天然氣集輸系統水合物抑制劑用量優化

呂晨爽 李凌峰

摘 ?????要： 天然氣生產和運輸系統容易在冬季低溫時形成水合物堵塞管道，水合物抑制劑注入法在實際中是比較常用的方法，針對P氣田A氣井冬季的實際情況，通過運用PIPESIM軟件分別對三種水合物抑制劑用量進行優化，并對其效果進行比較。結果表明，甲醇、乙醇的最優注入量分別為65、200 L/d，甲醇和乙二醇配比為3：2時，水合物抑制效果最好。該研究為氣田集輸系統提供了可靠的醇類抑制劑用量優化方法，降低了生產成本。

關 ?鍵 ?詞：水合物;醇類抑制劑;注醇量;天然氣采輸

中圖分類號：TE 348 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）02-0354-04

Abstract： In natural gas gathering and transportation system， it is easy to form hydrates to block pipelines under low temperature condition in winter， and using hydrate inhibitor is the most commonly used hydrate suppression method in practical engineering. In this paper， according to the actual situation of A gas well in P gas field in winter， the dosages of three hydrate inhibitors were optimized by using PIPESIM software， and their effects were compared. The results showed that the optimal injection amounts of methanol and ethanol were 65 and 200 L/d respectively， and when the ratio of methanol to ethylene glycol was 3：2， the hydrate inhibition effect was the best. The study can provide a reliable optimization method for the dosage of alcohol inhibitors in gas field gathering systems to reduce the production costs.

Key words： Hydrates; Alcohol inhibitors; Alcohol injection; Gas exploitation and transmission

在天然氣開采、集輸過程中，常常能夠輕易達到生成水合物的壓力要求，而在此過程中壓力的降低會使得天然氣溫度不斷地下降，而壓力和溫度達到一定條件時，管線中就會生成水合物。若集氣管段中存在水合物堵塞段，因為氣體在通過堵塞段會有溫度降低，高壓變為低壓的情況[1]，且低溫高壓正是水合物生成的有利條件，管線中將會再次形成新的天然氣水合物堵塞段[2]，這將導致花費更加長的處理時間和更復雜的處理手段，同時大幅增加經濟損失。在生產過程中形成的天然氣水合物給集輸系統安全可能帶來非常嚴重的隱患。使用抑制劑是目前較為普遍、性價比較優的方法，水合物的預測及優化是刻不容緩的。因此，開展水合物抑制劑用量優化的設計研究，對天然氣的安全生產和開發運輸具有重要的現實意義。目前國內外已有運用多相流模擬軟件計算醇類抑制劑的實例，但不同種類抑制劑的優化和共同運用，以及用量優化的實例較為缺乏。為了達到醇類抑制劑消耗量最省的目的，本文針對P氣田A氣井輸氣管線在冬季運行的實際情況，利用PIPESIM軟件分別對甲醇、乙二醇的水合物抑制劑用量進行優化且對其效果進行比較，得到甲醇與乙二醇共同作用時，水合物抑制效果最好的注醇配比。

1 ?醇類抑制劑的應用

1.1 ?醇類抑制劑防治水合物現狀

甲醇、乙二醇和其他很多類似的有機物質及電解質都是目前在天然氣處理工藝過程中比較常用的熱力學抑制劑。注醇可以起到降低生成溫度的作用，或者是提高生成壓力的作用，也就是說使其在同等壓力下不能達到生成溫度，實現破壞水合物的形成條件的目的[3]。同時從現場實際應用來看，熱力學抑制劑的加入在防治水合物方面也有顯著的效果[4]。

化學制劑如甲醇和乙二醇均可在國內購買，并可重新用于清潔能源。甲醇和乙二醇這類水合物抑制劑存在著最低有效抑制溫度，且這種效果并不是無限的，乙二醇為-30 ℃，而甲醇則為-50 ～ -60 ℃[5]。甲醇作為熱力學抑制劑具有高揮發性和低冰點（水合物形成溫度高），價格低（約2 000元/t），溶解性強，可再生，無腐蝕等優點[6]。可以較大量地使水合物使溫度降低，在低溫環境中使用較多，通常用于制冷過程和寒冷場所。但甲醇是一種高劇毒物質，且揮發性強。乙二醇無毒，沸點高于甲醇。它具有很高的黏度，適用于處理大量氣體和管道的井。

