氣田水合物治理及節(jié)能降耗措施

張偉東（大慶油田采氣分公司儲(chǔ)氣庫(kù)分公司）

天然氣是目前最環(huán)保的化石能源物質(zhì)，燃燒后產(chǎn)生的水和二氧化碳幾乎不產(chǎn)生危害，相對(duì)于煤和石油，是一種比較清潔環(huán)保的能源。在各大天然氣田生產(chǎn)過(guò)程和集輸過(guò)程中，常常會(huì)由于環(huán)境溫度過(guò)低、介質(zhì)含有水分、氣體介質(zhì)壓力過(guò)大而產(chǎn)生水合物。微觀上，這種固體是由一種分子侵入另一種分子結(jié)成的物理組合，然后形成了冰狀結(jié)構(gòu)[1]。水合物會(huì)附著在生產(chǎn)設(shè)備及輸送管道的內(nèi)壁上，并且逐漸積累聚集，它的出現(xiàn)會(huì)造成集輸管道發(fā)生冰堵事故，危害著天然氣的生產(chǎn)及運(yùn)輸，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)堵死管道，從而引發(fā)管道的爆炸，直接關(guān)系到天然氣的安全生產(chǎn)。所以，各油田技術(shù)人員都在著手解決水合物引發(fā)的問(wèn)題，并能夠兼顧油田節(jié)能降耗的總體方針目標(biāo)。

1 概述

天然氣水合物是一種固體晶體，氣體分子作為客體分子受困于籠狀的水分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中[2]。其分子式為CH4·8H2O，是一種天然氣中的小分子和水分子形成類似冰狀固態(tài)化合物。

1.1 天然氣水合物的形成

天然氣水合物通常是當(dāng)氣流溫度低于水合物形成的溫度時(shí)而形成的。在特定條件下，水分子通過(guò)氫鍵連接而構(gòu)成多面體籠子，天然氣分子被束縛在這種籠子里。當(dāng)穩(wěn)定的環(huán)境條件為低溫高壓時(shí)，這種水分子和天然氣分子構(gòu)成的固態(tài)物質(zhì)就會(huì)生成，天然氣分子和天然氣水合物分析模型見(jiàn)圖1。所以，天然氣水合物的形成條件主要有：液態(tài)水的存在、低溫和高壓。在氣田的天然氣生產(chǎn)和集輸過(guò)程中，在管道內(nèi)的天然氣壓力可以高達(dá)70 MPa以上，這就大大提高了天然氣水合物形成所需的溫度，固態(tài)的水合物可以在0℃以上時(shí)形成。不僅環(huán)境溫度和壓力對(duì)水合物的形成有著至關(guān)重要的影響，開采出的天然氣混合物組成也可以決定水合物形成的環(huán)境溫度。有研究表明，天然氣中CO2含量越高，天然氣水合物形成的溫度就越高[3]。同時(shí)，氣田天然氣集輸管道中形成的水合物，除了上述的三個(gè)基本條件因素外，還與氣井產(chǎn)量、管道的長(zhǎng)度參數(shù)（包括長(zhǎng)度和管道內(nèi)徑），管道中介質(zhì)溫度壓力變化，以及管道埋藏處地下環(huán)境溫度等相關(guān)聯(lián)。

圖1 天然氣分子和天然氣水合物分子模型Fig.1 Molecular model of natural gas and natural gas hydrate

1.2 天然氣水合物的危害

在自然界中形成的天然氣水合物是一種亟待開發(fā)的清潔能源，我國(guó)已經(jīng)在南海進(jìn)行了商業(yè)化的開采活動(dòng)，在天然氣水合物的勘探開發(fā)方面，我們已走在世界的前列。但是，如果天然氣水合物生成在天然氣開采和集輸過(guò)程中，將對(duì)氣田安全生產(chǎn)造成極大的危害。

1.2.1 水合物冰堵的產(chǎn)生

冰堵是指由于天然氣水合物產(chǎn)生并聚集在技術(shù)管道壁上，形成堵塞的固體物質(zhì)，水合物的性質(zhì)和狀態(tài)如同冰一般，所以，稱這種現(xiàn)象為“冰堵”。冰堵的形成機(jī)理比較復(fù)雜，大體上來(lái)講，是由兩種情況產(chǎn)生的。一是集輸管道中本身含有大量的自由態(tài)水，在寒冷地區(qū)的冬季會(huì)因氣溫低于0℃而結(jié)成冰；另一種情況是由于氣田開采和集輸管道中形成了天然氣水合物。后者在全國(guó)各大氣田生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)頻率較高。

