氣田水合物治理及節(jié)能降耗措施研究

左 敏

[中海石油（中國）有限公司深圳分公司,廣東深圳 518051]

氣田開采過程中，氣田水合物會形成堆積到輸氣管道、存儲層、設(shè)備中，導(dǎo)致輸氣管道堵塞、存儲層損害，以及生產(chǎn)設(shè)備的損壞，使得氣田開采作業(yè)難以順利開展，因此需根據(jù)氣田實際情況，采取合理的治理方法，清除已經(jīng)生成的水合物，并抑制后續(xù)開采過程中水合物的生成，由此減少水合物堆積對氣田作業(yè)產(chǎn)生的影響，同時在治理過程中，注意做好節(jié)能降耗措施，以提高水合物治理工作的效率和效果。

1 氣田水合物概述

氣田水合物，即CH4·8H2O 是指天然氣與水分子在＞0.9 MPa、＜20 ℃的氣田環(huán)境中相互作用形成的水合物。氣田水合物中包含大量的水分子，但這些水分子并不是以自由態(tài)存在，而是被固定在一定的晶格結(jié)構(gòu)中，這讓氣田水合物的水分子結(jié)構(gòu)極為特殊。雖然氣田水合物能夠呈現(xiàn)出固體性質(zhì)，但相對于常見的固體，其結(jié)構(gòu)更加松散。一般而言，氣田化合物通常形成于氣田的儲層、輸氣管道和采氣設(shè)備中，且會逐漸積累，最終導(dǎo)致管道堵塞、儲層損害、生產(chǎn)設(shè)備損壞等問題，嚴(yán)重影響了氣田的開發(fā)和生產(chǎn)。因此，需要做好氣田水合物的治理工作，以減輕水合物為氣田生產(chǎn)帶來的能耗、設(shè)施損耗等問題，提升氣田生產(chǎn)水平[1]。

2 氣田水合物治理研究

2.1 物理治理

就目前來看，物理治理作為氣田水合物的有效治理方法類型，通過物理手段將堆積在設(shè)備、存儲層、輸配管道中的氣田水合物予以定期的清除，可以保持氣田作業(yè)體系的良好運作狀態(tài)，提升氣田生產(chǎn)水平。在物理治理中，可使用的措施種類比較多，包括加熱、抽采、打撈等，需要根據(jù)實際情況、需求加以選用，以保證物理治理的效果[2]。

在此過程中，加熱處理是一種常用的氣田水合物治理方法。該方法主要是通過提高天然氣的溫度，破壞水合物的形成條件，從而防止水合物的形成。該方法支持多種加熱方式，如熱水循環(huán)、電熱加熱、熱水袋加熱等，操作相對簡單，而且還具有成本低的優(yōu)點，但在加熱過程中，可能會出現(xiàn)加熱不均勻、對管線造成腐蝕等情況。因此在實際操作中，需要根據(jù)實際情況，按照天然氣組分形成水合物的臨界溫度，見表1，進行加熱溫度設(shè)置，以避免溫度過高，損傷氣田作業(yè)設(shè)施，也防止溫度過低導(dǎo)致效果不理想[3]。除了加熱以外，機械打撈、抽采處理，也是適用于氣田水合物治理的物理方法。其中在機械打撈上，可以使用井底刮器，將氣田井下的水合物，以及其他雜物打撈刮除，或者使用專門的管道打撈工具，對管道中堆積的水合物進行清除，但這種方法主要適用于水合物堵塞嚴(yán)重的情況，且此方法的使用對于要求較高，操作難度也較大，同時也容易對管道造成損傷。而抽采處理法則是在抽取天然氣的過程中，通過對井筒進行加熱、加壓等處理，破壞水合物的形成條件，從而去除天然氣中已形成的水合物，避免水合物堵塞運輸管道、損壞配套設(shè)施。這種物理方法能夠在很大程度上保護運輸管道、設(shè)備等設(shè)施免受水合物的影響，但此方法也會讓抽采量受限，而且可能對地層造成影響，因此不適用于抽采量較大、地層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的情況[4]。

表1 天然氣組分形成水合物的臨界溫度

2.2 化學(xué)治理

在氣田水合物的治理中，化學(xué)治理也是常用的治理方法類型。就目前來看，化學(xué)治理方法的思路主要有以下幾種：

（1）通過改變氣藏的物理性質(zhì)，降低水合物形成的可能性，達(dá)到水合物治理的目的。在這種思路下，常見的化學(xué)治理措施為化學(xué)吸附法，借助吸附劑的化學(xué)反應(yīng)，讓吸附劑表面的未飽和化學(xué)鍵，與天然氣之間發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移與重新分布，由此使水與天然氣分離，破壞水合物的形成條件。在此過程中，需要根據(jù)公式如下，進行吸附劑的用量等方面的控制，以保證治理效果。

