高壓高含H2S氣井試氣地面流程水合物預(yù)防及抑制劑復(fù)配優(yōu)化

＊張?jiān)Ｗ?李凌峰* 呂晨爽 張沛雪 韓迪

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院 湖北 430100 2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 430100 3.中國石化石油機(jī)械股份有限公司 湖北 430000）

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界天然氣資源約60%含硫，10%為高含硫，我國高含硫天然氣資源豐富[1]，但高含H2S天然氣給氣井測試和現(xiàn)場HSE管理帶來巨大的挑戰(zhàn)。在高壓、高含H2S氣井測試過程中，試氣地面流程中經(jīng)常發(fā)生冰堵，影響測試施工的順利進(jìn)行，重則可能引起嚴(yán)重事故[2-3]，預(yù)防天然氣水合物堵塞地面流程是高壓、高含H2S氣井試氣測試中的一項(xiàng)重要工作。本文對四川盆地川東北Y氣田Y27氣井進(jìn)行探索性研究，對該氣井地面試氣過程水合物的生成情況及其影響因素進(jìn)行分析，根據(jù)水合物的生成情況設(shè)計(jì)不同的地面試氣流程進(jìn)行水合物防治，采用不同方法防治地面試氣流程水合物并設(shè)計(jì)該氣井相應(yīng)的試氣地面流程。

1.地面管線水合物形成影響因素分析

天然氣地面試氣及生產(chǎn)系統(tǒng)除了在低溫環(huán)境或節(jié)流的情況下容易生成水合物外，氣井的產(chǎn)氣量、井口壓力和溫度以及天然氣的組成成分均會(huì)對地面流程中水合物的產(chǎn)生有所影響，本文將對不同因素影響地面管線水合物形成的情況進(jìn)行分析。

(1)井口壓力對地面水合物形成的影響

利用PIPESIM軟件對Y27氣井試氣流量為10×104m3/d時(shí)、冬季2℃溫度下，內(nèi)徑為76mm、壁厚為4.5mm的管線進(jìn)行建模模擬，管道的起始?jí)毫榫趬毫?6.74MPa，起始溫度為30.59℃。改變井口壓力來觀察水合物的生成情況，運(yùn)行后模擬的數(shù)據(jù)整理結(jié)果見表1。根據(jù)模擬結(jié)果，隨著輸送壓力的增加，管道中水合物形成的位置向前移動(dòng)，但變化不明顯。

表1 不同井口壓力時(shí)天然氣水合物的形成位置

(2)井口溫度對地面水合物形成的影響

當(dāng)其他條件不變時(shí)，改變管線起點(diǎn)溫度即井口溫度，運(yùn)行模擬后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到表2，由表2可以看出，隨著井口溫度提高，生產(chǎn)曲線幾乎平行向右移動(dòng)，直至生產(chǎn)曲線與天然氣水合物生成曲線不產(chǎn)生交點(diǎn)，其原因是地面管線中天然氣的沿程溫度分布隨起點(diǎn)溫度的增加而提高，而高溫降低了水合物在管線中形成的可能性。所以，適當(dāng)?shù)卦黾庸芫€的輸送溫度能明顯防止水合物生成。

表2 不同井口溫度時(shí)天然氣水合物的形成位置

(3)天然氣組分對地面水合物形成的影響

僅改變組分中H2S和CH4的含量，判斷H2S含量變化對水合物生成的影響。PIPESIM中改變天然氣組分設(shè)置界面如圖1。通過軟件模擬計(jì)算可知，隨著H2S含量的增大，水合物的生成溫度越高，管線中越容易生成水合物。同樣地，在研究CO2含量產(chǎn)生的影響時(shí)，天然氣中其他組分不變，僅改變CH4和CO2的含量，隨著CO2含量的增加，天然氣水合物的生成曲線將向上移動(dòng)，即向著高壓方向移動(dòng)，但移動(dòng)程度很小，對水合物的形成條件幾乎沒有影響，故影響該氣井地面管線中水合物產(chǎn)生的主要因素為H2S含量。

圖1 PIPESIM中改變天然氣組分設(shè)置界面

2.試氣地面流程水合物防治

氣井地面試氣流程可以利用節(jié)點(diǎn)分析方法來對地面節(jié)流后的壓降和溫降進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷水合物生成情況，確定地面流程的節(jié)流級(jí)數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果并參考相關(guān)技術(shù)要求，Y27氣井的試氣地面流程擬選用三級(jí)節(jié)流。在試氣地面流程節(jié)流前通常采取注醇或加熱的方法來抑制天然氣水合物生成。本文將分別對注入水合物抑制劑法、加熱法及兩者結(jié)合的方法分別進(jìn)行模擬分析[4-5]，并對天然氣水合物抑制劑用量進(jìn)行優(yōu)化。

