摘" " " 要： 天然氣水合物的生成會(huì)對(duì)氣田井口生產(chǎn)天然氣帶來(lái)極大困難，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水合物生成位置及條件對(duì)氣井井口水合物防治至關(guān)重要?；赩isual Basic 6.0平臺(tái)設(shè)計(jì)出氣井井口天然氣水合物生成預(yù)測(cè)軟件，通過運(yùn)行分析得到天然氣氣井井口溫度、壓力及流量對(duì)天然氣水合物生成位置的影響。

關(guān)" 鍵" 詞：水合物生成預(yù)測(cè)；BWRS方程；節(jié)流壓降與溫降；傳熱計(jì)算

中圖分類號(hào)：TE37" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）02-0262-04

天然氣是天然蘊(yùn)藏于地層中的可燃性氣體，其組成以甲烷為主，同時(shí)含有少量的乙烷、丙烷和丁烷等低相對(duì)分子質(zhì)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(dāng)滿足一定的溫度和壓力條件時(shí)，若存在游離水時(shí)，將會(huì)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(huì)造成輸氣管道的流通面積減少，產(chǎn)生節(jié)流，造成管線壓差的增大，進(jìn)而形成更有利于水合物生成的環(huán)境。當(dāng)水合物繼續(xù)聚集生長(zhǎng)，將會(huì)造成管線、閥口及設(shè)備的堵塞，導(dǎo)致管件損壞，影響氣井井口天然氣的正常生產(chǎn)。特別是大水量產(chǎn)水氣井在冬季低溫環(huán)境下，油管、采氣樹及集氣管線更易受水合物的堵塞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起管道堵死、爆管等事故[2]。如何對(duì)天然氣開采和集輸過程中天然氣水合物的生產(chǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，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(chǎn)事故，將成為未來(lái)天然氣生產(chǎn)集輸過程中的一個(gè)重點(diǎn)問題。

1" 天然氣水合物生成預(yù)測(cè)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(duì)密度和壓力預(yù)測(cè)水合物形成溫度的三參數(shù)關(guān)聯(lián)式。其中對(duì)于非酸性和低含CO2天然氣，TOWER公式的平均相對(duì)誤差較小[3]。

其中的A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、β為狀態(tài)方程式的參數(shù)。對(duì)于純組分，參數(shù)可通過與臨界參數(shù)Tci、ρci及偏心因子ωi關(guān)聯(lián)求解[9]；對(duì)于混合物，BWRS方程采用二元交互作用系數(shù)Kij混合規(guī)則求解[10]；計(jì)算中天然氣各純組分臨界參數(shù)出自單一氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的主要特征值表[11]。基于BWRS狀態(tài)方程，可分別計(jì)算天然氣密度、氣體壓縮因子、定壓及定容比熱容、焓、熵、導(dǎo)熱系數(shù)及黏度等物性參數(shù)[12]。

1.3" 節(jié)流壓降及溫降計(jì)算

氣井井口通常安裝有針形閥、流量計(jì)等節(jié)流裝置，用來(lái)控制氣井產(chǎn)量和井口壓力及油氣計(jì)量。當(dāng)氣體通過這些節(jié)流裝置時(shí)，由于局部阻力較大，將產(chǎn)生壓力降低、比容增大、溫度降低的現(xiàn)象。裝置的節(jié)流壓降采用下式計(jì)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(duì)防止水合物生成有顯著效果。考慮針閥和流量計(jì)孔板節(jié)流影響時(shí)，預(yù)測(cè)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(jì)孔板節(jié)流導(dǎo)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(duì)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(xué)能增大，使得管線內(nèi)天然氣沿管長(zhǎng)方向的溫度下降趨勢(shì)變緩，使得天然氣在較長(zhǎng)管線內(nèi)處于水合物生成溫度以上，抑制了水合物的生成?？紤]針閥和流量計(jì)孔板節(jié)流影響時(shí)，預(yù)測(cè)的天然氣水合物生成位置向下游推移，這一現(xiàn)象在天然氣流量較大時(shí)更加明顯。其原因在于針閥和流量計(jì)孔板的節(jié)流效應(yīng)導(dǎo)致的壓力降低在流速較大時(shí)更加顯著，此時(shí)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?？紤]針閥和流量計(jì)孔板節(jié)流影響時(shí)，預(yù)測(cè)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(jì)孔板節(jié)流導(dǎo)致下游壓力下降，不利于天然氣水合物生成。壓力較小時(shí)，天然氣密度較小，此時(shí)其流速較大，節(jié)流效應(yīng)更明顯，因此水合物生成位置后移更顯著。

3" 結(jié) 論

軟件以BWRS方程為基礎(chǔ)，計(jì)算出天然氣密度、比熱容、焓、熵、黏度和導(dǎo)熱系數(shù)等關(guān)鍵物性參數(shù)；同時(shí)利用水合物預(yù)測(cè)回歸公式，結(jié)合壓降及溫降計(jì)算模型和傳熱計(jì)算模型，建立水合物生成位置與溫度、壓力和流量等參數(shù)之間的關(guān)系，生成相應(yīng)的計(jì)算軟件。通過采取參數(shù)計(jì)算可以看出，軟件具有使用簡(jiǎn)單、運(yùn)算精度高等特點(diǎn)，可對(duì)氣井井口水合物生成位置進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

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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