基于熱力學模型法的天然氣水合物預測軟件設計與應用

張群

(中海油能源發展股份有限公司實驗中心,廣東 湛江 524057)

王松

(長江大學化學與環境工程學院,湖北 荊州 434023)

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基于熱力學模型法的天然氣水合物預測軟件設計與應用

張群

(中海油能源發展股份有限公司實驗中心,廣東 湛江 524057)

王松

(長江大學化學與環境工程學院,湖北 荊州 434023)

在一定的溫度和壓力條件下，天然氣和液態水會在油氣開采、試油、儲運、加工等過程中形成天然氣水合物，若不及時處理，會嚴重影響正常的生產作業。針對長慶油田在試油過程中地面管道易形成天然氣水合物的實際情況，對常見的天然氣水合物形成的預測模型進行了優選，選用熱力學模型法預測水合物的生成條件,采用ACCESS數據庫和Microsoft Visual Studio 2008進行編程，大大縮短了軟件的開發周期，提高了軟件的性能。使用該預測軟件在川慶鉆探井下作業公司進行了13口井的現場試驗，預測結果和實際情況相比較準確率達到90%以上。以蘇東59-C2井為例，演示了操作界面，界面清晰簡單，方便操作，說明該軟件達到了實際生產中的需要。

天然氣水合物；熱力學模型；軟件設計；預測結果

在石油與天然氣開采、試油、加工和運輸過程中，若溫度和壓力適宜，天然氣與液態水會形成天然氣水合物。這些水合物可能會堵塞井筒、管線、閥門和設備，從而影響油氣的開采、試油、集輸和加工的正常作業。若在試油過程中形成，一方面水合物會改變地層流體流向井筒的滲流規律，使油氣井的產量降低，另一方面在地面管匯處形成水合物，會嚴重影響試油結果評價。因此，有必要優選水合物形成的預測模型，研制一套試油過程中預測水合物形成的HCS軟件，從而為避免形成水合物優選出更好的抑制劑[1～4]。

1　天然氣水合物預測方法優選

預測天然氣水合物生成溫度和壓力的方法較多，各有特點，主要可以分為經驗圖解法、經驗公式法、相平衡計算法以及熱力學模型法等[5～8]。

經驗圖解法是通過不同密度的天然氣水合物形成溫度和壓力的關系曲線，預測氣體水合物生成條件的方法。通過溫度-壓力曲線圖可以查出水合物形成的壓力和溫度，準確率可達到90%以上。該方法操作簡單，但誤差較大。

經驗公式法通過分析大量的實驗數據，得出水合物溫度與壓力的經驗公式，根據經驗公式計算出天然氣水合物的生成壓力。常用的方法有波諾馬列夫法等。該方法簡單易行，便于簡單預測。

相平衡計算法把水合物看做是氣體溶解于固體中而形成的類似固體的溶液，通過引入氣-固相平衡常數K，計算天然氣水合物生成條件。該方法計算簡單，預測的結果誤差也較大。

熱力學模型法利用統計熱力學算法，推導出預測天然氣水合物生成條件的統計熱力學算法。熱力學模型法推導嚴密，適用于計算機編程，是一種計算較準確的方法。

相對來說，熱力學模型計算比較精確嚴密，筆者選用該方法來預測水合物的生成條件。

2　熱力學模型法

水合物體系中通常包含氣相、冰相或富水相、水合物相，根據相平衡理論可知，平衡時多組分體系中，在各相中的每一組分的化學位相同。對于組分水，水在冰相或富水相α中的化學位等于水在水合物相K中的化學位，即：

(1)

假定水合物晶格空腔未被水分子占據，水存在于完全空的水合物相β中，則式(1)可以寫成：

(2)

由此可知，表述固態水合物相的熱力學模型與表述與其同時存在的富水相熱力學模型共同組成了預測水合物生成的熱力學模型。

Platteuw和Van der Waals按照水合物晶體結構的特點，提出來水合物熱力學模型。在Langmuir吸附理論基礎上，用統計熱力學方法計算填充晶格和水合物晶格相態之間的化學位差的化學式：

(3)

(4)

計算混合物中i組分的逸度用SRK狀態方程和混合規則：

(5)

式中, xj為水合物相中組分j的摩爾分數；yi為氣體混合物中i組分的摩爾分數；kij為交互作用參數；ai、bi、a、b均為實驗擬合數據；T為溫度；P為壓力；Z為壓縮因子。

3　預測軟件設計

為了使編寫的軟件能快速穩定的運行，編寫程序的時候采用了ACCESS數據庫并結合Microsoft Visual Studio2008進行開發，開發語言采用便捷的C#，這樣大大提高了軟件開發的效率，縮短了軟件開發的周期，并且提高了軟件性能。水合物預測軟件的目的主要是將天然氣水合物形成的條件模型化，并利用計算機的高效運算來實現在已知溫度情況下對水合物形成壓力進行預測，為在試油工作中避免水合物的形成提供參考。