在天然氣的開采和集輸過(guò)程中，管道中的溫度小于或等于水的露點(diǎn)溫度，氣態(tài)水會(huì)凝結(jié)為液態(tài)，這就滿足和水合物形成的第一個(gè)條件。另外，管道中的壓力往往很高，而且未被凈化處理的天然氣中含有大量的CO2，在這些條件的共同作用下，天然氣分子就會(huì)被壓入水分子形成的籠子結(jié)構(gòu)里，水合物就會(huì)形成，其外觀上與冰十分相近。因此，水合物大多形成于冬季，其生成的壓力范圍在3～10 MPa，且管道中的壓力越大則會(huì)形成溫度較高的水合物[4]。天然氣水合物形成后，會(huì)附著并聚集在管道中，經(jīng)過(guò)積累，就形成巨大的水合物“冰塊”，堵塞采氣和集輸管道，管道冰堵見(jiàn)圖2。

圖2 管道冰堵Fig.2 Pipeline ice plug

1.2.2 冰堵危害

我國(guó)大型的氣田以及輸氣管道處于北方，北方冬季寒冷，較低的溫度常常在使天然氣達(dá)到水露點(diǎn)，北方天然氣長(zhǎng)輸管道水含量和各壓力條件下對(duì)應(yīng)的冰露點(diǎn)見(jiàn)表1。

通過(guò)表1數(shù)據(jù)信息，北方的長(zhǎng)輸管道的冰露點(diǎn)在壓力中位數(shù)上已高于-20℃。特別在大慶油田，氣井輸氣管道壓力常常大于20 MPa，采出的濕氣含水量也遠(yuǎn)大于36.8%，這種情況下，水露點(diǎn)的溫度在0℃左右，如果沒(méi)有相應(yīng)的預(yù)防措施，水合物造成冰堵概率十分大。

表1 北方天然氣長(zhǎng)輸管道水含量和各壓力條件下對(duì)應(yīng)的冰露點(diǎn)Tab.1 Water content of long-distance natural gas transmission pipeline in the north and corresponding ice dew point under various pressure conditions

氣田運(yùn)輸天然氣的管道中形成冰堵以后，會(huì)給天然氣生產(chǎn)帶來(lái)諸多危害。首先，管道內(nèi)發(fā)生冰堵現(xiàn)象后，會(huì)直接堵塞管道的彎頭、閥門等管件，使管件和管道的橫截面積減小，從而減少了輸氣量，并使輸氣管道上游介質(zhì)壓力增加，而下游的介質(zhì)壓力降低，影響天然氣集輸管道的正常運(yùn)行。其次，冰堵發(fā)生在管道節(jié)流孔板部位，會(huì)使天然氣流量計(jì)量準(zhǔn)確性發(fā)生問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)影響貿(mào)易結(jié)算。再次，天然氣水合物造成的冰堵發(fā)生在管道系統(tǒng)中聯(lián)動(dòng)截?cái)嚅y部位時(shí)，系統(tǒng)控制單元無(wú)法收到檢測(cè)反饋信號(hào)，所以不能正確判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，容易造成誤關(guān)閥門的錯(cuò)誤操作。最后，冰堵還會(huì)造成管道的破裂，引發(fā)爆炸事故。

綜上所述，天然氣水合物形成的冰堵，對(duì)天然氣生產(chǎn)和集輸管道安全運(yùn)行都造成了巨大的危害。

1.3 治理措施

目前，針對(duì)天然氣水合物，我國(guó)各大氣田都采取了各種有效措施進(jìn)行治理，主要的治理方法包括：脫水法、保溫加熱法、降壓法、抑制劑法等。

1.3.1 脫水法

脫水法防治水合物的原理是除去引起水合物生成的水分子[5]。通過(guò)去除天然氣中的水分，降低天然氣水露點(diǎn)，避免天然氣中的氣態(tài)水凝結(jié)成自由水。經(jīng)過(guò)脫水后的天然氣雖然含水量很低，幾乎沒(méi)有自由水的存在，但是，這種脫水法不能確保天然氣管道內(nèi)存在的水，以及液烴相中的水分。所以，這種方法不能完全做到避免水合物的生成，有其局限性存在。

1.3.2 保溫加熱法

在天然氣輸送過(guò)程中，保持輸送壓力不變，可以通過(guò)提高管道內(nèi)天然氣的溫度，使溫度高于產(chǎn)生水合物的溫度，從而預(yù)防水合物的生成。主要采取的措施是輸氣管道伴熱，并采用保溫材料對(duì)管道進(jìn)行包裹，減少對(duì)外散熱。

加熱的措施一般有熱水伴熱、電伴熱等方法。熱水伴熱具有一定的經(jīng)濟(jì)性，但是，卻受限于管道里程，僅適用于里程短的管道。電伴熱是目前氣田防治水合物冰堵的主要措施，天然氣管道點(diǎn)拌熱系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 天然氣管道電伴熱系統(tǒng)Fig.3 Electric heat tracing system of natural gas pipeline

