天然氣低溫固相析出實驗測試與模擬計算

張利明　王小強　楊詩妍　圖孟格勒　顏　雪

1. 中國石油塔里木油田公司質(zhì)量檢測中心,　新疆　庫爾勒　841000; 2. 中國石油塔里木油田公司庫車油氣開發(fā)部,　新疆　庫爾勒　841000

0　前言

西部某高溫高壓氣田處理廠,在天然氣脫水過程中,原料氣需通過J-T閥降溫后進入低溫分離器分離,當原料氣通過J-T閥后,溫度降低,造成液相、固相析出,該固相析出物在常溫常壓下呈晶片狀。由于分離器中析出液相較少,不足以溶解或者帶走析出的固相,造成部分固相附著于管壁,影響了氣流的通過,嚴重時會造成分離器堵塞,增加了設(shè)備運轉(zhuǎn)負荷和處理廠運行風(fēng)險。

目前,某些處理廠會只析出液相或者液相和固相均析出,這種情況下,固相會懸浮或者溶解在液相中一起排出,不會造成分離設(shè)備堵塞。天然氣處理廠中只析出固相的情況較少,而只析出固相會堵塞分離器元件,增加處理廠運行風(fēng)險,因此,需要測定天然氣低溫固相析出點,為天然氣處理廠工藝設(shè)計提供依據(jù)。梅海燕等人[1]建立了油氣體系氣、液、固三相相平衡計算模型；向敏等人[2]建立了原油中瀝青沉積模擬計算；劉合年等人[3]觀察了高含蠟?zāi)鰵夤滔喑练e相變特征；張利明、楊帆、畢建霞等人[4-6]通過軟件模擬,計算了天然氣固相析出點,但未開展相關(guān)實驗測定天然氣固相析出點；王文珍等人[7]通過PR方程計算了環(huán)己烷在天然氣液化過程中固相析出規(guī)律,但未研究多種重?zé)N固相析出規(guī)律。而實際生產(chǎn)中天然氣組分更加復(fù)雜,不僅含環(huán)己烷、苯等重?zé)N,有些還缺少C2、C3這些輕組分烴。目前對于這種直接析出固相的天然氣中氣、液、固相平衡研究還比較少[8-20]。以真實高溫高壓氣田處理廠原料氣為研究對象,進行組分、固相析出點測試實驗,建立出天然氣低溫條件下固相析出實驗方法,測定天然氣中固相的析出溫度,并采用軟件模擬計算,得到天然氣在不同溫度、壓力下氣相、液相、固相分布規(guī)律。本研究可以為天然氣處理廠工藝改造提供可靠的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù),也可為類似天然氣處理廠工藝設(shè)計提供參考。

1　實驗設(shè)計與原理

1.1　實驗流體

圖1　低溫分離器固相取樣

表1低溫分離器固相組分組成

固相組分含量x/(%)C124.674 0C134.035 9C1468.418 0C152.524 1C164.860 0C172.430 0C189.182 0其它3.876 0

表2原料氣組分組成

原料氣組分含量x/(%)C198.958 0C2～C60.994 0C7～C120.036 2C130.000 3C140.000 2C150.002 2C160.000 5其它0.008 6

1.2　實驗裝置

根據(jù)現(xiàn)場分離條件,自行設(shè)計天然氣固相析出實驗裝置,天然氣固相析出實驗裝置見圖2,該裝置主要由減壓閥、低溫水浴(-40～150℃)、巖心夾持器和氣體流量計組成,采用不同低滲巖心(滲透率分別為0.000 05、0.000 10、0.006 50 μm2,下文以1號巖心、2號巖心、3號巖心表示)裝于巖心夾持器中,天然氣在遇低溫、低滲巖心管后會降溫,溫度降到一定程度后,天然氣中固相組分會析出,從而降低低滲巖心的滲透率,增大巖心兩端的壓差。

圖2　天然氣固相析出實驗裝置流程圖

1.3　實驗項目及過程

1)將1號巖心稱重,將巖心放置于夾持器后浸泡在低溫水浴中,連接輸氣管道氣體取樣口與低滲巖心夾持器。

2)將水浴溫度設(shè)置到30℃,打開進氣閥門,將入口氣體壓力設(shè)定至6.5 MPa,記錄出口壓力和氣量,連續(xù)測試。

3)將水浴溫度降低5℃,重復(fù)步驟2),直至出口壓力出現(xiàn)明顯下降,記錄各測試點溫度,取出巖心,稱重。

4)重復(fù)步驟1)～3),依次更換2號巖心、3號巖心。

2　結(jié)果與討論

2.1　巖心兩端壓差變化

共利用該處理廠原料氣進行了3塊不同滲透率巖心兩端壓差隨溫度的變化實驗,結(jié)果見圖3。可以看出,三塊不同滲透率巖心兩端壓差隨溫度降低有一個突變點,說明在該突變點天然氣中固相已經(jīng)析出,增大了巖心的滲透率。三塊巖心對應(yīng)溫度點分別為5、0、-15℃,這是由于巖心滲透率不同,對固相析出的敏感度不同,巖心滲透率越低對析出物越敏感,固相析出溫度與巖心滲透率成負相關(guān)關(guān)系,應(yīng)取滲透率最低的1號巖心溫度突變點作為該原料氣固相析出點,析出溫度為5℃。測試完畢后稱量巖心夾持器質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)實驗前后巖心夾持器質(zhì)量沒變,說明巖心管中析出物質(zhì)量很少,無法進行定量實驗測定。

a) 1號巖心

b) 2號巖心

c) 3號巖心圖3　不同滲透率巖心兩端壓差隨溫度變化

2.2　天然氣固相沉積模擬計算

利用組分數(shù)據(jù)和實驗測得的固相析出點數(shù)據(jù),應(yīng)用PVTsim軟件對原料氣進行氣-液-固三相分布規(guī)律模擬,結(jié)果見圖4。根據(jù)模擬結(jié)果,在壓力和溫度不同的情況下,原料氣分為純氣相區(qū),氣、固兩相區(qū),氣、液兩相區(qū)和氣、固、液三相區(qū)共四個區(qū)域,其中,在6.5 MPa下實測固相析出點為5℃,實驗測試固相析出點與模擬固相析出線較為吻合。可根據(jù)氣體所處相應(yīng)條件判定流體狀態(tài)。如分離器壓力為6.5 MPa,溫度為-15℃條件下,對應(yīng)天然氣處于氣、液、固三相區(qū),天然氣會先直接析出固體,隨著溫度降低再析出液體,但液量較少,不足以攜帶走沉積的固相,有堵塞裝置的風(fēng)險,該圖可為天然氣處理廠工藝改造提供可靠的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

圖4　天然氣固相析出模擬圖

3　結(jié)論

1)西部某高溫高壓氣田處理廠原料天然氣含有C12～C14重?zé)N組分,這些重?zé)N組分會在低溫下析出,影響裝置的正常運行。

2)固相析出溫度與巖心滲透率成負相關(guān)關(guān)系,巖心滲透率越低對析出物越敏感,測試固相析出溫度應(yīng)采用低滲巖心。

3)在現(xiàn)場低溫分離器壓力為6.5 MPa,溫度為-15℃條件下,天然氣處于氣、液、固三相區(qū),天然氣會先直接析出固體,隨著溫度降低再析出液體,但液量較少,不足以攜帶走沉積的固相,有堵塞裝置的風(fēng)險。