該預測軟件共有4個核心模塊，分別為主窗體、數據輸入、結果預測和畫圖。主窗體的作用是使各個子模塊數據進行交換；數據輸入模塊主要是完成初始數據的輸入工作，具體包括：水合物結構類型的選擇、水合物的組分、水合物溫度的初始數據、實際工況壓力、抑制劑的選擇；結果預測模塊完成根據輸入數據進行的相關計算得出預測壓力；畫圖模塊則完成溫度區間內根據步長和輸入數據形成的水合物溫度壓力的相態曲線。軟件系統以界面操作友好和實用為目的，兼顧系統的穩定。軟件設計框架圖如圖1所示。

4　現場應用

圖1　軟件設計框架圖

在川慶鉆探井下作業過程中進行了13口井的現場試驗，預測結果與實際情況相比，其準確性達到90%以上。在現場應用過程中，根據軟件預測提供的方案，采取相應的預防措施，有效地避免了地面試油過程中水合物的形成，使得試油作業順利完成。

以蘇東59-C2井為例，氣相組分(摩爾分數)如下：CH4(90.55%)、C2H6(3.90%)、C3H8(1.18%)、CO2(4.37%)。根據實際工況條件，按要求輸入相應的參數，就可以得到圖2所示的預測結果。

其水合物相態曲線如圖3所示。在計算中,把影響因子很小的H2、He、N2都歸到CO2，曲線以上部分為生成水合物區域，曲線以下部分為未生成水合物區域。

除了對水合物形成進行預測外，還可以對添加了抑制劑后的某個溫度區間的相態曲線進行分析，此時需要輸入溫度區域內的“終止值”和“步長”，點擊“相態曲線”。設置初始溫度是280.15K，初始壓力為7MPa。加入抑制劑：質量分數為6.7%的氯化鈉(6.7g/100ml)+質量分數為10.1%的乙醇(10.1ml/100ml)。操作界面如圖4所示。

圖2　預測結果界面

圖3　相圖分析 (橫坐標為溫度，K;縱坐標為壓力，MPa)

相態曲線界面如圖5所示，圖中藍色曲線為純氣體曲線，可視為對比曲線；紅色曲線以上部分為生成水合物區域，紅色曲線以下部分為未生成水合物區域。

圖5　相態曲線界面(橫坐標為溫度，K;縱坐標為壓力，MPa)

預測完畢后關閉曲線窗口，回到如下界面。再點擊“退出”即可退出該軟件。

5　結論

1) 通過對目前4種天然氣水合物預測模型的對比分析，優選出研究方法為熱力學模型法。

2) 利用VC#2008成功開發了天然氣水合物形成預測軟件，且界面操作界面友好。在軟件的設計中采用ACCESS2007設計數據庫，使得相應輸入數據和靜態參數存儲在數據庫中，方便軟件開發和用戶的操作體驗。預測結果與實際數據的符合情況良好，可以進行壓力預測和相態曲線分析，還提供抑制劑類型的選擇，并結合實際情況推薦水合物抑制劑的加量，對試油作業過程中預防水合物的形成具有一定的指導作用。

[1]Swanson T A.The successful use of both kinetic hydrate and paraffin inhibitors together in a deepwater pipeline with a high water cut in the gulf of Mexico[J].SPE 93158,2005.

[2] 雷玲琳，石曉櫳.天然氣水合物抑制技術研究進展[J].西部探礦工程，2013，25(6)： 87～89.

[3] 劉書杰,李相方.新型天然氣水合物動力學抑制劑體的研究與性能評價[J].中國海上石油,2015,27(6):69～73.

[4]倪婷,王鵬飛.新型天然氣水合物抑制劑的研究[J].石油化工,2015,44(9)：1057～1060.

[5] Malcolm A K, Svartas T M. Gas hydrate anti-agglomerant properties of polypropoxylates and some other demulsifiers[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2009,64:1～10.

[6] 張亮,張崇,黃海東，等.深水鉆完井天然氣水合物風險及預防措施——以南中國海瓊東南盆地QDN-X井為例[J].石油勘探與開發,2014,41(6):755～762.

[7]伊海暉,夏蘇疆.高壓油氣井地面測試安全監控技術[J].中國石油和化工標準與質量,2014,34(12):144.

[8]李中,楊進,陳光勁,等.高溫高壓井測試水合物預測分析[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報),2011,32(2):354～356

[編輯]洪云飛

2016-04-23

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA064803)。

張群(1983-)，男，工程師，現從事鉆井液與完井液方面的研究工作；通信作者：王松，wangs_2008@sina.com。

P744.4

A

1673-1409(2016)22-0033-05

[引著格式]張群,王松.基于熱力學模型法的天然氣水合物預測軟件設計與應用[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(22)：33～37.