臨汾區(qū)塊煤系地層天然氣水合物危害與預防措施

王龍+石林+陳錦

[摘 要]天然氣水合物是天然氣中的某些組分與液態(tài)水在一定的壓力、溫度下形成的一種類冰結晶化合物。嚴重時，可能堵塞井筒、管線、閥門和設備，從而對天然氣開采造成危害，影響氣田的正常生產(chǎn)。所以對煤系地層天然氣井水合物形成進行分析，對于天然氣開采至關重要。臨汾區(qū)塊煤系地層針對水合物的防治主要采取加熱保溫，提產(chǎn)降壓，井下節(jié)流和注抑制劑等措施。

[關鍵詞]煤系地層 天然氣水合物 預測方法 防治措施

中圖分類號：P618.13 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0286-01

一、引言

臨汾區(qū)塊煤系地層天然氣地處鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶南端，開發(fā)層位有本溪組、太原組、山西組、石盒子組和石千峰組等，儲層深度為1900m至2500m，目前有生產(chǎn)井50余口，由于地處山區(qū)、晝夜溫差大。在煤系地層天然氣開采和集輸?shù)倪^程中，井筒或輸氣管道中如果有水合物生成，就極易增大管路壓降，嚴重時將造成水合物堵塞井筒、管線、閥門和設備，從而影響天然氣的開采、集輸。

二、天然氣水合物形成條件

2.1 主要條件

（1）天然氣溫度等于或低于水的露點，有游離水或液態(tài)水存在；（2）在一定壓力和氣體組成下，溫度低于形成水合物的溫度；而高壓，使形成水合物的溫度上升。

2.2 次要條件

（1）氣流速度很高，氣體擾動；（2）壓力發(fā)生波動；（3）存在小的水合物晶種；（4）.天然氣中存在易形成水合物的H2S或CO2。

三、水合物的預測方法

天然氣的壓力、溫度和組分決定了是否會生產(chǎn)水合物，到目前為止，預測水合物生成溫壓條件的方法大致可分為：經(jīng)驗公式法、圖解法和相平衡計算法等，本文采用前兩種進行分析。

3.1 經(jīng)驗公式法

1960年，波諾馬列夫對大量實驗數(shù)據(jù)進行整理，得出確定不同密度的天然氣水合物形成條件的方程式：

當T>273.15K時

lgP=-1.0055+0.0541（B+T-273.15） （1）

當T≤273.15K時

lgP=-1.0055+0.0171（Bl+T-273.15） （2）

式中：

P為壓力，千帕

T為形成水合物的平衡溫度，K

B，Bl為與天然氣相對密度有關的系數(shù)

3.2 圖解法

按不同密度作出的天然氣形成水合物的溫度與壓力的關系曲線圖。曲線上的數(shù)據(jù)為天然氣的相對密度，所對應的溫度即是該點壓力條件下的水合物形成溫度。每條曲線的左邊為水合物生成區(qū)，右邊為非生成區(qū)。天然氣從井底向井口流動過程中，溫度和壓力都要逐漸降低，根據(jù)壓力剖面和溫度剖面曲線，由圖1可確定沿程各點是否形成水合物。

四、現(xiàn)場天然氣水合物形成分析

4.1 天然氣水合物形成情況

臨汾區(qū)塊煤系地層天然氣井生產(chǎn)過程中，在不同位置處發(fā)現(xiàn)天然氣水合物：單井外輸支線、單井緊急切斷閥、采氣樹、針型閥。

4.2 天然氣水合物形成相關參數(shù)分析

天然氣水合物形成相關參數(shù)見表1。

在使用三相分離器時，當外輸溫度與室外溫度相差大于22℃且外輸外度低于40℃時產(chǎn)液量的多少對形成水合物無明顯影響；井下節(jié)流時外輸溫度低于13℃時極易形成水合物。

4.3 水合物形成條件分析

4.3.1 經(jīng)驗公式法分析

計算得出部分井天然氣水合物形成條件，見表1。

通過經(jīng)驗公式法計算出區(qū)塊內各井外輸溫度一定時形成水合物的壓力，外輸壓力一定時形成水合物的溫度，通過對比外輸溫度一定時，外輸壓力與形成壓力的大小，外輸壓力一定時，外輸溫度與形成溫度的大小，來判斷水合物形成的難易程度；當外輸溫度一定時外輸壓力大于形成壓力時就易形成水合物，外輸壓力小于形成壓力就不易形成水合物；當外輸壓力一定時，外輸溫度小于形成溫度就易形成水合物，外輸溫度大于形成溫度就不易形成水合物。而表中數(shù)據(jù)可以看出井10的外輸溫度小于形成溫度且形成壓力小于外輸壓力，故該井極易形成水合物。

4.3.2 圖解法分析

臨汾區(qū)塊氣井節(jié)流后井口壓力控制在4MPa左右，且區(qū)塊內氣體相對密度在0.58上下。故根據(jù)圖1可知，臨汾區(qū)塊煤系地層天然氣水合物的形成溫度為12℃，而井口溫度一般控制在8.0～36℃，所以當井口溫度低于12℃時，需對8～12℃的井采取措施預防天然氣水合物形成。

五、水合物的防治方法

因為水合物的形成有三個重要條件：壓力、溫度、游離態(tài)的水，因此只要控制了三個條件中的一個，就可以成功的預防天然氣水合物的生成。

5.1 加熱保溫法

加熱保溫法的作用原理是通過加熱提高地面管線中氣體的溫度以使其高于水合物的生成溫度。在現(xiàn)場使用的設備設施主要有三相分離器、一體化加熱分離器和添加電伴熱等方式確保從采氣樹流出的氣體溫度高于臨界生成溫度。

5.2 提產(chǎn)降壓法

降壓提產(chǎn)法的作用原理是通過降低地面管線中的壓力破壞水合物的生成條件。但在實際生產(chǎn)中，由于輸送壓力有操作范圍的限制，管線必須保持一定壓力并不能下降很多，所以這種方法更多只是作為一種現(xiàn)場解堵補救措施，來去除管內已經(jīng)存在的水合物堵塞，而且必須同時從兩端降壓，防止管道中出現(xiàn)較大壓差發(fā)生危險。

5.3 井下節(jié)流法

通過在井下油管內預定位置下入井下氣嘴，對地層產(chǎn)出氣實施井下節(jié)流降壓，利用地層高溫加熱井筒中節(jié)流降溫后的氣流，從而取消井口的節(jié)流，預防水合物的生成。

5.4 添加化學抑制劑法

添加化學抑制劑法是通過向管線中注入一定量的甲醇，改變水合物形成的熱力學條件，來達到保持流體流動的目的，提高水合物生成壓力，降低生成溫度，以此來抑制水合物的生成。

六.結論

（1）井筒或采氣管線生成水合物對氣田的正常生產(chǎn)會造成很大影響，嚴重時甚至危害生產(chǎn)安全。

（2）通過經(jīng)驗公式法和圖解法分析得出臨汾區(qū)塊煤系地層天然氣井7、井10等有可能形成水合物，在后期的管理中需加強壓力、溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測。

（3）臨汾區(qū)塊針對水合物的防治措施主要采取加熱保溫，提產(chǎn)降壓，井下節(jié)流和注甲醇等。

參考文獻

[1] 馬榮生，孫志高，樊栓獅等.氣體水合物生成條件研究[J].揚州大學學報，2002，5（2）：49-2.

[2] 孫長宇，黃強，陳光進.氣體水合物形成的熱力學與動力學研究進展[J].華工學報，2009，57（5）：1031-1039.