通過(guò)電伴熱系統(tǒng)可以補(bǔ)充管道、管體及設(shè)備的熱量損失，進(jìn)而預(yù)防管道堵塞[6]。這一系統(tǒng)通常包含了配電箱、電源接線盒、電纜線、電伴熱線、保溫材料等。其主要的優(yōu)點(diǎn)有：裝置構(gòu)成簡(jiǎn)單、電伴熱發(fā)熱均勻、響應(yīng)快速、不受管道長(zhǎng)度限制、不會(huì)污染環(huán)境等。但是，這種方法能耗比較大。

1.3.3 降壓法

降壓法是通過(guò)維持天然氣原油溫度下，降低天然氣管道輸氣壓力，從而使水合物生成所需的溫度降低到輸送溫度以下，此時(shí)，水合物無(wú)法生成。降壓法在原理上是可行的，但是，要通過(guò)降壓設(shè)備進(jìn)行管道降壓，直接影響到天然氣輸氣量，需要管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)對(duì)輸氣的上下游單位進(jìn)行協(xié)調(diào)，并不符合氣田天然氣生產(chǎn)的需求，這種方法使用較少。

1.3.4 化學(xué)抑制劑法

化學(xué)抑制劑法也是目前最常用的治理天然氣水合物的方法。這種方法可以在不需要改變天然氣管道運(yùn)行狀態(tài)的條件下，有效地抑制水合物的生成和聚集。通常的做法是向輸氣管道內(nèi)注入相應(yīng)量的化學(xué)藥品（主要是醇類），用于改變水分子和烴分子間的熱力學(xué)平衡條件，從而預(yù)防天然氣水合物的生成。醇類抑制劑的作用機(jī)理主要是加入后會(huì)使氣流中的水分溶于抑制劑中，改變水分子之間的互相作用，從而降低表面上水蒸氣分壓，改變了水分子與氣體分子的熱力學(xué)平衡條件[7]。這樣，管道內(nèi)天然氣在較低的溫度環(huán)境下水合物就無(wú)法形成。

現(xiàn)階段，全國(guó)各氣田廣泛使用的醇類化學(xué)抑制劑為甲醇、乙二醇等。在生產(chǎn)過(guò)程中，直接將甲醇等化學(xué)抑制劑添加到天然氣管道之中，這樣就可以將水合物形成的溫度降低，并且還能減少天然氣之中的水分含量，從而降低天然氣的水露點(diǎn)，直接抑制水合物的形成[8]。在使用過(guò)程中，甲醇有水溶性好、黏度低、作用迅速，液相部分能夠回收的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用預(yù)防水合物生成，管道解堵作業(yè)中。

2 節(jié)能降耗措施

治理天然氣水合物的技術(shù)也在不斷發(fā)展創(chuàng)新，各大氣田按照節(jié)能降耗、綠色發(fā)展的總體方針目標(biāo)為指引，在天然氣開采和集輸過(guò)程中防治水合物形成對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行造成的危害，持續(xù)推進(jìn)水合物治理過(guò)程工藝的節(jié)能降耗工作。

2.1 基于PID調(diào)節(jié)器的電伴熱技術(shù)

目前，氣田所使用的的電伴熱系統(tǒng)多數(shù)為恒定功率的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)通常都是按照設(shè)計(jì)的輸出功率進(jìn)行輸出，不會(huì)根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就造成了一些浪費(fèi)。所以，需要一種能夠根據(jù)天然氣溫度變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)的電伴熱系統(tǒng)來(lái)節(jié)約能源消耗。

2.1.1 PID調(diào)節(jié)器

PID調(diào)節(jié)器又稱為比例、微分、積分控制器，它分為數(shù)字PID調(diào)節(jié)器和模擬PID調(diào)節(jié)器[9]。其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，可以將被控制的量值與給定的設(shè)置量值之差進(jìn)行數(shù)學(xué)微積分、倍數(shù)運(yùn)算，再通過(guò)處理器對(duì)運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行累加，從而能夠合成相應(yīng)的控制信號(hào)，對(duì)電伴熱的執(zhí)行元件實(shí)施控制。PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)主要有：對(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度快；對(duì)執(zhí)行元件的控制調(diào)節(jié)迅速；能夠隨著測(cè)量的偏差信號(hào)變化趨勢(shì)而自我調(diào)節(jié)等。

PID調(diào)節(jié)器是近些年在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展最成熟的一種自動(dòng)控制技術(shù)，有著十分高的魯棒性，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)后，可以廣泛應(yīng)用在石油天然氣工業(yè)領(lǐng)域。

