＊張裕卓 李凌峰* 呂晨爽 張沛雪 韓迪

（1.長江大學石油工程學院 湖北 430100 2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室 湖北 430100 3.中國石化石油機械股份有限公司 湖北 430000）

引言

據(jù)統(tǒng)計，世界天然氣資源約60%含硫，10%為高含硫，我國高含硫天然氣資源豐富[1]，但高含H2S天然氣給氣井測試和現(xiàn)場HSE管理帶來巨大的挑戰(zhàn)。在高壓、高含H2S氣井測試過程中，試氣地面流程中經(jīng)常發(fā)生冰堵，影響測試施工的順利進行，重則可能引起嚴重事故[2-3]，預防天然氣水合物堵塞地面流程是高壓、高含H2S氣井試氣測試中的一項重要工作。本文對四川盆地川東北Y氣田Y27氣井進行探索性研究，對該氣井地面試氣過程水合物的生成情況及其影響因素進行分析，根據(jù)水合物的生成情況設(shè)計不同的地面試氣流程進行水合物防治，采用不同方法防治地面試氣流程水合物并設(shè)計該氣井相應(yīng)的試氣地面流程。

1.地面管線水合物形成影響因素分析

天然氣地面試氣及生產(chǎn)系統(tǒng)除了在低溫環(huán)境或節(jié)流的情況下容易生成水合物外，氣井的產(chǎn)氣量、井口壓力和溫度以及天然氣的組成成分均會對地面流程中水合物的產(chǎn)生有所影響，本文將對不同因素影響地面管線水合物形成的情況進行分析。

(1)井口壓力對地面水合物形成的影響

利用PIPESIM軟件對Y27氣井試氣流量為10×104m3/d時、冬季2℃溫度下，內(nèi)徑為76mm、壁厚為4.5mm的管線進行建模模擬，管道的起始壓力為井口壓力46.74MPa，起始溫度為30.59℃。改變井口壓力來觀察水合物的生成情況，運行后模擬的數(shù)據(jù)整理結(jié)果見表1。根據(jù)模擬結(jié)果，隨著輸送壓力的增加，管道中水合物形成的位置向前移動，但變化不明顯。

表1 不同井口壓力時天然氣水合物的形成位置

(2)井口溫度對地面水合物形成的影響

當其他條件不變時，改變管線起點溫度即井口溫度，運行模擬后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到表2，由表2可以看出，隨著井口溫度提高，生產(chǎn)曲線幾乎平行向右移動，直至生產(chǎn)曲線與天然氣水合物生成曲線不產(chǎn)生交點，其原因是地面管線中天然氣的沿程溫度分布隨起點溫度的增加而提高，而高溫降低了水合物在管線中形成的可能性。所以，適當?shù)卦黾庸芫€的輸送溫度能明顯防止水合物生成。

表2 不同井口溫度時天然氣水合物的形成位置

(3)天然氣組分對地面水合物形成的影響

僅改變組分中H2S和CH4的含量，判斷H2S含量變化對水合物生成的影響。PIPESIM中改變天然氣組分設(shè)置界面如圖1。通過軟件模擬計算可知，隨著H2S含量的增大，水合物的生成溫度越高，管線中越容易生成水合物。同樣地，在研究CO2含量產(chǎn)生的影響時，天然氣中其他組分不變，僅改變CH4和CO2的含量，隨著CO2含量的增加，天然氣水合物的生成曲線將向上移動，即向著高壓方向移動，但移動程度很小，對水合物的形成條件幾乎沒有影響，故影響該氣井地面管線中水合物產(chǎn)生的主要因素為H2S含量。

圖1 PIPESIM中改變天然氣組分設(shè)置界面

2.試氣地面流程水合物防治

氣井地面試氣流程可以利用節(jié)點分析方法來對地面節(jié)流后的壓降和溫降進行計算，并根據(jù)計算結(jié)果判斷水合物生成情況，確定地面流程的節(jié)流級數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果并參考相關(guān)技術(shù)要求，Y27氣井的試氣地面流程擬選用三級節(jié)流。在試氣地面流程節(jié)流前通常采取注醇或加熱的方法來抑制天然氣水合物生成。本文將分別對注入水合物抑制劑法、加熱法及兩者結(jié)合的方法分別進行模擬分析[4-5]，并對天然氣水合物抑制劑用量進行優(yōu)化。

