氣田集輸系統(tǒng)水合物防治工藝的對(duì)比分析

蘇文坤，成慶林，范明月

（東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318）

氣田集輸系統(tǒng)水合物防治工藝的對(duì)比分析

蘇文坤，成慶林，范明月

（東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318）

氣田集氣過(guò)程中水合物的生成會(huì)影響集輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行，常用的水合物防治方法有脫水、加熱、降壓以及注抑制劑。重點(diǎn)研究了應(yīng)用較為廣泛的加熱法和注抑制劑法，介紹了兩種工藝的具體特點(diǎn)、適應(yīng)條件及其在各氣田的應(yīng)用情況，提出了氣田具體水合物防治工藝選擇的建議，對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)水合物的防治工作有一定的借鑒意義。

氣田；水合物；加熱；抑制劑

氣田天然氣輸送過(guò)程中攜帶或產(chǎn)生的游離水，在適宜的溫度和壓力條件下，會(huì)與天然氣中的甲烷、乙烷等組分結(jié)合生成水合物，水合物在集輸干線(xiàn)或集輸站的彎頭、閥門(mén)、節(jié)流裝置等處形成后，使管段的流通面積減小，形成局部堵塞，影響正常的供氣，如不能及時(shí)處理，堵塞嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)安全事故。因此，積極預(yù)防水合物，選擇適宜的水合物防治方法對(duì)于確保天然氣的安全輸送具有重要意義。

水合物形成的內(nèi)因是天然氣中飽和水的存在，外因是一定的溫度和壓力條件（一般高壓低溫）。因此，防治水合物生成也應(yīng)從這兩方面考慮，提高天然氣的溫度，或減少天然氣中水汽的含量。

1 水合物防治工藝

目前氣田常用的水合物防治措施有脫水、加熱、降壓以及注防凍劑三種方法：

①脫水，脫除天然氣中的水汽，降低其露點(diǎn)，即對(duì)天然氣進(jìn)行干燥處理，防止水合物生成。

②加熱，對(duì)天然氣進(jìn)行加溫，使其溫度始終保持在水合物生成溫度以上，防止水合物的生成。

③降壓，在維持原來(lái)溫度狀態(tài)下，使輸氣管道中的天然氣壓力降低至水合物的生成壓力下，防止水合物生成。

④注抑制劑，通過(guò)將抑制劑噴注到氣流中吸收氣體中的水分，使其露點(diǎn)下降，從而降低水合物的生成溫度，防止水合物生成。

其中脫水是防止水合物生成的根本辦法，但其主要用于氣田的外輸處理流程。因此，在天然氣氣田集輸系統(tǒng)中通常采用節(jié)流降壓、加熱方法或注抑制劑方法防止水合物的形成，而節(jié)流降壓法會(huì)增加輸送過(guò)程的能耗，且通常用于滿(mǎn)足集輸系統(tǒng)的壓力級(jí)制要求，所以本文重點(diǎn)研究加熱法和注抑制劑法在不同氣田的適用性。

2 加熱防凍工藝

2.1 加熱防凍工藝特點(diǎn)及適用性

在氣田實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，常在節(jié)流降壓之前先通過(guò)加熱爐給氣體升溫，防止在節(jié)流過(guò)程以及后續(xù)的輸送過(guò)程中生成水合物。加熱法一般多用于產(chǎn)量小于10×104m3/d且壓力小于30 MPa的高壓氣井的井場(chǎng)或集氣站，同時(shí)也適用于含蠟或含水較多的氣井，加熱法工藝較成熟，操作方便，管理簡(jiǎn)單且防凍效果好，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)低，但建返輸燃料管線(xiàn)需要投資[1]。氣田常用的加熱防凍井場(chǎng)裝置原理流程圖如圖1：

圖1 加熱防凍的典型井場(chǎng)裝置原理流程圖Fig.1 Well site facilities flow chart of heating process to prevent hydrate