(1)加熱法防治水合物

由于氣流從井口流出時(shí)直接經(jīng)一級(jí)節(jié)流氣嘴進(jìn)行節(jié)流降壓且氣嘴后溫度較高，一級(jí)節(jié)流嘴后水合物生成風(fēng)險(xiǎn)較低，故采用二級(jí)節(jié)流氣嘴后加熱。通過HYSYS建立模型[6]，如圖2所示。

圖2 加熱-節(jié)流地面流程

保證進(jìn)集氣管線前的壓力為6.5MPa，則集氣管線前的溫度應(yīng)高于對應(yīng)壓力下的水合物生成溫度，整理后的加熱-節(jié)流地面流程主要參數(shù)見表3。

表3 加熱-節(jié)流地面流程主要參數(shù)

(2)注抑制劑法防治水合物

用HYSYS軟件建立注醇節(jié)流地面流程，氣流在井口進(jìn)行一級(jí)節(jié)流后加注甲醇抑制劑，加注溫度為平均環(huán)境溫度16.1℃，加注壓力與一級(jí)節(jié)流后氣流壓力相同，模型如圖3所示。通過調(diào)節(jié)器模塊使進(jìn)集氣管線前的水合物生成溫度低于三級(jí)節(jié)流后的天然氣溫度，將甲醇的質(zhì)量流量設(shè)為可變參數(shù)進(jìn)行求解，當(dāng)工作制度為20×104m3/d時(shí)，得到甲醇注入量為11.72kg/h；工作制度為30×104m3/d時(shí)，甲醇注入量為9.194kg/h。

圖3 注醇-節(jié)流地面流程

(3)注抑制劑與加熱法聯(lián)合防治水合物

對于Y27氣井地面試氣流程，若試氣環(huán)境處于冬季低溫環(huán)境或初開井狀態(tài)，流程中更易生成水合物，故推薦采用注抑制劑法與加熱法聯(lián)合防治水合物更能適應(yīng)環(huán)境要求且使得流程更加可控，注醇加熱聯(lián)合法節(jié)流地面流程如圖4所示。

圖4 注醇加熱聯(lián)合法節(jié)流地面流程

以工作制度為20×104m3/d為例進(jìn)行模擬計(jì)算。保證進(jìn)集氣管線前的壓力為6.5MPa，加熱裝置可以調(diào)節(jié)進(jìn)集氣管線前氣流的溫度，模擬得到的三級(jí)節(jié)流后天然氣水合物的形成溫度為13.38℃，甲醇抑制劑的質(zhì)量流量為11.1kg/h。

(4)天然氣水合物抑制劑用量優(yōu)化

將抑制劑改為甲醇-乙二醇混合溶液，在醇類混合抑制劑組成中改變甲醇和乙二醇的比例，模擬計(jì)算得到混合溶液的質(zhì)量流量見表4，模擬后的主要參數(shù)見圖5。

圖5 注復(fù)合醇類抑制劑加熱聯(lián)合法節(jié)流地面流程

表4 不同配比混合抑制劑用量表

結(jié)合表4數(shù)據(jù)并考慮當(dāng)?shù)丶状己鸵叶純r(jià)格，由于甲醇價(jià)格較低約為2000元/噸，而乙二醇價(jià)格較高為6500元/噸，若單純從抑制劑成本考慮，單獨(dú)使用甲醇抑制劑經(jīng)濟(jì)性是最好的；若考慮甲醇的廢液處理和乙二醇的高回收率，則甲醇和乙二醇配比為6:4時(shí)為最佳配比，總量為11.70kg/h。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，除了使用最佳的抑制劑配比，還應(yīng)該綜合考慮作業(yè)的危險(xiǎn)性，以及設(shè)備使用維護(hù)等各個(gè)因素。

3.結(jié)論

（1）對Y27氣井試氣地面流程中井口壓力、井口溫度、天然氣組分中H2S含量等因素對水合物形成的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，提高井口溫度可有效防止水合物生成，Y27氣井組分中影響水合物產(chǎn)生主要因素為H2S含量。

（2）分別對加熱法、注入醇類抑制劑法以及注抑制劑與加熱聯(lián)合法這三種防治水合物方法進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，Y27井推薦采用注抑制劑法與加熱法聯(lián)合防治水合物更能適應(yīng)環(huán)境要求且使得流程更加可控。

（3）對Y27氣井試氣工作制度為20×104m3/d時(shí)注復(fù)合醇類抑制劑加熱聯(lián)合法地面流程主要參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，兼顧經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，采用復(fù)合抑制劑，并調(diào)整優(yōu)化甲醇與乙二醇比例，得到甲醇和乙二醇的最佳配比為6:4，總量為11.70kg/h。