣水合物嚴(yán)重影響天然氣的開(kāi)采、集輸和加工的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。水合物的抑制生成主要從溫度、壓力和含水三方面著手，其中脫除天然氣中的水分，是抑制水合物生成的最根本途徑。

參考文獻(xiàn)：

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[3]熊穎，王寧升，許深皓，丁咚，吳平. 天然氣水合物的結(jié)構(gòu)特征及防治措施[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008，06：48-52.