2.2 氣田礦場(chǎng)常用加熱設(shè)備

氣田礦場(chǎng)常用的加熱設(shè)備多為水套加熱爐，其特點(diǎn)是操作方便且易于管理。加熱爐加熱法通常有多井加熱和單井加熱兩種方式，對(duì)于氣井初期壓力較高、井網(wǎng)密度大的氣田，常采用多井式水套加熱爐加熱方式，一臺(tái)加熱爐可同時(shí)對(duì)8口氣井進(jìn)行加熱，一般1個(gè)集氣站2～3臺(tái)加熱爐即可滿(mǎn)足需求，此方法不僅減少了加熱爐的數(shù)量，提高了設(shè)備利用率，而且降低了工程投資。

3 注抑制劑防凍工藝

3.1 注抑制劑防凍工藝特點(diǎn)及適用性

目前廣泛采用的水合物抑制劑為熱力學(xué)抑制劑，氣田常用的抑制劑有甲醇和乙二醇兩種：

甲醇一般適用于氣體流量小、高壓、出水量大、礦化度高的氣田，或用于建廠(chǎng)初期或季節(jié)性防凍管道較長(zhǎng)情況，其特點(diǎn)是可用于任何溫度下的天然氣管道和設(shè)備，且腐蝕性低，價(jià)格便宜，質(zhì)量濃度相同的抑制劑，甲醇使用效果優(yōu)于乙二醇。但甲醇有中等毒性，易揮發(fā)，使用有一定的危險(xiǎn)性，且注入量較大時(shí)需在凈化廠(chǎng)內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的醇回收裝置和返輸管線(xiàn)，而注入量小不回收，廢液的處理將是一個(gè)難題。

乙二醇常用于大氣量操作，蒸發(fā)損失小，可回收循環(huán)利用，且乙二醇無(wú)毒性，不會(huì)危害人身安全和帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題。但若達(dá)到相同的水合物防治效果，乙二醇用量比甲醇大，且溫度低于-10 ℃時(shí)，一般不使用乙二醇，因?yàn)橛心鲇痛嬖谇覝囟容^低時(shí)，會(huì)很難分離，加大溶解和夾帶損失[2]。乙二醇單價(jià)也比甲醇高，需建回收裝置循環(huán)使用，投資相對(duì)較高。

由于甲醇抑制效果好，貨源充足價(jià)格便宜，且相應(yīng)工藝已較為成熟，所以目前各大氣田用量較多的抑制劑還是甲醇，但也有部分氣田使用乙二醇作為水合物抑制劑，比如克拉美麗氣田。氣田常用的注抑制劑井場(chǎng)裝置原理流程如圖2所示。

圖2 注抑制劑防凍的典型井場(chǎng)裝置原理流程圖Fig.2 The well site facilities flow chart of hydrate inhibitor injection process to prevent hydrates

3.2 氣田礦場(chǎng)常用抑制劑注入方式

注醇方式一般有井口設(shè)注入設(shè)備分散注入，注醇管線(xiàn)集中注入[3]以及流動(dòng)注醇車(chē)注入三種：

①分散注入是指在井口安裝抑制劑注入設(shè)備，

將醇液霧化噴注入氣流內(nèi)防治水合物，但由于目前多采用注醇泵注醇，所以此方法對(duì)電的依賴(lài)性強(qiáng)；

②集中注醇方式是指在集氣站建注醇泵房，并敷設(shè)至各單井的注醇管線(xiàn)，由泵房的柱塞計(jì)量泵控制各單井的注醇量和注醇速度，此方法應(yīng)用方便，適用于加注量較多的場(chǎng)合；

③流動(dòng)注醇車(chē)采用車(chē)載式柱塞泵向氣井井筒或堵塞管線(xiàn)段注醇，主要用于解除井筒及地面管線(xiàn)水合物堵塞，操作方便且見(jiàn)效快。

