天然氣烴露點預測研究進展

周 理 張 鐠 蔡 黎 郭開華 喬 川

1.中山大學工學院 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 3.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦

天然氣烴露點預測研究進展

周 理1,2張 鐠2蔡 黎2郭開華1喬 川3

1.中山大學工學院 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 3.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦

獲取準確的天然氣烴露點數據，對發(fā)展天然氣工業(yè)的諸多環(huán)節(jié)(如天然氣開采、加工和管輸)都具有重要意義。預測方法可快速提供一定精度范圍的天然氣烴露點數據，是推動天然氣工業(yè)發(fā)展的一種重要手段。首先，梳理了經驗關聯式、狀態(tài)方程、超額吉布斯自由能-狀態(tài)方程(GE-EOS)模型3種預測方法的發(fā)展及其在烴露點預測領域的應用。其次，通過對不同天然氣體系復雜性的分析，提出了以不同的預測模型深入開展不同天然氣體系烴露點預測研究的思路，并結合開展的實驗工作，指出目前國內常用的烴露點預測模型(PR方程和SRK方程)的平均預測偏差較大(分別為6.7 ℃、9.2 ℃)，不能準確有效地指導天然氣工業(yè)的工程設計和裝置運行。最后，指出針對不同復雜性的天然氣體系，開發(fā)不同的預測模型，形成系統(tǒng)化的天然氣烴露點研究成果的重要性與迫切性。

烴露點預測 立方型狀態(tài)方程 GE-EOS模型 相平衡 天然氣體系

在我國新疆、陜西、四川等地，廣泛分布著凝析天然氣氣藏。凝析氣藏產能和動態(tài)特征與開采壓力密切相關，獲取準確的氣藏動態(tài)烴露點壓力，有利于針對性地制定開采方案，最大限度地提高氣藏采收率[1-2]。

在天然氣加工環(huán)節(jié)，要特別注意控制外輸天然氣的烴露點指標，以避免天然氣在管道中析出液相，對管道輸送產生不利影響[3]。不同凝析氣藏的氣質存在差異，同一氣藏的氣質在開采過程中也經常變化。郭艷林等[4]進行的研究表明，凝析氣田處理廠的工藝設計往往以包括烴露點在內的氣液相平衡數據為基礎，從而保證外輸天然氣烴露點指標滿足標準規(guī)范要求。

目前，我國有兩項國家標準對天然氣烴露點做出了相關規(guī)定[5-6]：①GB 17820-2012《天然氣》要求在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣中應不存在液態(tài)烴；②GB 50251-2015 《輸氣管道工程設計規(guī)范》要求進入輸氣管道的氣體烴露點應低于最低環(huán)境溫度。在天然氣管道輸送環(huán)節(jié)，我國已形成了多氣源供氣的格局[7]，不同氣源在交接點的烴露點控制標準有可能并不統(tǒng)一，當不同氣源進入大型管網混輸時，管網系統(tǒng)中天然氣有可能出現氣液兩相[8-9]，當前亟需建立一套可靠便捷的風險評估手段，指導氣源科學合理混輸，最大限度降低管道運營風險。

獲取天然氣烴露點數據主要有實驗測定和模型預測兩種手段。實驗手段測定的天然氣烴露點的準確度與可靠性高。但是，實驗檢測需要配備精密儀器、專業(yè)人員等優(yōu)質資源，且時效性差，對于氣質狀況可能隨時間推移發(fā)生變化，或需全面快速獲得天然氣不同壓力(溫度)下烴露點溫度(壓力)的場合有其局限性。

目前，天然氣烴露點的預測方法大致可分為以下3種：①經驗關聯式法；②狀態(tài)方程法；③超額吉布斯自由能-狀態(tài)方程法。以下簡要介紹了這3種預測方法的發(fā)展及其在烴露點預測領域的應用，并對文獻報道的適用范圍和預測精度進行了綜述對比。然后，通過對不同天然氣體系復雜性的分析，提出了以不同的預測模型來深入開展不同天然氣體系烴露點預測研究的思路。最后，結合開展的實驗工作，指出針對不同復雜性的天然氣體系開發(fā)不同烴露點預測模型的必要性與迫切性。

1 天然氣烴露點預測方法綜述

1.1 經驗關聯式法

經驗關聯式法結構形式簡單，目前主要用于對凝析氣藏烴露點壓力的預測，其預測精度依賴于實驗數據的廣度與精度，對氣質狀況偏離參考實驗數據范圍的情況，偏差大，適用性差。

1.2 狀態(tài)方程法

狀態(tài)方程法預測天然氣烴露點是用同一個狀態(tài)方程同時求解氣液兩相的相平衡特性，只有當狀態(tài)方程模型對氣液兩相都具有一定預測精度時，才能保證烴露點預測結果的準確性。