乙二醇、甲醇主要物性比較如表1。

從表1可以看出，當天然氣中產生冷凝物時，在溫度過低的情況下，乙二醇將變得難以脫離出來。這將造成較大的用量損失，所以在寒冷的條件下不推薦使用乙二醇。 但是，在海洋平臺上作業時乙二醇被廣泛使用。注入甲醇是抑制天然氣水合物最常用的方法，但由于甲醇毒性適中，回收效率較差[7]。廢液處理難，且甲醇易揮發，需達到與氣相比例的75%，才能有效地發揮作用，故其需要很大的使用量。飽和烴類物質沉積在管道中的同時，注入管道中的甲醇也必將達到液相飽和[5]。除此之外，甲醇具有劇毒，若被大量應用，對環境保護必然不利。將不同的水合物抑制劑進行混合后使用目前是一種新趨勢，應該根據作業是否存在危險，水合物抑制劑的使用成本是否過高即設備的投入和維護是否麻煩等多個方面進行綜合考慮[8]。

1.2 ?注醇類抑制劑用量的理論計算

基于理想溶液凝固點下降關系，可以使用Hammerschmidt公式手動計算抑制劑的量。在抑制劑的第一部分中消耗了液相中抑制劑的量ql;后期抑制劑消耗的氣相損失量，即抑制劑量qg;極少部分溶解在液烴中的抑制劑qh表示。抑制劑qt的總量是三者的總和：

利用Hammerschmidt半經驗公式計算抑制劑用量。計算水溶液中最低抑制劑的濃度將注入氣流中的抑制劑與通過氣體沉淀的液態水混合形成抑制劑水溶液[9]。當根據工藝要求給出氣體水合物形成的溫度下降時，水溶液中抑制劑的濃度必須高于或等于最小值。Hammerschmidt（1930）提出的半經驗公式可以用來計算水溶液中最小抑制劑濃度Cm：

2 ?PIPESIM中模型的建立

2.1 ?物理模型

對P氣田A氣井的從井口至地面的集氣管線在冬季環境溫度為8 ℃的條件下進行模擬，該氣井的單井產氣量為1.3×105 m3/d，該段管線的長度為8 000 m，管道內徑為56 mm，壁厚為6 mm，其起點壓力和溫度分別為22.15 MPa和30 ℃。

在PIPESIM中建立天然氣集氣管線注醇模型如圖1所示。

模型中用源點代替采氣樹，即供氣源頭，建立一個單井模型，添加注入器進行注醇模擬操作，而且這些數據都來源于實際現場的信息采集，容易獲取且準確度高，可以快速準確地預測天然氣生產管道的壓降，并對任意單井進行采氣管線壓降損耗預測及注醇模擬[10]。

2.2 ?流動相關式的選擇

Beggs-Brill方法是用于水平、垂直和任意傾斜氣液兩相管流動計算，斜直井、定向井和水平井井筒多相流動計算的一種較普遍的方法[11]。因此，在仿真中，壓力相關的Beggs-Brill是仿真的首選。但由于模擬情況會與實際管流情況可能會存在一定偏差，需要講多個相關式與實際數據進行擬合選出偏差最小的即最符合現場實際的流動相關式進行模擬。通過擬合，最終選擇Hagedorn Brown關系式來計算集氣管線的流動。

3 ?天然氣集輸系統天然氣水合物抑制劑用量優化結果

3.1 ?注甲醇抑制劑用量優化

運用Pipesim軟件，采用敏感性參數分析，縮小甲醇注入量跨度，設定甲醇的日注入量為5、30、65 L/d，運行該物理模型，得出溫度-壓力相圖即P-T圖如圖2所示。

從經濟和環境方面考慮，還需要找到甲醇的最低注醇量，因為甲醇有毒性而且易揮發，過量的甲醇不僅不經濟，而且還會對環境造成影響，所以，需要模擬出最低注醇量從而達到經濟高效，節約成本的效果。

當醇類抑制劑注入后的生產曲線與兩條水合物形成曲線相交時，表明在集氣管線內會形成水合物。圖2表明，在環境溫度為8 ℃時，集氣管線運行溫度在20～25 ℃，壓力在20～23 MPa時，管內極易生成水合物，即集氣管線源點（采氣樹出口）處會有凍堵危險;甲醇注入量為5 L/d的條件下，相圖中水合物生成曲線與集氣管線生產曲線均有交點，說明此劑量的甲醇無法抑制水合物生成;甲醇注入量為30 L/d可有效地抑制I型水合物，但仍然會有Ⅱ型水合物的形成;增加甲醇注入量直到65 L/d時，發現該注醇量恰好能同時防止兩種水合物生成，從而得到最優的甲醇抑制劑注入量為65 L/d。需要注意的是，實際操作時要在得到的最優化基礎上添加一定的安全余量。