4 防凍工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

長(zhǎng)慶靖邊氣田采用井口注醇、高壓集氣、集氣站多井加熱節(jié)流、集中回收甲醇的集輸工藝[4,5]，具體氣田集氣站的工藝流程如圖3所示。高壓管線(xiàn)水合物生成溫度更高，更易形成水合物，因此需向井口注入防凍劑甲醇防治水合物，注醇管線(xiàn)與采氣管線(xiàn)同溝敷設(shè)向氣井或采氣管線(xiàn)注入甲醇。而高壓天然氣送入集氣站后需降壓節(jié)流以滿(mǎn)足集輸系統(tǒng)的壓力要求，而降壓通常伴隨著劇烈的溫降，為防止這個(gè)過(guò)程中生成水合物，集氣站先采用水套加熱爐對(duì)氣體加熱后再進(jìn)行節(jié)流。注醇防治水合物工藝在長(zhǎng)慶氣區(qū)的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，擁有甲醇生產(chǎn)廠(chǎng)與甲醇集中再生廠(chǎng)。

川西氣田氣井開(kāi)采初期壓力較高，產(chǎn)少量凝析水，冬季或初春氣溫較低時(shí)，地面管線(xiàn)容易出現(xiàn)由水合物引起的堵塞，目前氣田主要采用先加熱后節(jié)流的方式來(lái)防治水合物[6]，由于節(jié)流降壓通常伴隨著劇烈的溫降，因此天然氣從氣井出來(lái)后要先經(jīng)過(guò)水套加熱爐進(jìn)行升溫，然后再經(jīng)過(guò)節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流降壓，滿(mǎn)足集輸管網(wǎng)的壓力要求，同時(shí)防止水合物生成，氣田的集輸工藝流程如圖4所示。

圖3 長(zhǎng)慶靖邊氣田集氣站工藝流程圖Fig.3 The process flow chart of gas-gathering station in Changqing Jingbian gas field

圖4 川西氣田集輸工藝流程圖Fig.4 The flow chart of gathering and transferring process in western Sichuan gas field

克拉美麗氣田原料氣含有一定量的凝析油，主要有單井注醇、初級(jí)節(jié)流、高壓集氣、集氣站集中加熱節(jié)流，井口初級(jí)節(jié)流、保溫輸送、集氣站加熱節(jié)流以及井口加熱初級(jí)節(jié)流、保溫輸送、集氣站集中加熱節(jié)流三種集輸工藝。但目前氣田現(xiàn)在產(chǎn)水量大，超過(guò)預(yù)期，井口溫度也低于預(yù)測(cè)值[7]，且開(kāi)發(fā)初期部分單井集輸管線(xiàn)未設(shè)保溫層，針對(duì)此情況對(duì)防凍工藝進(jìn)行了改造[8]，在氣井井口增設(shè)水套爐，提高采氣管線(xiàn)的輸送溫度，同時(shí)對(duì)集輸管線(xiàn)進(jìn)行保溫，減少輸送過(guò)程的熱損。

普光氣田氣井壓力較高，氣井所產(chǎn)天然氣含飽和水，而且含H2S、CO2酸性氣體，更易生成水合物。氣田主要采用濕氣加熱、保溫輸送的集輸工藝[9]，氣井濕氣經(jīng)過(guò)井場(chǎng)的三級(jí)節(jié)流降壓后，再通過(guò)兩級(jí)加熱的水套間接式加熱爐為氣體升溫，主要管線(xiàn)敷設(shè)保溫層保溫，安全運(yùn)至集氣總站進(jìn)行氣液分離，確保輸送過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生水合物[10]，具體工藝流程見(jiàn)圖5。

圖5 普光氣田井場(chǎng)工藝流程圖Fig.5 The process flow chart of well site in Puguang gas field

澀北氣田氣井氣質(zhì)較好，CH4平均含量高達(dá)98.73%，但壓力衰減較快。氣田最初采用井口注醇方式防凍，后來(lái)氣井產(chǎn)水量逐漸增多，需要甲醇的加注量變大，同時(shí)考慮甲醇的毒性，氣田改為集氣站加熱節(jié)流的防凍集輸工藝，并且，經(jīng)多次方案論證與氣田的實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，采氣管線(xiàn)的保溫輸送也是防治水合物的較好措施[11]。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)以上研究成果，綜合各大氣田水合物防治工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，在集輸系統(tǒng)的防凍工藝選擇上，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①防凍效果好，能最大限度的降低水合物生成溫度，產(chǎn)量小、產(chǎn)水較多的氣井適合用加熱法，產(chǎn)水量少時(shí)適合采用注抑制劑法；