狀態(tài)方程的發(fā)展演化過程中，產生了理想氣體方程、維里方程、立方型方程以及基于維里方程發(fā)展起來的多參數方程(如BWR/MBWR、Lee-Kesler、Martin-Hou方程)4種主要形式的狀態(tài)方程[16]。其中，立方型方程形式簡單靈活、計算精度較高，是工程上使用最廣泛的狀態(tài)方程[17]。

自1873年van der Waals(vdW)提出首個立方型狀態(tài)方程以來，眾多學者基于vdW方程做出了各種改進，數百個立方型狀態(tài)方程被相繼提出，以解決不同領域內的實際問題，在天然氣烴露點預測研究領域，得到廣泛應用的是SRK、PR、PT狀態(tài)方程[18-20],以及基于三者的改進方程。

采用立方型狀態(tài)方程(SRK、PR方程及其改進形式)法預測天然氣烴露點，具有較強的理論基礎，對于氣質組成簡單的天然氣烴露點預測，精度高，具有較強的應用優(yōu)勢。但當溫度、壓力條件比較苛刻(近臨界或超臨界狀態(tài))或天然氣氣質比較復雜，如天然氣中含有C6+或極性氣體(H2O、H2S)時，往往需要對狀態(tài)方程的能量項、協(xié)同體積項或者混合規(guī)則進行改進[21]，但由于缺乏有效理論體系的指導，往往難以確定準確有效、通用性強的改進方法[25]。

1.3 GE-EOS模型法

對于極性和強不對稱體系，受傳統(tǒng)混合規(guī)則的限制，狀態(tài)方程法難以準確描述液相體系的相平衡特性；活度系數法可較好地預測低壓液相混合體系的相平衡特性，但由于缺乏交互作用系數，活度系數法對氣體相平衡的預測能力較差。GE-EOS(Gibbs Excess Energy-Equation of State)模型以混合規(guī)則為“橋梁”，結合了狀態(tài)方程法和活度系數法分別在氣相和液相預測精度高的優(yōu)點，拓展了狀態(tài)方程法的適用范圍[26]。

Huron和Vidal[27]首先提出了GE-EOS模型的應用，1979年，他們率先提出以式(1)將氣相EOS超額自由能模型和溶液超額自由能模型聯系起來。

(1)

經整理，狀態(tài)方程中能量項a可用gE,AM表示為：

a=f(gE,AM)

(2)

其中，gE,AM由液相活度系數模型求得。

協(xié)同體積項b一般由式(3)表示：

(3)

式(2)、式(3)即為GE-EOS狀態(tài)方程的混合規(guī)則。式中,a為狀態(tài)方程能量項(m6·kPa·mol-2);b為立方型狀態(tài)方程協(xié)同體積項(m3·mol-1);x為摩爾分數，下標i表示混合物組元。

GE-EOS模型整合了狀態(tài)方程法和活度系數法的優(yōu)點，在擴大模型適用范圍的同時，提升了預測精度，在重烴含量較高的凝析氣或含大量極性氣體的天然氣烴露點預測領域，具有很好的應用前景。

2 天然氣烴露點預測研究思路

從氣藏天然氣到終端商品氣，天然氣的氣質、壓力、溫度條件存在較大的差異，天然氣體系的復雜性依次遞減。根據復雜程度不同，可將天然氣工業(yè)主要涉及的天然氣體系分為以下4類。

(1) 氣藏天然氣。氣質組成復雜，壓力、溫度高，天然氣氣藏壓力一般在數十兆帕以上，對于某些特高壓氣藏而言，壓力、溫度可分別達100 MPa、450 K[22]。氣藏天然氣體系復雜，含C1～C14以上的烴類，H2S、H2O等極性氣體以及H2等量子氣體，為強不對稱、極性、超臨界體系，擬優(yōu)先選用前述的GE-EOS模型開展其烴露點的預測研究，當僅需獲得特定條件下的烴露點且具有大量實驗數據的前提下，也可采用經驗關聯式法進行預測。

(2) 處理廠天然氣。天然氣氣質組成復雜，壓力為4～10 MPa，溫度為-100～200 ℃。該天然氣體系較為復雜，擬選用GE-EOS模型或改進形式的狀態(tài)方程模型開展天然氣烴露點的預測研究。

(3) 長輸管道天然氣。進入長輸管網的天然氣氣質組成簡單，輸送壓力在10 MPa左右，溫度為環(huán)境溫度。該天然氣體系較為簡單，擬選用改進形式的SRK或PR方程進行其烴露點的預測研究。

(4) 中下游商品天然氣.氣質組成簡單，壓力分布在0.1～4 MPa之間，溫度一般為環(huán)境溫度。該天然氣體系最為簡單，擬選用SRK或PR方程進行烴露點的預測研究。