式中，φ為相對濕度；e為實際含水量；es為天然氣與水平衡時的水含量。

（2）通過改變采氣方式和采氣速度等參數(shù)，避免為水合物提供化學(xué)反應(yīng)生成條件，以降低水合物形成的概率。在此過程中，考慮到采氣速度過快可能導(dǎo)致溫度下降過快，從而促進水合物的形成。因此，需要合理安排采氣速度，以保持穩(wěn)定的溫度和壓力條件。而且不同的采氣方式對氣藏的壓力、溫度等參數(shù)也有不同的影響，因此也要選擇合適的采氣方式，以減少水合物形成的風(fēng)險。此外，氣候也可能為水合物的生成反應(yīng)提供溫度條件，也要合理選擇生產(chǎn)時間，并在溫度較低的季節(jié)，應(yīng)盡量減少采氣量，以避免水合物的形成。

（3）通過向天然氣中添加化學(xué)藥劑，以預(yù)防、抑制水合物的生成。在此過程中，常用的化學(xué)藥劑類型包括，乙二醇、甲醇等，常見的化學(xué)藥劑見表2。

表2 常見防止、抑制水合物生成的化學(xué)藥劑表

（4）通過向天然氣中添加化學(xué)藥劑，以分解已經(jīng)形成的水合物，達(dá)到氣田水合物治理的效果。在此過程中，可以先向天然氣中加入一些動力學(xué)抑制劑有聚合物、表面活性劑等，然后結(jié)合加熱技術(shù)，提高天然氣的溫度為水合物的化學(xué)分解反應(yīng)提供條件，由此將已經(jīng)形成的水合物分解，同時抑制后續(xù)水合物形成反應(yīng)的發(fā)生，實現(xiàn)水合物治理。

2.3 技術(shù)治理

在氣田水合物的治理中，技術(shù)治理通過采用先進的技術(shù)手段，如超聲波、微波等，破壞水合物的晶格結(jié)構(gòu)，從而避免水合物的形成和積累，達(dá)到水合物治理的效果。其中，超聲波法是一種利用超聲波能量破壞天然氣水合物晶格結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)水合物分解治理的技術(shù)治理方法。此方法的操作一般包括4個步驟。①在氣田現(xiàn)場安裝超聲波發(fā)生器、管道和收集設(shè)備等，并進行調(diào)試和測試。②通過超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻聲波，并使用管道將聲波傳遞水合物堆積堵塞的位置，讓其受到聲波的振動和沖擊。③待水合物結(jié)構(gòu)損壞，并分解成天然氣和水之后，通過管道將天然氣收集起來。④將收集的天然氣加以處理，輸送存儲或使用地點。總體來說，超聲波法可以快速破壞水合物的晶格結(jié)構(gòu)，提高治理效率，且不需要使用化學(xué)藥劑或高溫高壓等有害物質(zhì)，對環(huán)境影響也比較小。但超聲波法所需的設(shè)備成本高、技術(shù)難度大，且要求高精度控制，同時對于不同類型的氣田和作業(yè)條件，需設(shè)置不同的開采方法和工藝流程，這使得前期的設(shè)計準(zhǔn)備耗費也比較大，因此在這種方法的應(yīng)用上，還要根據(jù)實際的情況和需求進行操作。

而微波法，則是利用微波的加熱作用，使水合物因吸收微波而導(dǎo)致自身發(fā)熱，使得晶體結(jié)構(gòu)受熱破損，由此分解釋放天然氣，最后通過將天然氣收集、運輸實現(xiàn)對水合物的清理。在此種方法的操作中，需要設(shè)置可發(fā)出300 MHz ～300 GHz 頻率電磁波的微波發(fā)生器，然后通過管道將微波傳遞給水合物，由此讓水合物的溫度升高，分解成為水與天然氣，并將天然氣收集運走，完成水合物的治理。在此過程中，需要注意，其本質(zhì)的思路就是將水合物加熱，使其受熱分解，所以在操作過程中，需要根據(jù)當(dāng)時的溫度條件，以及水合物的分解溫度，合理控制微波的參數(shù)，微波加熱時長，以免溫度過高損傷設(shè)備管道。這種方式與上述的超聲波治理法具有幾乎相同的優(yōu)勢，如效率高、對環(huán)境影響小等，但其在技術(shù)上也存在一定的難度，對操作精準(zhǔn)度的要求也比較高，因此，在該方法的應(yīng)用過程中需保障技術(shù)支持，讓此方法的應(yīng)用效果得以順利達(dá)到預(yù)期。