(1)加熱法防治水合物

由于氣流從井口流出時直接經(jīng)一級節(jié)流氣嘴進行節(jié)流降壓且氣嘴后溫度較高，一級節(jié)流嘴后水合物生成風險較低，故采用二級節(jié)流氣嘴后加熱。通過HYSYS建立模型[6]，如圖2所示。

圖2 加熱-節(jié)流地面流程

保證進集氣管線前的壓力為6.5MPa，則集氣管線前的溫度應(yīng)高于對應(yīng)壓力下的水合物生成溫度，整理后的加熱-節(jié)流地面流程主要參數(shù)見表3。

表3 加熱-節(jié)流地面流程主要參數(shù)

(2)注抑制劑法防治水合物

用HYSYS軟件建立注醇節(jié)流地面流程，氣流在井口進行一級節(jié)流后加注甲醇抑制劑，加注溫度為平均環(huán)境溫度16.1℃，加注壓力與一級節(jié)流后氣流壓力相同，模型如圖3所示。通過調(diào)節(jié)器模塊使進集氣管線前的水合物生成溫度低于三級節(jié)流后的天然氣溫度，將甲醇的質(zhì)量流量設(shè)為可變參數(shù)進行求解，當工作制度為20×104m3/d時，得到甲醇注入量為11.72kg/h；工作制度為30×104m3/d時，甲醇注入量為9.194kg/h。

圖3 注醇-節(jié)流地面流程

(3)注抑制劑與加熱法聯(lián)合防治水合物

對于Y27氣井地面試氣流程，若試氣環(huán)境處于冬季低溫環(huán)境或初開井狀態(tài)，流程中更易生成水合物，故推薦采用注抑制劑法與加熱法聯(lián)合防治水合物更能適應(yīng)環(huán)境要求且使得流程更加可控，注醇加熱聯(lián)合法節(jié)流地面流程如圖4所示。

圖4 注醇加熱聯(lián)合法節(jié)流地面流程

以工作制度為20×104m3/d為例進行模擬計算。保證進集氣管線前的壓力為6.5MPa，加熱裝置可以調(diào)節(jié)進集氣管線前氣流的溫度，模擬得到的三級節(jié)流后天然氣水合物的形成溫度為13.38℃，甲醇抑制劑的質(zhì)量流量為11.1kg/h。

(4)天然氣水合物抑制劑用量優(yōu)化

將抑制劑改為甲醇-乙二醇混合溶液，在醇類混合抑制劑組成中改變甲醇和乙二醇的比例，模擬計算得到混合溶液的質(zhì)量流量見表4，模擬后的主要參數(shù)見圖5。

圖5 注復合醇類抑制劑加熱聯(lián)合法節(jié)流地面流程

表4 不同配比混合抑制劑用量表

結(jié)合表4數(shù)據(jù)并考慮當?shù)丶状己鸵叶純r格，由于甲醇價格較低約為2000元/噸，而乙二醇價格較高為6500元/噸，若單純從抑制劑成本考慮，單獨使用甲醇抑制劑經(jīng)濟性是最好的；若考慮甲醇的廢液處理和乙二醇的高回收率，則甲醇和乙二醇配比為6:4時為最佳配比，總量為11.70kg/h。在實際生產(chǎn)時，除了使用最佳的抑制劑配比，還應(yīng)該綜合考慮作業(yè)的危險性，以及設(shè)備使用維護等各個因素。

3.結(jié)論

（1）對Y27氣井試氣地面流程中井口壓力、井口溫度、天然氣組分中H2S含量等因素對水合物形成的影響進行研究，結(jié)果表明，提高井口溫度可有效防止水合物生成，Y27氣井組分中影響水合物產(chǎn)生主要因素為H2S含量。

（2）分別對加熱法、注入醇類抑制劑法以及注抑制劑與加熱聯(lián)合法這三種防治水合物方法進行模擬分析，結(jié)果表明，Y27井推薦采用注抑制劑法與加熱法聯(lián)合防治水合物更能適應(yīng)環(huán)境要求且使得流程更加可控。

（3）對Y27氣井試氣工作制度為20×104m3/d時注復合醇類抑制劑加熱聯(lián)合法地面流程主要參數(shù)進行模擬優(yōu)化，兼顧經(jīng)濟性和環(huán)保性，采用復合抑制劑，并調(diào)整優(yōu)化甲醇與乙二醇比例，得到甲醇和乙二醇的最佳配比為6:4，總量為11.70kg/h。