集氣管線預(yù)注醇分析及優(yōu)化

楊亞軍，楊繼剛，尤靖茜，白建收

（1.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710021；2.西安長慶化工集團有限公司，陜西西安 710018；3.中國石油長慶油田數(shù)字化與信息管理部，陜西西安 710018）

集氣管線預(yù)注醇分析及優(yōu)化

楊亞軍1，楊繼剛2，尤靖茜3，白建收1

（1.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710021；2.西安長慶化工集團有限公司，陜西西安 710018；3.中國石油長慶油田數(shù)字化與信息管理部，陜西西安 710018）

天然氣水合物堵塞管線是冬季采氣過程中經(jīng)常遇到的一個問題，甲醇是蘇里格氣田東區(qū)用于防治水合物的主要抑制劑。根據(jù)蘇里格氣田“井下節(jié)流、中低壓集氣、井間串接”等工藝流程特點，文章從注醇量、注醇點等方面對冬季預(yù)注醇進行了分析優(yōu)化。通過理論定性計算甲醇注入量，并隨著氣溫、壓力等的變化及時調(diào)整制度；依據(jù)入冬前的管線巡護工作準確選取甲醇最佳注入點。該方法形成后，集氣管線預(yù)注醇更加合理，不但減少了井堵頻次，還大大降低了甲醇消耗量。

水合物；凍堵；預(yù)注醇量；預(yù)注醇點

1 冬季運行現(xiàn)狀

蘇里格G區(qū)冬季最低氣溫可達-20℃以下，地面集輸管線易造成水合物堵塞，嚴重影響氣井的正常安全生產(chǎn)。鑒于此，每年冬季都會開展大量的預(yù)注醇工作。據(jù)統(tǒng)計，2015年11月至2016年3月，集輸管線共計預(yù)注醇1 493次，消耗甲醇616.87 m3，過程中發(fā)生凍堵61井次，影響天然氣產(chǎn)量約826.63×104m3?？梢钥闯龉ぷ髁看蟆⒓状枷牧看?、效果欠佳是往年預(yù)注醇工作的明顯特點，究其原因，未能深入分析進行精細化管理，形成有效的預(yù)注醇制度，只是在集輸管線末點或壓力高點憑經(jīng)驗定性的開展預(yù)注醇工作，針對性弱。

2 天然氣水合物形成原因及預(yù)防原理

2.1 蘇里格G區(qū)天然氣水合物的形成原因

天然氣水合物是天然氣與水在一定條件下形成的類似于冰的籠形晶體水合物。概括起來講，天然氣水合物的形成必須具備以下條件：

（1）有液態(tài)水存在，天然氣溫度必須低于天然氣的水露點；（2）低溫，系統(tǒng)溫度低于水合物生成的相平衡溫度；（3）高壓，系統(tǒng)壓力高于水合物生成的相平衡壓力；（4）其他輔助條件，如氣體流速和流向的突變產(chǎn)生的擾動、壓力的波動和晶種的存在。

蘇里格G區(qū)為中低壓集氣模式，設(shè)計之初，管線均埋于凍土層之下且井口不注醇，但在冬季實際運行中，管線內(nèi)依舊會產(chǎn)生天然氣水合物，嚴重時亦可發(fā)生管線凍堵現(xiàn)象。分析其中原因，筆者認為主要有以下兩點：

（1）蘇里格G區(qū)位于毛烏蘇沙漠腹地，其主要地貌為半沙漠化及沙化土地，流沙移動較快，盡管管線上方開展了局部的防風(fēng)固沙工作，但效果不能持久，所以當風(fēng)力搬走管線上方的沙土后，就會直接造成管線埋深不足甚至裸露，降低了管線運行溫度，達到了天然氣水合物的形成條件。

（2）部分管線鋪設(shè)地段沙丘較大且多，造成管線起伏較為嚴重，降低了氣體攜液能力，在低洼處易積液。管線積液處管線有效流通截面變小，形成節(jié)流降溫，也可達到天然氣水合物的形成條件。

2.2 甲醇防堵機理

由于甲醇的羥基團形式相似于水分子，根據(jù)相似相溶原理，天然氣中的水分極易溶于甲醇中，改變水分子之間的相互作用，降低界面上的水蒸氣分壓，從而提高了水合物生成壓力或降低了水合物生成溫度，達到抑制水合物形成的目的[1，2]。