3.2 ?注乙二醇抑制劑用量優化

將抑制劑注入泵中的醇類抑制劑改為乙二醇，同樣地，改變乙二醇的日注入量后運行物理模型，結果表明，在冬季低溫環境（8 ℃）下，乙二醇注入量為5 L/d時，相圖中水合物生成曲線與集氣管線生產曲線均有交點，此時集氣管線會產生天然氣水合物;乙二醇注入量為100 L/d時，抑制Ⅰ型水合物的注醇量正接近最適值，但Ⅱ型水合物還在生成;繼續增加乙二醇劑量，注入量為200 L/d時，既能防止水合物的生成，又在經濟方面避免了盲目浪費，但實際操作中還要在這基礎上添加安全余量。

3.3 ?注甲醇-乙二醇抑制劑用量優化

甲醇、乙二醇作為抑制劑都有很好的抑制天然氣水合物生成的效果，但甲醇在同樣注入量下抑制效果比乙二醇略明顯，且甲醇有毒性易揮發，對環境無益，乙二醇無毒可回收但比甲醇價格高昂，所以混合兩種醇類抑制劑可以達到降低成本，保護環境的作用，故研究甲醇-乙二醇混合抑制劑的抑制效果對工業的實際生產具有一定的指導意義，醇類抑制劑的復配方案見表2。

在PIPESIM中，對注入點組件進行設值，輸入環境溫度及注醇流量，環境溫度為8 ℃，混合醇總注入量為100 L/d。在總注入量相同的條件下，通過改變兩種抑制劑的注入比例來比較水合物抑制效果，得到結果如圖3所示。

從結果中可以看出，注醇后管道內水合物的形成情況有很明顯的變化，集氣管線溫度壓力曲線與兩條水合物生成溫度壓力曲線無交點，不會產生天然氣水合物。由此可以得到混合醇抑制劑對于水合物生成也有著十分有效的抑制作用的結論。雖然由圖可看出在甲醇-乙二醇注入量為8∶2的情況下可以達到管線不生成水合物的效果，但是從經濟方面考慮，還需要找到最佳混合醇配比，從而達到保護環境，節約成本的效果;甲醇乙二醇注入量為7∶3

時，可以看出相圖中水合物生成曲線與集氣管線溫壓曲線也無交點，不會生成水合物，但此時并不是最合適的混合醇配比，所以繼續調整混合醇比例為6∶4。甲醇-乙二醇注入量為6∶4時，可以觀察到此時的集氣管線生產曲線與兩條水合物生成曲線圖恰好無交點，表明此混合醇配比在此時是接近最合適的復配方案。

4 ?結 論

本文在閱讀了大量現階段國內外文獻和參考現場實際用例的基礎上，利用PIPESIM軟件，結合P氣田A井冬季集氣管線基礎數據，對其進行了甲醇、乙二醇的抑制劑用量優化，并對甲醇-乙二醇混合醇抑制劑的最優配比進行研究，得到了以下幾個結論。

（1）通過模擬得到的P-T相圖可以看出甲醇、乙二醇這兩種抑制劑均對天然氣水合物有明顯的抑制作用，且在相同的注入量下，甲醇的水合物抑制劑效果比乙醇好。

（2）通過注入量比較，得出甲醇的注入量在65 L/d時既能防止水合物的生成，又在經濟方面避免了盲目浪費;以100 L/d的乙二醇注入量正好抑制了I型水合物的形成，200 L/d的注入量可以同時防止I型和II型水合物的形成。通過優化得到的最佳醇類抑制劑注入量，不但省去了實際應用操作上的繁復，同時也在經濟方面避免了盲目浪費。

（3）將甲醇、乙二醇兩種抑制劑混合使用，得到當前環境條件下注入甲醇-乙二醇的最佳配比為6∶4，既達到了控制單獨注甲醇其毒性對環境造成傷害的目的，也降低了單獨注乙二醇的高昂成本。

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