2.1.2 PID調(diào)節(jié)器在電伴熱的應(yīng)用

基于PID調(diào)節(jié)器的天然氣管道電伴熱系統(tǒng)主要由PID調(diào)節(jié)器、功率調(diào)節(jié)器、電伴熱帶、溫度傳感器及相應(yīng)的附屬設(shè)備組成。溫度傳感器是用于采集管道內(nèi)天然氣環(huán)境溫度的感應(yīng)性元件，設(shè)置于天然氣井井口，或者集輸管道閥口及管道中。溫度傳感器能將天然氣溫度所產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳輸至PID調(diào)節(jié)器。井口（閥口）的溫度信號(hào)與管道內(nèi)的溫度信號(hào)一同傳輸至PID調(diào)節(jié)器后，兩個(gè)溫度信號(hào)的差值由PID運(yùn)算單元進(jìn)行微分、積分、倍數(shù)運(yùn)算，累加后的輸出信號(hào)就可以作為控制執(zhí)行單元的控制信號(hào)。這個(gè)控制信號(hào)能夠?qū)﹄姲闊嵯到y(tǒng)的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)伴熱帶上施加的輸出電壓，而調(diào)節(jié)熱能輸出，基于PID調(diào)節(jié)器的電伴熱系統(tǒng)控制見(jiàn)圖4。

圖4 基于PID調(diào)節(jié)器的電伴熱系統(tǒng)控制Fig.4 Control of electric heat tracing system based on PID regulator

在原有的電伴熱系統(tǒng)上設(shè)置了PID調(diào)節(jié)器，可以對(duì)天然氣的環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)井口（閥口）和管道內(nèi)的溫度差值，以及相應(yīng)含水量的天然氣在運(yùn)行壓力下水露點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，就能夠運(yùn)算出維持水合物不出現(xiàn)的最低輸出功率。充分實(shí)現(xiàn)了天然氣電伴熱的自動(dòng)化控制，有效避免了天然氣在開采和集輸過(guò)程中水合物冰堵危害。

2.1.3 能耗對(duì)比

基于PID調(diào)節(jié)器的電伴熱系統(tǒng)，根據(jù)晝夜不同時(shí)段環(huán)境溫度變化及季節(jié)氣溫變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整電伴熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)[10]。依靠天然氣溫度信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電伴熱的自動(dòng)控制。該技術(shù)在東北某氣田進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，該氣田處于溫帶大陸性氣候，全年平均溫度日間11℃，夜間0℃，全年冰線以下天數(shù)為143 d左右，這種氣候促使天然氣開采和集輸過(guò)程需要電伴熱的天數(shù)為130 d，改造升級(jí)為PID調(diào)節(jié)器，某集氣站電伴熱系統(tǒng)改造前后能耗對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 某集氣站電伴熱系統(tǒng)改造前后能耗對(duì)比Tab.2 Comparison of energy consumption before and after reconstruction of electric heat tracing system in a gas gathering station

通過(guò)表2所示，此集氣站通過(guò)PID調(diào)節(jié)器，根據(jù)天然氣環(huán)境溫度的變化，調(diào)整電伴熱輸出功率，有效避免了入冬和開春前溫度變化造成的電能消耗，全年能夠節(jié)電36.3%，效果明顯。

2.2 動(dòng)力學(xué)抑制劑技術(shù)

動(dòng)力學(xué)抑制劑是通過(guò)降低水合物的成核速率延緩乃至阻止臨界晶核的生成、干擾水合物晶體的優(yōu)先生長(zhǎng)方向及影響水合物晶體定向穩(wěn)定性等方式抑制水合物的生成。目前，科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了酰胺類、酮類、亞胺類等多種類抑制劑。動(dòng)力學(xué)抑制劑可以保證天然氣在生產(chǎn)和集輸過(guò)程中溫度、壓力和水相組成不變的前提下，依據(jù)天然氣含水量，加入適量的動(dòng)力學(xué)抑制劑，就能保持恒定的抑制效果。理論上，動(dòng)力學(xué)抑制劑的適用溫度可以低至100℃，能夠滿足全國(guó)各大陸上油氣田，以及大部分海上氣田防治水合物冰堵的需要。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)天然氣水合物的形成所需的三個(gè)條件加以控制，就能最大限度地對(duì)水合物進(jìn)行防治。對(duì)天然氣輸氣管道加溫是預(yù)防水合物冰堵危害最為直接有效的方式。在氣田集氣站對(duì)電伴熱系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制改造，可以依靠溫度傳感器測(cè)量的天然氣溫度信號(hào)，對(duì)電伴熱系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行控制，使輸出功率與天然氣溫度進(jìn)行匹配，避免了在不能形成天然氣水合物的溫度下，持續(xù)對(duì)管道進(jìn)行加熱而浪費(fèi)電能，效果明顯。另外，新型的動(dòng)力學(xué)抑制劑所適用的溫度范圍更廣，各油氣田也應(yīng)引入，廣泛應(yīng)用，配合電伴熱系統(tǒng)共同維護(hù)采氣和集輸管道的安全運(yùn)行。