3 國內常用預測模型對氣質的適應性研究

目前，國內尚未針對不同天然氣體系開發(fā)不同烴露點預測工具，當需要預測天然氣烴露點或相包絡線時，主要依賴國外的商業(yè)軟件(如ASPEN、HYSYS等)。軟件中適合天然氣烴露點計算的模型較為單一，主要為PR方程、SRK方程，模型預測結果與實際數據的偏差范圍，以及模型是否適合我國天然氣氣質特點等問題，一直沒有得到系統(tǒng)性研究工作的關注[33]。

將某天然氣處理廠脫水后天然氣的烴露點測試數據與商業(yè)軟件中采用的PR、SRK方程的預測結果進行了對比分析。測試天然氣全組成的方法是氣相色譜法，主要參考GB/T 13610-2014《天然氣組成分析氣相色譜法》和GB/T 17281-1998《天然氣中丁烷至十六烷烴類的測定氣相色譜法》。烴露點測試方法為冷鏡面法，采用標準為GB/T 27895-2011 《天然氣烴露點的測定 冷卻鏡面目測法》，測試精度由烴露點儀溫度測試的精度決定，本次試驗使用烴露點儀溫度計精度為0.1 ℃。但是在烴露點測試過程中，由于烴露點上的凝析量必須達到目測最低限以及測試人員讀取結果之間的差異，標準規(guī)定烴露點直接測試結果的準確度約為±2 ℃。本次試驗數據測試由同一人員進行，盡量減小了系統(tǒng)誤差。

表1所列天然氣共由19個組分(個別組分為組分組，如C6、C7、C8+)組成，屬較復雜的天然氣氣質。表2列出了不同壓力下天然氣烴露點的實驗值與PR和SRK狀態(tài)方程模型預測值的比較情況。采用PR、SRK兩個狀態(tài)方程計算得到的烴露點溫度預測值與實驗值的平均絕對(相對)偏差分別為6.7 ℃(2.5%)、9.2 ℃(3.7%)；該天然氣處理廠的設計工作壓力為3～5 MPa，在該壓力區(qū)間，預測值與實驗值的平均絕對偏差分別可達8.0 ℃、10.3 ℃。

結合圖1可以看出，模型預測得到的烴露點曲線整體位于實驗值右側(預測烴露點溫度高于實驗值)，分析可能預測模型的內部參數仍具有一定的優(yōu)化空間。在建設天然氣處理廠之前，若以上述不甚準確的預測模型結果作為工藝設計基礎數據的主要來源，而不考慮較大范圍的數據修正，可能會導致建成后裝置非正常、不穩(wěn)定運行狀況的出現。

表1 某天然氣處理廠脫水后天然氣氣質Table1 Compositionofnaturalgasafterdehydrationinaprocessingfactory組分y/%組分y/%He0．000i?C50．228H20．010n?C50．113O20．000C60．105N20．691苯0．007CO20．295環(huán)己烷0．012C185．487C70．042C28．823甲基環(huán)己烷0．012C32．951甲苯0．005i?C40．606C+8①0．030n?C40．585 注：①冷鏡面法需一定量的液烴形成液滴才能判定烴露點出現，C+8含量極少，比對預測值與實驗值，認為可將C8以上烴類統(tǒng)一歸入C+8。

表2 不同壓力下天然氣烴露點實驗值與預測值對比表Table2 Experimentalandpredictedhydrocarbondewpointofnaturalgasunderdifferentpressure壓力/MPa烴露點實驗值/℃PR方程預測值/℃SRK方程預測值/℃PR絕對偏差/℃SRK絕對偏差/℃PR相對偏差①/%SRK相對偏差①/%9．30-9．4-13．1-5．53．73．91．391．489．16-5．2-9．8-3．54．61．71．730．658．88-3．4-5．6-0．22．23．20．801．188．62-2．8-2．72．20．15．00．051．848．50-2．7-1．53．21．25．90．442．178．21-2．00．95．32．97．31．082．687．850．23．47．53．27．31．192．667．573．85．19．01．35．20．481．867．223．27．010．63．87．41．362．676．925．08．311．83．36．81．202．446．634．69．512．84．98．21．772．966．405．210．313．55．18．31．853．006．205．811．014．15．28．31．862．985．936．011．814．85．88．82．073．155．686．212．415．46．29．22．233．285．406．613．115．96．59．32．313．315．156．813．516．26．79．42．403．374．967．013．816．56．89．52．443．384．757．014．116．77．19．72．533．454．566．614．316．87．710．22．753．644．176．414．516．98．110．52．903．763．796．214．516．88．310．62．973．793．455．814．316．58．510．73．053．823．165．114．016．08．910．93．183．933．025．013．715．88．710．83．133．872．714．613．015．08．410．43．043．74

