松南氣田不同條件下冰堵機理及預防研究

劉立恒　馬國光　劉可可

摘 要：天然氣水合物的防治是一個多年來困擾生產的問題，松南氣田位于東北寒冷地區，冬季氣溫低，近年來極端天氣出現頻繁，天然氣在生產過程中有時會因天氣寒冷，管線有時仍會因保溫效果不佳，出現凍堵，從而影響對外供氣。針對上述問題，通過應用科學的實驗方法，準確測定天然氣水合物的生成條件，并篩選和評價抑制劑的抑制效果，從而為氣田的水合物防治工作提供科學依據。

關鍵詞：天然氣；水合物；冰堵機理

1 前言

松南氣田位于吉林省前郭縣查干花鎮境內，構造位置位于松遼盆地南部長嶺斷陷腰英臺深層構造，已探明天然氣地質儲量400×108m3以上，年產能規模將達到10×108m3以上。氣田產出天然氣為高含CO2天然氣，CO2含量達到了20%以上。松南氣田承擔著向長春、吉林、四平等大中城市的工業與民用天然氣的供應任務，經過城市天然氣管網，進入千家萬戶和一汽集團等數百家重點工業企業。

由于松南氣田位于東北寒冷地區，冬季氣溫低。加之近年來極端天氣出現頻繁，生產過程中有時會因天氣寒冷，井筒和地面高壓管線出現堵塞。雖然經過脫碳裝置脫除CO2后，水合物生成溫度可大為降低，但天然氣管線有時仍會因保溫效果不佳，出現凍堵。管線凍堵可能導致設備機械故障、氣井無法正常生產，從而影響對外供氣。

2 天然氣水合物形成原因

天然氣水合物是水與甲烷、乙烷、二氧化碳及硫化氫等小分子氣體形成的非化學計量性籠性結晶化合物。故又稱籠型水合物（clathrate hydrate）。目前已發現的水合物晶體結構有3種，習慣上稱為I型、II型和H型結構。形成水合物的水分子被稱為主體，形成水合物的其他組分被稱為客體。主體水分子通過氫鍵相連形成一些多面體籠孔，尺寸合適的客體分子可填充在這收籠孔中，使其具有熱力學穩定性。不同結構的水合物具有不同種類和配比的籠子。空的水合物晶格就像一個高效的分子水平的氣體存儲器。每立方米水合物可儲存160～180 m3天然氣和0.87 m3的水。在自然界中，水合物大多存在于大陸永久凍土帶和深海中。其所包絡的氣體以甲烷為主，與天然氣組成非常相似，常稱為天然氣水合物。

3 含抑制劑體系的天然氣水合物生成條件預測模型

抑制劑的加入會改變水和烴分子間的熱力學平衡條件，原有模型不再適用。應用杜亞和、郭天明所建立的天然氣水合物生成條件預測模型及其改進的PR狀態方程，并將UNIQUAC方程結合過剩自由能與活度系數的基本關系式，導出了含醇類抑制劑體系水活度系數γ的表達式，使其適用于含醇類抑制劑體系水合物生成條件的預測。應用左有祥、郭天民提出的新水合物熱力學模型，結合左有祥等改進的PT狀態方程，將模型推廣應用于含電解質體系的水合物生成條件預測。

通過以上實驗數據處理和模擬分析，我們可以得出以下初步結論：

（1）隨著實驗壓力的增加，同種氣樣生成水合物的溫度越高。在同樣的實驗壓力下，溫度越低，越容易形成水合物。

（2）隨著液樣礦化度的增加，同種氣樣生成水合物的溫度越低。主要原因在于地層水和配液中含有鹽類物質，其電離產生的離子在水溶液中產生離子效應，破壞了電離平衡，也改變了水合離子的平衡常數，進而降低水合物形成的溫度。因此，液樣的礦化度越高，其對水合物形成的抑制作用越大。

（3）天然氣組分是決定是否生成水合物的內在因素。在同種液樣中，組分組成不同的天然氣，二氧化碳含量越高，其形成水合物的溫度越高。

（4）在天然氣中加入甲醇可有效降低天然氣水合物生成溫度。實驗中，加入甲醇量占配制地層水量的20%（w），在同樣壓力下，使得天然氣水合物生成溫度降低8～10℃。

4 松南氣田水合物預測與預防技術措施

井下節流可以在井下形成一段地層加熱氣流的管段，有利于降低因井口節流或者集氣站壓降過大的節流降溫而引起的水合物危害。節流裝置位置越深，加熱段越長。井下節流可大大降低地面水套爐的加熱負荷，幾乎不再需要對節流而引起的溫降進行補償，水套爐將主要用于管線的保溫加熱。

采用井下節流工藝有利于提高天然氣出井溫度，降低冰堵的危害。水套爐加熱的目的也改為補償管線散熱損失，在夏天完全可以停用。因此，采用井下節流工藝具有防治水合物危害和節能的雙重作用。

地面井口高壓分水流程有一定的節能效果，特別是對于含水量較高的氣井，可節能10%以上。根據井口的壓力等級，天然氣壓力在20 MPa以上時，水合物生成溫度可達20℃左右，氣溫較低時，流動死角區域或者氣流出現突變時可能會引起冰堵。可通過注入甲醇的方式避免井口冰堵，理論注入量30～50 kg/方水即可。

節流后的集氣管線水合物生成溫度在11～14℃左右，壓力越高越容易生成水合物，但天然氣飽和含水量降低。如果工藝和管線保溫要求上允許，可通過提高分水壓力、降低分水溫度的方式降低集氣管線含水量。因此，水套爐出口天然氣溫度沒有必要過高，只要能夠保持節流降壓后溫度高于管線壓力下的水合物溫度即可。這還有利于節能。

5 小結

由于松南氣田氣井壓力較高，在井筒內生成水合物的溫度也較高，較易形成冰堵。例如，井口壓力26 MPa時，水合物生成溫度可達20～21℃。天然氣經過井口角閥調節流量后，水合物生成溫度有所降低，但天然氣溫度下降幅度更大。因此，在控制單井天然氣產量時，必須考慮角閥節流后天然氣溫度。如果角閥節流后天然氣溫度低于20℃，就有可能出現冰堵。單井生產時，如果有出現冰堵的傾向，工藝上允許時，可加熱井筒、提高產氣量或增加產水率來避免或減緩；如果工藝條件受限，可往井內注甲醇抑制。

參考文獻

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