摘要：在川東北含硫氣藏的勘探開發(fā)過程中，天然氣水合物冰堵一直是影響開發(fā)進(jìn)程的一個問題。其預(yù)測與防治是急需解決的難題，而目前在國內(nèi)關(guān)于這方面的研究卻很少，僅有的方法也只是針對一般氣井，而對于含硫氣井的預(yù)測結(jié)果偏差就很大。通過現(xiàn)場實踐研究，采用分子熱力學(xué)模型法進(jìn)行計算，分析得到了壓力、組分等對天然氣水合物溫度的影響，尤其是硫化氫的存在對天然氣水合物形成的影響，為含硫氣藏天然氣水合物的防治捷供了依據(jù)，并在天然氣水合物形成溫度預(yù)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合河壩1井的實際情況進(jìn)行了水套爐型號的優(yōu)選。實踐證明：利用該方法預(yù)測的天然氣水合物生成溫度和預(yù)防方法是準(zhǔn)確、可靠的。

關(guān)鍵詞：四川盆地硫化氫；氣井；測試；天然氣水合物；水套爐；計算

預(yù)測天然氣水合物生成溫度、壓力條件的常見方法有：查圖法、氣-固相平衡計算法和分子熱力學(xué)模型法等。圖解法簡單、方便，但不便于使用計算機(jī)計算，且誤差較大；氣-固相平衡法計算簡單、速度快，但是其可靠性與通用性差；筆者采用分子熱力學(xué)模型法預(yù)測天然氣水合物生成條件。已知天然氣的組分、壓力，便可采用迭代法求得天然氣水合物的形成溫度。

 

式中：△C_pw⁰、△h_w⁰為T₀時β相與純水相的焓差、熱容差；△μ_w⁰為標(biāo)況時完全空的天然氣水合物結(jié)晶晶格(β相)與水的化學(xué)位偏差；b為表示熱容的溫度系數(shù)；μ^β為完全空的天然氣水合物晶格中水的化學(xué)位；△V_w為β相和w相(富水相)間的摩爾焓差和體積差；v_i為i型空腔的百分?jǐn)?shù)；C_ij為組分對型空腔的Langmiur常數(shù)；f_j為混合氣體中組分的逸度，Pa；x_w為富水相中水的摩爾分?jǐn)?shù)。

    根據(jù)計算結(jié)合可得到如下結(jié)論：①隨著壓力的增加，生成天然氣水合物的溫度增加，但增加幅度不斷減小，對于純甲烷氣體形成水合物的溫度與壓力的關(guān)系見表1；②生成天然氣水合物的溫度與天然氣的組分密切相關(guān)，表2是常用參考書^[1]中給出的氣體水合物的臨界形成溫度，其指導(dǎo)意義確是給出了各種組分生成天然氣水合物趨勢(即各種組分形成天然氣水合物的難易程度)，由表2可知，H₂S最易形成天然氣水合物，而nC₄H₁₀則不易形成天然氣水合物；③通過計算可得到H₂S的存在會加劇天然氣水合物的生成，但隨含量的增加其影響的幅度是減小的(表3)。

壓力(MPa)	10	20	30	40	50	60	70
臨界形成溫度(K)	287.43	290.54	292.38	293.7	294.7	295.56	296.27

名稱	CH4	C2H6	C3H8	iC4H10	nC4H10	CO2	H2S
臨界形成溫度(℃)	21.5	14.5	5.5	2.5	1	10.0	29.0

天然氣中H2S含量	0	0.02	0.04	0.06	0.08	0.1	0.15	0.2
天然氣水合物形成溫度(K)	296	299.2	301	302	303	303.8	305.3	306.4

注：該數(shù)據(jù)的模擬環(huán)境為：環(huán)境壓力20MPa，并假設(shè)天然氣中只含有甲烷和H₂S。

    現(xiàn)在廣泛使用的有機(jī)天然氣水合物抑制劑有甲醇與甘醇類化合物；無機(jī)鹽防凍劑使用較多的是氯化鈣水溶液。

    提高節(jié)流閥前天然氣的溫度，或者是敷設(shè)平行于集氣管線的熱水伴隨管線，使氣體溫度保持在天然氣的水露點以上也可防止天然氣水合物的形成。礦場加熱天然氣常用的設(shè)備有飽和蒸汽逆流式套管換熱器或水套爐，前者用于單井和集氣站，后者用于單井。

