水下采油樹水合物抑制劑注入研究

趙宏林，周 鵬，代廣文，段夢蘭，李 榮，朱軍龍

水下采油樹水合物抑制劑注入研究

趙宏林1，周 鵬1，代廣文1，段夢蘭1，李 榮2，朱軍龍1

（1．中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2．重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司，重慶401121）

在海洋油氣生產(chǎn)過程中，通過注入水合物抑制劑防止水合物生成是流動保障技術(shù)的重要組成部分。針對荔灣3-1油田所采用的臥式采油樹，根據(jù)不同的工況要求，研究了相適合的化學(xué)試劑注入策略和閥門操作順序。以正常工況下乙二醇注入量計算為例，應(yīng)用HYSYS工藝軟件模擬計算，采用天然氣干基首先進行飽和水處理再與抑制劑混合的方法，將計算結(jié)果同常規(guī)理論計算對比，發(fā)現(xiàn)軟件計算結(jié)果約為理論計算的2倍，在工程設(shè)計允許范圍內(nèi)。在水下采油樹工藝設(shè)計中可以選用HYSYS軟件計算水合物抑制劑的注入量，計算過程動態(tài)、準確且應(yīng)用范圍廣。

水下采油樹；流動保障；水合物抑制劑；HYSYS

水下采油樹作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心，功能主要有：控制油井生產(chǎn)、調(diào)節(jié)出油產(chǎn)量、提供修井通道等。水下采油樹在生產(chǎn)過程中面臨著形成天然氣水合物并堵塞流動通道的危險，因此，為了防止產(chǎn)出液在生產(chǎn)過程中形成水合物堵塞管路，需要向采油樹生產(chǎn)通道內(nèi)注入水合物抑制劑，以避免生產(chǎn)過程中生成水合物堵塞管路的危險。水合物的生成需要滿足一定的溫度、壓力條件，水合物抑制劑的注入可以降低水合物生成所需的溫度條件，從而達到阻止水合物生成的目的［1-4］。因此，需要針對水下采油樹不同工況進行化學(xué)試劑注入方案設(shè)計。甲醇和乙二醇是常用的高效水合物抑制劑，其注入量可以通過HYSYS工藝模擬軟件模擬計算得到，并與相關(guān)經(jīng)驗公式的計算結(jié)果進行對比［5］。

1 水下采油樹化學(xué)試劑注入方案

1．1 水下采油樹結(jié)構(gòu)

水下采油樹從結(jié)構(gòu)上可分為立式采油樹和臥式采油樹2種，本文以荔灣3-1所采用的臥式采油樹為例進行化學(xué)試劑注入研究。

如圖1所示，水下臥式采油樹主要由巖屑帽、阻塞器、油管懸掛器、樹體、連接器、節(jié)流閥和閥組等組成。其中：連接器是將水下臥式采油樹和井口頭（規(guī)格為18″-69．0 MPa，H4型面）相連接的機構(gòu)，同時為井口VX密封鋼圈提供預(yù)緊力；巖屑帽是采油樹孔徑的保護帽；油管掛連接在樹體內(nèi)部，懸掛?139．7 mm（5英寸）的油管，并起到提供油流通道、修井通道、井下安全閥液壓通道和提供化學(xué)試劑注入通道的作用［6］。

圖1　水下臥式采油樹結(jié)構(gòu)

水下臥式采油樹閥組主要有以下閥門：生產(chǎn)主閥（PMV），生產(chǎn)翼閥（PWV），修井閥（AAV），環(huán)空主閥（AMV），轉(zhuǎn)換閥（XOV），節(jié)流閥（PCV），環(huán)空翼閥（AWV）。閥門的主要參數(shù)如表1所示。

表1　荔灣3-1所用臥式采油樹閥門參數(shù)

表1（續(xù)）

1．2 化學(xué)試劑注入點

1．2．1 天然氣水合物生成原理

天然氣水合物是由天然氣和水組合在一起像冰一樣的固體。微觀上，這種物質(zhì)事實上是由一種分子侵入另一個分子結(jié)成的物理組合，然后形成了晶狀結(jié)構(gòu)。如果被侵入的是水，則被稱作晶狀水合物，如果是天然氣，則稱為天然氣水合物。一般通稱為天然氣水合物。天然氣水合物一般在低溫和高壓條件下生成。越小分子的烴，越難于形成水合物［7］。

1．2．2 各種工況下的注入點

1）在正常生產(chǎn)過程中，油氣流經(jīng)油管、油管掛、生產(chǎn)主閥（PMV）、生產(chǎn)翼閥（PWV）和節(jié)流閥（PCV），最終流到生產(chǎn)管匯。此時，環(huán)空翼閥、修井閥和轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉，生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥、節(jié)流閥和環(huán)空主閥打開［8］。在環(huán)空端布置有壓力溫度傳感器APT，能夠?qū)Νh(huán)空側(cè)壓力溫度進行監(jiān)測，起到實時監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)的作用。正常生產(chǎn)時，油氣通道內(nèi)流體需要保持一定溫度和壓力，所以需要在生產(chǎn)通道上設(shè)置化學(xué)HIV注入閥1。