3 預(yù)注醇優(yōu)化及效果分析

預(yù)注醇制度內(nèi)容包含四點：注醇管線、注醇點、注醇量、注醇周期。其中注醇管線的選擇可以根據(jù)巡線結(jié)果、本年度管線下放工程及往年冬季運行管線凍堵情況綜合來選擇，注醇周期由于受注醇設(shè)備及人員的限制，統(tǒng)一按三天一次運作。注醇點和注醇量則根據(jù)不同的管線特征屬性制定不同的制度。下面就以典型代表說明預(yù)注醇制度的制定與調(diào)整。

3.1 預(yù)注醇量計算及選取

注入天然氣系統(tǒng)中的甲醇[3-5]，一部分與管線中的液態(tài)水混合，形成甲醇的水溶液，一部分與氣體混合（防止氣相中形成水合物），準確計算甲醇注入量時，需要考慮氣相和液相中的甲醇量。

水合物形成溫度降計算：

式中：ΔT-水合物形成溫度降，℃；t1-水合物形成臨界溫度，℃，由圖1可查得；t-天然氣進站溫度，℃。

當確定出水合物形成的溫度降ΔT后，可按下式計算液相中必須具有的抑制劑濃度X（質(zhì)量百分數(shù)）：

式中：X-水溶液中抑制劑濃度，質(zhì)量百分數(shù)；ΔT-水合物形成溫度降，℃；32.04-甲醇相對分子質(zhì)量；1 297-抑制劑常數(shù)。

圖1 預(yù)測形成水合物的壓力-溫度曲線

甲醇注入量計算：

式中：Gm-甲醇注入量，kg/d；Gs-液相中甲醇量，mg/m3；Gg-氣相中甲醇量，mg/m3；Q-天然氣流量（標準大氣壓，20℃條件下），m3/d。

式中：Wf-日產(chǎn)水量與日產(chǎn)氣量的比值，mg/m3；C-注入甲醇的濃度，質(zhì)量百分數(shù)。

式中：α-甲醇在每立方米天然氣中的克數(shù)與在水中質(zhì)量濃度的比值，與溫度和壓力有關(guān)，可用下列經(jīng)驗公式計算：

式中：P-壓力，MPa；T-溫度，K。

氣井井口均無兩相計量，無法準確得知氣井產(chǎn)液量，故這里只計算氣相中甲醇的消耗量，即取Gs=0。以G-1三叢井為例，該井叢日均產(chǎn)氣量1.349 7×104m3，目前井場外輸壓力1.3 MPa，平均產(chǎn)氣溫度4℃，甲醇濃度95%。計算地面管線注醇量：根據(jù)外輸壓力及天然氣相對密度（取0.6），由圖1查出水合物形成溫度t1=2.5 ℃，則 ΔT=（t1-t）+（3 ℃～5 ℃）=3.5 ℃，代入公式算出X=7.96%，根據(jù)壓力和溫度計算出α=4.66，則依據(jù)公式可得Gg=390 mg/m3，將產(chǎn)氣量Q代入公式得Gm=5.26 kg/d，根據(jù)甲醇密度0.792 8 kg/L，即得出理論甲醇注入量為6.6 L/d。

在氣量、溫度、壓力不變的情況下，計算液相中甲醇消耗量，趨勢（見圖2），可以看出隨著產(chǎn)液量的增加，甲醇消耗量線性增加，而且增加幅度較大。

圖2 液相消耗甲醇量與日產(chǎn)液量曲線

以計算所得氣相中甲醇消耗量為基礎(chǔ)，考慮到實際生產(chǎn)中氣井有產(chǎn)液現(xiàn)象，首次預(yù)注醇時選取日產(chǎn)液量為100 kg，所以每天預(yù)注醇量為18 L，又因為注醇周期為3 d，故每次預(yù)注醇量為54 L，制度取整為50 L。后期根據(jù)氣溫及井口壓力變化及時調(diào)整注入量，2017年1月5日，該井油壓異常，異常值較正常值升高0.3 MPa，防止發(fā)生凍堵，進行了一次解堵注醇，注醇量為1 037 L，此后一月預(yù)注醇量由50 L上調(diào)為100 L，后期運行正常，二月再次調(diào)整為50 L，三月氣溫回升，停止了對該條管線的預(yù)注醇工作，管線運行平穩(wěn)。具體運行制度（見表1）。