    根據(jù)對加熱和注醇法預(yù)防天然氣水合物的比較，考慮便于操作、節(jié)約成本等因素，目前井場通常選用加熱法防止天然氣水合物生成，而從安全角度出發(fā)，普遍選用的加熱裝置是蒸汽鍋爐(水套爐)保溫防止冰堵。

水套爐是目前應(yīng)用最為廣泛的加熱裝置，實踐證明該裝置是最簡單、有效、安全的氣體加熱裝置。以下結(jié)合HB1井的實際情況進(jìn)行優(yōu)化選型計算。該井的天然氣相對密度為0.5715，假定氣產(chǎn)量30×10⁴m³/d(實踐和計算證明這個產(chǎn)量下需要的水套爐功率最大，故選擇該產(chǎn)量進(jìn)行計算)。最大關(guān)井壓力94.5MPa，井口流溫54℃，采用三級節(jié)流流程。

    根據(jù)井口壓力和井口流溫，由節(jié)流壓降與溫度降的關(guān)系確定出每個節(jié)流制度之后的溫度，并對每個節(jié)流后的溫度T₁與形成天然氣水合物的溫度T₂進(jìn)行對比，若T₁＜T₂則表示節(jié)流后會形成天然氣水合物，需要在節(jié)流前安裝水套爐，提高天然氣的溫度為△T=T₂-T₁，根據(jù)已知數(shù)據(jù)不難確定出△T=20℃。

定壓比熱公式為：

 

式中：C_n為天然氣在常壓下的定壓比熱，kJ/(kg·℃)；γ_g為天然氣相對密度；t為天然氣的溫度，℃。

    根據(jù)河壩1井的基本資料計算出水套爐進(jìn)口溫度為35℃(由節(jié)流溫度降獲得)，利用式(2)計算得定壓比熱C_n為2.3kJ/(kg·℃)。然而，根據(jù)河壩1井的實際工況，利用真實氣體的比熱校正法計算工況條件下的定壓比熱為2.93kJ/(kg·℃)。

    利用式(2)計算在產(chǎn)量30×10⁴m³/d情況下并考慮到可能含有H₂S以及壓力激動會促進(jìn)天然氣水合物的生成，需要的水套爐的功率應(yīng)在200kW以上^[2～3]，為保證一定的加熱裕量以及現(xiàn)在常見的水套爐的功率規(guī)格，宜選擇400～600kW的水套爐。

    加熱天然氣所需熱量(W)的計算公式為：

    W=Q_gC_pγ_s(T₂-T₁)/8.64    (3)

式中：T₁、T₂為天然氣加熱前、后的溫度，℃；Q_g為管線輸氣量，10⁴m³/d；C_p為天然氣定壓比熱，kJ/(kg·℃)；γ_s為天然氣基準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/m³。

    1) 分子熱力學(xué)模型法適合計算機(jī)編程計算，是一種計算簡單、速度快且相對準(zhǔn)確的方法，采用該種方法進(jìn)行天然氣水合物生成溫度分析適用性較強(qiáng)。

    2) 經(jīng)過計算證明H₂S的存在會促進(jìn)天然氣水合物的形成，因此無論是水套爐的選擇還是采用其他工藝防冰堵時要充分考慮H₂S的危害。

    3) 利用筆者中所提到的水套爐計算方法，能夠安全有效的選擇水套爐功率型號。

[1] 林存瑛.天然氣礦場集輸[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997.

[2] 華自強(qiáng).工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1985.

[3] 陳科，劉建儀，張烈輝，等.水合物氣藏降壓開采數(shù)學(xué)模型[J].天然氣工業(yè)，2006，26(1)：93-94.

 

(本文作者：戚斌 中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院)