2）開井分為首次開井、冷啟動開井和熱啟動開井。首次開井時，打開生產(chǎn)主閥，注入大量甲醇至油管內(nèi)并打開SCSSV，接著打開生產(chǎn)主閥，注入甲醇至生產(chǎn)主閥和生產(chǎn)翼閥內(nèi)，再打開節(jié)流閥并保持一定流量，直到節(jié)流閥下游達到指定溫度，停止注入甲醇開始注入乙二醇，最后檢測井內(nèi)流速和溫度直到穩(wěn)定。冷啟動開井時，首先將甲醇注入到生產(chǎn)油管內(nèi)，接著打開生產(chǎn)主閥和生產(chǎn)翼閥，注入甲醇到兩閥之間直到節(jié)流閥下游溫度達到指標，此時調(diào)整節(jié)流閥，注入乙二醇和化學(xué)藥劑，同時檢測井內(nèi)流動速率和溫度直到穩(wěn)定。熱啟動被定義為生產(chǎn)性啟動，一般指停止穩(wěn)定生產(chǎn)不到60 h，與冷啟動相比，不包括第1步中的甲醇注入過程。

3）停產(chǎn)過程分為計劃內(nèi)停產(chǎn)和非計劃停產(chǎn)2種情況。在停產(chǎn)時，生產(chǎn)通道內(nèi)高溫流體停止流動，水下的低溫環(huán)境使得流體溫度下降，存在形成水合物的危險。計劃內(nèi)停產(chǎn)時需要關(guān)井操作，會關(guān)閉采油樹生產(chǎn)翼閥、生產(chǎn)主閥和節(jié)流閥，所以需要在生產(chǎn)主閥和生產(chǎn)翼閥之間以及節(jié)流閥下游設(shè)置有甲醇注入閥和乙二醇注入閥，并分別布置有壓力溫度傳感器。計劃內(nèi)關(guān)井順序是首先依次關(guān)閉PCV、PWV、PMV和CIV，接著打開PMV和PCV注入額外的定量甲醇，然后關(guān)閉PMV、PCV和MIV，注入定量的乙二醇確?？缃庸軆?nèi)適當抑制，在乙二醇注入到跨接管中后，關(guān)閉乙二醇注入閥HIV。

在采油樹上，注入閥1、2管線分別布置在節(jié)流閥上游和井下安全閥上游，用于注入結(jié)垢抑制劑，在關(guān)井時根據(jù)系統(tǒng)需要的壓力和泵送溫度，提供清潔的化學(xué)灌漿。水下采油樹化學(xué)試劑注入流程如圖2所示。

圖2　水下采油樹化學(xué)試劑注入流程

1．3 化學(xué)試劑簡介

上文中所提到的化學(xué)試劑分為結(jié)垢抑制劑和水合物抑制劑2類。其中，水合物抑制劑按作用機理不同可分為熱力學(xué)抑制劑和動力學(xué)抑制劑，甲醇和乙二醇均屬于熱力學(xué)抑制劑，通過破壞空穴的水分子間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，降低水和烴分子之間的熱力學(xué)平衡條件，使水合物生成的平衡溫度降低，壓力升高，達到抑制水合物的目的［7］。由于乙二醇具有無毒、易再生、攜帶損失少、吸水特性好等特點［9-11］，在實際工況下通常選用乙二醇作為水合物抑制劑。

2 水合物抑制劑注入量計算

關(guān)井時，分別需要定量注入甲醇和乙二醇，注入量可根據(jù)查閱相關(guān)理論公式計算，也可通過軟件模擬計算。以海上某氣田的溫度數(shù)據(jù)為例，對正常工況下乙二醇的注入量分別進行數(shù)值模擬計算和理論公式計算。

2.1 HYSYS工藝軟件模擬計算

2.1.1 建立物性包

HYSYS軟件模擬過程首先需要根據(jù)計算目標建立物性包，物性包類型選擇為Peng-Robinson，目標油田的組分及所占質(zhì)量分數(shù)如表2所示。

表2　目標天然氣組成

2．1．2 建立計算模型

由于給出的天然氣干基數(shù)據(jù)里沒有水，而實際生產(chǎn)時所有原始天然氣都是與水飽和的，這樣才會存在生成水合物的危險。因此，在建立計算模型時，必須考慮首先創(chuàng)建一個含飽和水的兩相物流，再將飽和天然氣與乙二醇混合，用軟件自帶工具ADJ調(diào)整工具設(shè)定相關(guān)收斂方式和步長，計算水的流量和乙二醇注入量。計算模型如圖3所示。