表1 G-1井預(yù)注醇制度

2015年冬季G-1三叢井共計預(yù)注醇20次，消耗甲醇5 078 L，期間還由于未能按制度周期執(zhí)行，導(dǎo)致發(fā)生25 d凍堵，影響氣量25.575×104m3，此外用于解堵消耗甲醇11 937 L。2016年冬季該井共計預(yù)注醇33次，消耗甲醇3 408 L，未發(fā)生凍堵現(xiàn)象。

3.2 預(yù)注醇點選取

每條干管均串接數(shù)口單井，每個井口均可作為注醇點，往年按照常規(guī)經(jīng)驗均選取末端井作為注醇點，但本年度通過扎實的巡線工作，繪制出各條干管的海拔-里程曲線圖，并標明單井的接入點，可以清楚地看出管線的起伏段及埋深不足等隱患點，并就近選取注醇點，確保達到需要的點及時注醇，可省的點不注醇的目的。

以G14站5#干管為例，其海拔-里程曲線圖（見圖3），往年預(yù)注醇點為蘇東9-58單井，由圖3可以看出，蘇東9-58至G-2段管線處于平坦地段，且巡線過程中無埋深不足點，而G-2井下游管線處于沙丘起伏地段，容易積液且流沙移動易造成管線埋深不足，所以今年注醇點就近選取在G-2井。

圖3 G14站5#干管海拔-里程曲線圖

表2 2015-2016年預(yù)注醇效果對比表

2015年冬季G14站5#干管共計預(yù)注醇16次，消耗甲醇6 400 L，期間由于制度周期過長，導(dǎo)致發(fā)生12 d凍堵，影響氣量0.96×104m3，此外用于解堵消耗甲醇2 902 L。2016年冬季該干管共計預(yù)注醇27次，消耗甲醇2 839 L，未發(fā)生凍堵現(xiàn)象。3.3 2016年冬季預(yù)注醇效果分析

2016年冬季較2015年冬季，甲醇消耗量和凍堵影響氣量都有明顯的下降，相應(yīng)的冬季運行成本也得到了有效地控制，實現(xiàn)了降本增效的目的（見表2）。

4 結(jié)論與建議

（1）合理的優(yōu)化預(yù)注醇制度，不僅能夠防止集氣管線凍堵，節(jié)約人力，還能有效降低甲醇消耗量，節(jié)約成本。

（2）加醇預(yù)注是要防患于未然，應(yīng)該根據(jù)當?shù)貧鉁?、氣井生產(chǎn)壓力等的變化及時調(diào)整預(yù)注醇制度，不斷摸索，確保適量注醇避免浪費。

（3）管線起伏大的地段，彎頭多，降低了氣流攜液能力，易產(chǎn)生水合物堵塞，應(yīng)就近按點注醇。

（4）計算甲醇注入量時，雖然產(chǎn)液量不能準確得知，但仍需根據(jù)經(jīng)驗適量予以考慮，確保計算結(jié)果接近真實情況。

［1］郭鋼，張建華.靖邊氣田水合物形成預(yù)測優(yōu)化注醇［J］.石油化工應(yīng)用，2011，30（5）：45-48.

［2］周玉榮，陳兵.氣井甲醇注入優(yōu)化［J］.石油化工應(yīng)用，2009，28（4）：59-62.

［3］胡德芬，徐立.天然氣集輸管線冬季凍堵及措施分析［J］.天然氣與石油，2009，27（1）：21-25.

［4］陳賡良.天然氣采輸過程中水合物的形成與防止［J］.天然氣工業(yè)，2004，28（8）：89-91.

［5］吳賀，劉思維.甲醇防凍堵工藝在徐深氣田的應(yīng)用［J］.化工自動化及儀表，2010，37（4）：106-107.

TE377

A

1673-5285（2017）10-0090-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.023

2017－10-08