續(xù)表2壓力/MPa烴露點實驗值/℃PR方程預測值/℃SRK方程預測值/℃PR絕對偏差/℃SRK絕對偏差/℃PR相對偏差/%SRK相對偏差/%2．453．812．314．28．510．43．053．742．121．611．012．89．411．23．414．081．72-1．28．810．510．011．73．674．321．42-2．46．68．39．010．73．313．941．15-4．63．95．68．510．23．183．800．75-12．6-1．70．010．912．64．184．820．41②-22．0-10．0-8．212．013．84．795．490．20②-41．0-19．6-17．721．423．39．2210．05偏差平均值6．79．22．53．4 注：①相對偏差以烴露點開氏溫度為基礎計算；②低壓下測試數據準確度較差，可能導致預測值與實驗值偏差較大，不計入此兩點數據，PR、SRK方程預測值與實驗值的平均絕對偏差分別為6．1℃、8．6℃。

由于模型單一，目前國內對復雜氣質的天然氣烴露點預測精度差，不能有效地指導工程設計和裝置運行。隨著近年來國內復雜氣田資源開發(fā)利用的增加(如塔里木油田、長慶油田、西南油氣田等公司均有較多的凝析氣田進入開發(fā)周期)，以及日趨復雜的多氣源天然氣管網運營狀況，在天然氣開發(fā)、生產、管網運營環(huán)節(jié)，都需要完善的天然氣烴露點預測模型的指導。

4 結 語

(1) 在對天然氣烴露點預測方法及其應用進行綜述對比的基礎上，通過對不同天然氣體系特點的分析，提出了以GE-EOS模型法開展天然氣處理廠天然氣的烴露點預測，以改進的SRK或PR方程開展長輸管道天然氣的烴露點預測，以SRK或PR方程開展商品天然氣烴露點預測的研究思路。

(2) 國內常用烴露點模型預測值與實驗值偏差較大，SRK與PR方程的平均預測偏差分別可達9.2 ℃、6.7 ℃。目前，常用預測模型對我國氣質的適應性較差，不能有效地指導工程設計和裝置運行。

(3) 結合天然氣開發(fā)生產的實際需求，進一步指出針對不同天然氣體系開發(fā)不同預測模型，形成系統(tǒng)化天然氣烴露點預測研究成果的必要性。

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Research progress of natural gas hydrocarbon dew point prediction

Zhou Li1,2, Zhang Pu2, Cai Li2, Guo Kaihua1, Qiao Chuan3

1.SchoolofEngineering,SunYat-SenUniversity,Guangzhou,Guangdong,China; 2.ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOilandGasfieldCompany,Chengdu,Sichuan,China;3.SouthernSichuanGasDistrict,PetroChinaSouthwestOilandGasfieldCompany,Luzhou,Sichuan,China

To obtain accurate hydrocarbon dew point data of natural gas is crucial for development of natural gas mining，processing and transporting, which are all the key aspects of natural gas industry. Prediction method is a kind of important factor to promote the development of natural gas industry because it can predict a relative precise hydrocarbon dew point as quick as possible. Firstly, this paper reviewed the development and application of three major natural gas hydrocarbon dew point prediction models, which are empirical correlations model, equation of state model and Gibbs excess energy-equation of state (GE-EOS) model, respectively. Secondly, based on the complexity analysis of different natural gas system, the research idea utilizing vary model to predict the hydrocarbon dew point of different natural gas system is proposed. In further, through the experimental validation, we found there was big deviation between the experimental and predicted dew points temperature. When the common PR and SRK model in domestic was used, the average absolute deviation could achieve 6.7 ℃ and 9.2 ℃ accordingly, which demonstrated that the common models used in domestic were not suitable for guiding the engineering design and plant operation. At last, this paper pointed out the necessity as well as urgency to start the systematic research on natural gas hydrocarbon dew point prediction.

hydrocarbon dew point prediction, cubic equation of state, GE-EOS model, phase equilibrium, natural gas system

周理(1981-)，男，高級工程師，現就職于中國石油西南油氣田公司天然氣研究院檢測所，任副所長，國際標準制定工作組(ISO/TC 193/SC1/W22)召集人，主要從事天然氣分析測試及標準化方面的研究工作。E-mail：zhou.li@petrochina.com.cn

郭開華(1956-)，男，教授、博士研究生導師，中山大學-BP液化天然氣中心主任，主要從事能源及液化天然氣技術方面的研究工作。E-mail：guokaih@mail.sysu.edu.cn

TE648

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.04.017

2017-03-14；

2017-06-02；編輯：鐘國利