圖3　乙二醇注入量計算模型

計算模型介紹：

1)先將天然氣干基和水在混合器1內(nèi)混合，混合后的濕天然氣在分離器中將飽和天然氣和多余水分離。

2)應(yīng)用ADJ-1工具設(shè)定水的注入流量為調(diào)整變量，多余水為目標變量。

3)將飽和天然氣和乙二醇在混合器2中混合。

4)應(yīng)用ADJ-2工具以乙二醇注入流量為調(diào)整變量，以下游出口流股中的水合物生成溫度為目標變量，設(shè)定目標變量值為0℃。

2．2．3 飽和水含量及乙二醇注入量計算

在注入乙二醇之前，需要首先計算天然氣干基需要飽和水的質(zhì)量，天然氣干基的主要計算參數(shù)如表3所示。

表3　天然氣干基的計算輸入條件

應(yīng)用ADJ-1工具設(shè)定經(jīng)分離器分離后的多余水為目標變量，指定目標值為0．001 kg／h，允許誤差為0．000 1 kg／h，步長為1 kg／h，最大迭代步數(shù)為100。最終計算結(jié)果為目標天然氣干基所需飽和水39．34 kg／h，此時飽和天然氣的主要參數(shù)如表4所示。

表4　飽和天然氣主要參數(shù)

最后將飽和天然氣與乙二醇在混合器2中混合，應(yīng)用ADJ-2工具，以出口流股的水合物生成溫度為目標變量，設(shè)定目標值為0℃，允許誤差為0．01℃，步長為5 kg／h，最大迭代步數(shù)設(shè)置為100。最終計算結(jié)果為需要乙二醇58．22 kg／h。

2．3 理論公式計算

抑制劑在游離水中的最低質(zhì)量分數(shù)可以用Hammerschmidt公式確定［12］，即

式中：ΔT為水合物形成所需的溫降，℃；M為抑制劑分子量（乙二醇M＝62）；X為液態(tài)水相中抑制劑質(zhì)量分數(shù)；Ki為抑制劑常數(shù)；其中，乙二醇取值為2 220。

查《氣體加工工程數(shù)據(jù)手冊》，天然氣所形成的溫降為32℃，代入公式可得：X＝47．2%。

抑制劑溶液注入量計算公式為

式中：m1為抑制劑溶液質(zhì)量；mW為液態(tài)水相質(zhì)量；XR為液態(tài)抑制劑溶液濃度。

通過HYSYS軟件計算得到含水量為39．34 kg／h，代入公式可計算得到乙二醇注入量為33．38 kg／h。

3 結(jié)論

1)針對水下采油樹開井、停產(chǎn)和正常生產(chǎn)工況，制定了每種工況下閥門操作情況和化學(xué)試劑注入策略，采用了甲醇、乙二醇和結(jié)垢抑制劑3種化學(xué)試劑。

2)研究了一套通過HYSYS工藝模擬軟件對乙二醇注入量進行了模擬計算的方法。首先通過計算目標天然氣干基所需的飽和水含量，形成了飽和天然氣的流股，再將飽和天然氣流股和乙二醇進行混合，利用ADJ工具計算得到乙二醇的注入量，最后用理論公式計算相同條件下的乙二醇注入量，發(fā)現(xiàn)軟件計算結(jié)果是理論公式計算的2倍左右。考慮到軟件計算的動態(tài)性以及理論公式的適用性，軟件計算的乙二醇注入量是準確、可靠的，且理論公式計算需要查閱經(jīng)驗數(shù)據(jù)、計算時間長，而軟件模擬計算迅速、應(yīng)用范圍廣，可以作為水下采油樹工藝設(shè)計時的依據(jù)。

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Research on Hydrate Inhibitor Injection in Subsea Tree

ZHAOHonglin1，ZHOU Peng1，DAI Guangwen1，DUANMenglan1，LI Rong2，ZHU Junlong1
（1．Research Center for Cffshore Cil&Gas，China Uniuersity of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Chongqing Qianwei Cffshore Petroleum Engineering&Equipment Co．，Ltd．，Chongqing 401121，China）

In the production process of offshore oil and gas，the method of injecting hydrate inhibitor to prevent hydrate generating is the crucial component of flow assurance technology．Aiming at subsea tree in the Liwan 3-1 oil field，suitable chemical reagent injection strategy and operation orders of valves is developed，according to the different conditions．Moreover，the injection rate of hydrate inhibitor is calculated with process simulation software HYSYS．During the calculation process，it firstly processes dry gas saturation，then mixing with hydrate inhibitor．Compared with the theoretical calculation，the result using HYSYS is twice as that of theoretical calculation，and it is within engineering permission．Therefore HYSYS calculation method can be used in subsea tree processing design because of its correct，dynamic and wide application．

subsea tree；flow assurance；hydrate inhibitor；HYSYS

TE931．1

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．012

1001-3482（2015）04-0047-04

2014-10-17

國家發(fā)改委2013年海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項之“水下采油樹研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（發(fā)改辦高技〔2013〕1764號）

趙宏林（1962-），男，江蘇泰興人，教授，博士，主要從事海洋油氣裝備等方面的研究和教學(xué)工作，E-mail：zhaohl＠cup．edu．cn。