天然氣水合物的危害及預防措施

張思勤

摘 要：天然氣水合物的形成條件包括液相水的存在、足夠高的壓力和足夠低的溫度、以及流動條件突變等；針對天然氣水合物的形成條件提出了常用的預防措施，并詳細介紹了現場常用的化學抑制劑用量的計算方法。

關鍵詞：天然氣水合物；液相水；臨界溫度；冰堵；抑制劑用量

一、水合物的危害

（1）水合物在管道中形成，會造成堵塞管道、減少天然氣的輸量、增大管線的壓差、損壞管件等危害，導致嚴重管道事故；（2）水合物是在井筒中形成，可能造成堵塞井筒、減少油氣產量、損壞井筒內部的部件，甚至造成油氣井停產；（3）水合物是在地層多孔介質中形成，會造成堵塞油氣井、減低油氣藏的孔隙度和相對滲透率、改變油氣藏的油氣分布改變地層流體流向井筒滲流規律，這些危害使油氣井的產量降低。

二、水合物形成的主要條件

（1）液相水的存在是產生水合物的必要條件。天然氣的含水量處于飽和狀態，天然氣中的含水汽量處于飽和狀態時，常有液相水的存在，或易于產生液相水。（2）壓力和溫度，當天然氣處于足夠高的壓力和足夠低的溫度時，水合物才可能形成。天然氣中不同組分形成水合物的臨界溫度是該組分水合物存在的最高溫度。此溫度以上，不管壓力多大，都不會形成水合物。（3）流動條件突變， 在具備上述條件時，水合物的形成，還要求有一些輔助條件，如天然氣壓力的波動，氣體因流向的突變而產生的攪動，以及晶種的存在等。

三、防止水合物形成的措施

（1）脫除天然氣中的水分，給天然氣脫水處理，去除或減少天然氣中的水分含量，現場中天然氣集輸一般都建有天然氣脫水裝置。天然氣在地層溫度和壓力條件下含有飽和水汽，天然氣的水汽含水量取決于天然氣的溫度、壓力和組成等條件。天然氣含水汽量，通常用絕對濕度、相對濕度和水露點來表示。（2）提高天然氣的流動溫度，加熱，保證天然氣整個集輸流程中溫度總是高于形成水合物的臨界溫度。（3）向氣流中加入天然氣水合物抑制劑以降低形成水合物的臨界溫度，在選擇水合物抑制劑方法之前，整個操作系統應該是最優化的，以使必須的處理過程減至最少。

四、天然氣水合物抑制劑的選擇

通常在天然氣集輸系統采取加熱法和注抑制劑法防止水合物形成。可以用于防止天然氣水合物生成的抑制劑分為有機抑制劑和無機抑制劑兩類。有機抑制劑有甲醇和甘醇類化合物；無機抑制劑有氯化鈉、氯化鈣及氯化鎂等。

天然氣集輸礦場主要采用有機抑制劑，這類抑制劑中又以甲醇、乙二醇和二甘醇最常使用。甲醇適用于氣流溫度不低于

-85℃，且壓力較高的場合；當氣流溫度不低于-25℃，宜用二甘醇；當氣流溫度不低于-40℃，宜用乙二醇。廣泛使用的天然氣水合物抑制劑有甲醇和甘醇類化合物，如甲醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇。所有這些化學抑制劑都可以回收和再次循環使用，但在大多數情況下，回收甲醇的經濟性是很差的。甲醇可溶于液態烴中，其最大質量濃度約3% 。甲醇具有中等程度的毒性，可通過呼吸道、食道及皮膚侵入人體，甲醇對人中毒劑量為5～

10毫升，致死劑量為30毫升，空氣中甲醇含量達到39～65毫克/米3時，人在30～60分鐘內即會出現中毒現象，因而，使用甲醇防凍劑時應注意采取安全措施。

五、抑制劑用量的計算

注入集氣管線的抑制劑一部分與管線中的液態水相溶，另一部分揮發至氣相，消耗于前一部分的抑制劑，稱為抑制劑的液相用量，用W1表示。進入氣相的抑制劑不回收，因而又稱氣相損失量，用Wg表示，抑制劑的實際使用量Wt 為二者之和，即天然氣水合物形成溫度降主要決定于抑制劑的液相用量。

單位時間系統產生的液態水量WW，包括單位時間內天然氣凝析出的水量和由其它途徑進入管線和設備的液態水量之和（不包括隨抑制劑而注入系統的水量）。天然氣凝析水量，對于集輸氣管線可根據集輸氣管起點條件和集輸氣管的操作條件（對于節流過程則根據節流閥前和節流閥后的條件），按有關公式和圖表計算出。

抑制劑用于氣相蒸發的實際蒸發用量。甘醇類防凍劑氣相蒸發量較小，一般估計為3.5升/百萬標米3天然氣，可取為4公斤/百萬標米3天然氣。但甘醇類抑制劑的操作損失，主要是再生損失，凝析油中的溶解損失及甘醇與凝析油和水分離時因乳化而造成的攜帶損失等。甘醇在凝析油中的溶解損失一般為0.12～0.72升/米3凝析油，多數情況為0.25升/米3凝析油（約為0.28公斤/米3凝析油），甘醇抑制劑在含硫凝析油中的溶解損失約為不含硫凝析油的三倍。

甲醇的氣相蒸發量可由圖表查出，根據抑制劑使用環境的壓力和溫度，可查出每百萬標米3天然氣中甲醇的蒸發量（公斤/百萬標米3）與液相甲醇水溶液中甲醇的重量百分濃度之比值，每百萬標米3天然氣的甲醇蒸發量Wg按下式計算：），甲醇的氣相蒸發量Wg（換算到礦場注入系統的甲醇溶液濃度下的用量）按下式計算： Kg/d。 式中C1為礦場使用的甲醇溶液中有效成分的質量百分濃度，Q為天然氣流量，標米3/日，α值可由圖表中查出。

抑制劑可采用自流或泵送兩種方式。自流方式采用的設備比較簡單，但不能使抑制劑連續注入，且難于控制和調節注入量；采用計量泵泵送，可克服以上缺點，而且抑制劑通過噴嘴噴入、增大了接觸面，可獲得更好的效果。