②不引起附加問(wèn)題，不與天然氣中的組分發(fā)生反應(yīng)，不會(huì)增加氣體和燃燒產(chǎn)物的毒性，不會(huì)引起管道及設(shè)備的腐蝕；

③結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，若集氣半徑過(guò)大（超5km），單獨(dú)防凍工藝應(yīng)用效果不好時(shí)，應(yīng)考慮采用加熱注抑制劑聯(lián)合防治水合物的方法；

④總投資最省，如果氣田產(chǎn)量變化大、衰減快，比如頁(yè)巖氣田，應(yīng)考慮氣田的后期產(chǎn)量降低后的集輸及防凍方式，盡量減少項(xiàng)目投資。

［1］ 劉德青，馮德寶，陳小艷,等．采氣井集輸加熱與注醇工藝適應(yīng)性分析[J]. 新疆石油天然氣，2008，4(1)：93-97．

［2］ 趙琴．D區(qū)氣田工程集輸工藝優(yōu)化研究[D].南充：西南石油大學(xué), 2014．

［3］ 程小莉, 陳德見(jiàn), 陳勇．對(duì)蘇里格氣田水合物防治工藝的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012，38(18)．

［4］ 徐勇, 穆謙益, 楊亞聰,等．長(zhǎng)慶氣區(qū)開(kāi)發(fā)模式及地面配套工藝技術(shù)[J].天然氣工業(yè), 2010, 30(2)：102-105．

［5］ 劉銀春, 王莉華, 李衛(wèi),等．蘇里格氣田南區(qū)塊天然氣集輸工藝技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2012，32(6)：69-72．

［6］ 鄧柯．川西氣田水合物防治工藝技術(shù)研究[D]. 南充：西南石油大學(xué)，2007．［7］ 王治紅，張鋒，曹洪貴,等．影響克拉美麗氣田天然氣水合物生成因素分析[J].天然氣與石油，2012，30(5)：1-4．

［8］ 曹洪貴，劉濤，陳曉明等．克拉美麗氣田地面集輸工藝技術(shù)探討[C].中國(guó)油氣田地面工程技術(shù)交流大會(huì),2013．

［9］吳志欣．普光氣田地面集輸工程建設(shè)創(chuàng)新總結(jié)[J].油氣田地面工程，2013(9)：132-133．

［10］龔金海，劉德緒．普光高含硫氣田濕氣集輸與安全環(huán)保配套技術(shù)[J].油氣田地面工程，2012，31(11)：6-7．

［11］張濤，陳婭南，程建文,等．澀北氣田地面集輸工藝技術(shù)[J].天然氣地球科學(xué)，2009，20(4)：636-640．

Comparison and Analysis on Hydrate Prevention Processes of Gas Field Gathering System

SU Wen-kun，CHENG Qing-lin，F(xiàn)AN Ming-yue
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

The hydrate forming in the natural gas transportation process can affect the normal operation of the gathering system. There are four common processes for hydrate prevention, namely, dehydration, heating, depressurization and hydrate inhibitor injection. In this paper, heating and hydrate inhibitor injection were mainly studied, which were widely used in various gas fields. The characteristics, adaptive conditions and corresponding field applications of these two processes were presented. Some suggestions on the selection of hydrate prevention process were proposed, which could provide some reference for the hydrate prevention work in gas field.

Gas field; Hydrate; Heating; Inhibitor

TE 89

A

1671-0460（2015）08-1897-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)： 51174042。

2015-05-16

蘇文坤（1990-），女，河北人，在讀碩士研究生，2013年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：油氣長(zhǎng)距離管輸技術(shù)。E-mail：suwenkun1990@126.com。

成慶林（1972-），女，教授，博士，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)以及熱力學(xué)分析方向的研究。E-mail：chengqinglin7212@163.com。