3 氣田水合物治理節(jié)能降耗研究

在上述治理方法中，加熱、超聲波震動等操作均會帶來較大的電力耗費，這部分能耗一直以來都占據(jù)著氣田水合物治理能耗支出的主要部分，因此，為了實現(xiàn)節(jié)能降耗，可以考慮選擇一些對設(shè)備作業(yè)時長、能耗要求較低的方法，以控制水合物治理過程中存在的能耗支出。在此過程中，可以考慮增加抑制劑的應(yīng)用，并適當(dāng)提前做好甲醇、乙二醇等化學(xué)藥劑的投放，由此減少水合物的生成，并結(jié)合定期的水合物清理，即可減少平時作業(yè)過程中各類高能耗氣田水合物治理手段的應(yīng)用，以此達(dá)到降低能耗的效果。

但如果氣田生產(chǎn)規(guī)模較大，且環(huán)境溫度較低，難以僅依靠抑制劑、防水劑來控制水合物的生成，那么則可以考慮采用一些能耗較低的水合物消解、抑制設(shè)施，與抑制劑、防水劑結(jié)合應(yīng)用，由此降低水合物治理能耗。此外，在上述治理操作中，還可以考慮設(shè)置一個能耗檢測控制系統(tǒng)，通過實時檢測氣田水合物治理設(shè)施的運作情況，結(jié)合實際需求，對設(shè)備的功率進行調(diào)節(jié)，以避免不必要的能耗支出。在此過程中，可以在氣田水合物治理環(huán)境中，設(shè)置溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測等監(jiān)測設(shè)備，然后借助該檢測設(shè)備，將氣田運作環(huán)境信息傳遞給中控系統(tǒng)。中控系統(tǒng)即可運用系統(tǒng)中的算法，對檢測到的環(huán)境參數(shù)進行運算，得到功率控制指令，再將這些指令換成為控制信號，發(fā)給控制器，此時控制器就會按照該信號，對水合物治理用設(shè)備的功率輸出進行控制，由此讓設(shè)備的功率輸出維持在滿足各類水合物治理，以及生成抑制操作所需的最低水平，消除不必要的能耗，達(dá)到節(jié)能降耗的效果[5]。總體來說，此項節(jié)能降耗的方法操作比較簡單，支持自動化運行，同時其的節(jié)能降耗效果也比較明顯，因此應(yīng)積極地將此項節(jié)能降耗方法應(yīng)用到水合物的治理工作中，由此提高治理工作效果。

在節(jié)能降耗措施的探索中，為了驗證上述論述，對該方法進行了應(yīng)用實驗，并統(tǒng)計了節(jié)能降耗結(jié)果，結(jié)果顯示在水合物的治理中，此方法的節(jié)能效果明顯。在此過程中，將能耗監(jiān)控系統(tǒng)進行了安裝，并將各類監(jiān)控終端、控制終端，設(shè)置到了相應(yīng)的位置，然后啟動各類水合物治理用的設(shè)備，同時觀察能耗監(jiān)控系統(tǒng)使用前后的能耗情況。結(jié)果顯示，在能耗監(jiān)控系統(tǒng)的使用期間，該氣田的日間溫度為11 ℃，夜間溫度為0 ℃，PID 調(diào)節(jié)器電伴熱系統(tǒng)使用的天數(shù)為130 d，PID 調(diào)節(jié)器使用前130 d 總耗電量為69512 kW·h，使用后總耗電量為41 012 kW·h，電力節(jié)約了41%，由此可見，上述節(jié)能降耗措施，在氣田水合物的治理工作中具有重要的應(yīng)用價值，可以顯著地降低水合物治理工作所需的成本支出，有助于氣田開采作業(yè)水平的提升。

4 結(jié)束語

通過選用合適的水合物治理方法，并采取相應(yīng)的節(jié)能降耗措施，可以提高氣田水合物治理工作效果。在氣田作業(yè)中，物理、化學(xué)、技術(shù)治理方法均能夠起到良好的水合物治理效果，但需從水合物治理需求、氣田作業(yè)情況，以及治理成本承受能力等多個方面加以考慮，科學(xué)合理地選擇水合物治理方法，同時也要針對電伴熱這一大部分治理方法中均存在，且能耗較高的環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的節(jié)能降耗措施，以降低治理工作能耗，深入優(yōu)化氣田水合物的治理效果。