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气田开发中天然气水合物的危害与防治终稿
小编: 恒泰艾普(北京)云技术有限公司 2017-04-21

        天然气水合物的形成条件包括液相水的存在、足够高的压力和足够低的温度、以及流动条件突变等,如何根据天然气水合物的形成条件,做到有效预测和预防措施,防止由于其局部累积减少天然气管道截面积、降低输气量,甚至造成设备和管道的冻堵,是气田一项重要的生产管理内容。


一、天然气水合物的形成条件

        天然气水化物是轻的碳氢化合物和水所形成的疏松结晶化合物,是一种天然气中的小分子与水分子形成的类冰状固态化合物,是气体分子与水分子非化学计量的包藏络合物,即是水分子与气体分子以物理结合体所形成的一种固体。水化物通常是当气流温度低于水化物形成的温度而生成。在高压下,这些固体可以在高于0℃而生成。

       天然气水合物形成必须同时具备以下三个条件:

        1、天然气的含水量处于饱和状态

        天然气中的含水汽量处于饱和状态时,常有液相水的存在,或易于产生液相水。液相水的存在是产生水合物的必要条件。

        2、压力和温度

        当天然气处于足够高的压力和足够低的温度时,水合物才可能形成。天然气中不同组分形成水合物的临界温度是该组分水合物存在的最高温度。此温度以上,不管压力多大,都不会形成水合物。不同组分形成水合物的临界温度如下表所示。

天然气生成水合物的临界温度表

图片2.png

        过去曾认为该值为21.5,后经研究,在33.0~76.0MPa条件下,甲烷水合物在28.8℃时仍存在,而在390.0MPa条件下,甲烷水合物形成温度高达47℃。

        3、流动条件突变

        在具备上述条件时,水合物的形成,还要求有一些辅助条件,如天然气压力的波动,气体因流向的突变而产生的搅动,以及晶种的存在等。


二、天然气水合物的危害

        在高压气井降压生产的过程中,井筒通常易形成水合物,不仅对气井的生产带来严重的危害,而且对气井的科学管理也带来严重的困难。

        1、水合物在管道中形成,会造成堵塞管道、减少天然气的输量、增大管线的压差、损坏管件等危害,导致严重管道事故;  

        2、水合物是在井筒中形成,可能造成堵塞井筒、减少油气产量、损坏井筒内部的部件,甚至造成油气井停产;

        3、水合物是在地层多孔介质中形成,会造成堵塞油气井、减低油气藏的孔隙度和相对渗透率、改变油气藏的油气分布改变地层流体流向井筒渗流规律,这些危害使油气井的产量降低。

天然气水合物危害.jpg


三、天然气水合物预测方法

        目前,确定天然气水合物生成条件(温度和压力)的方法可归纳为相平衡计算法、图版法、波诺马列夫方法和统计热力学法。

        1、相平衡计算法

        卡兹(Katz)在1940年初首先提出一种估计水合物形成条件的方法,这种方法也常常称为“K”值法。该法采用一种与传统的露点方程中气一液平衡常数类似的气—固平衡常数,即在水合点时:

图片3.png                    

式中:Ki—天然气中i组分的水合物气—固平衡常数;

  Xsi—天然气中i组分在固相中的摩尔分数;

 Yi—天然气中i组分在气相中的摩尔分数。

        计算温度或压力进行迭代,经过数次逼近即可收敛,由计算结果可得到水合物结构中气体分子的理论组成。若上式累加和等于1,即EYi/Ki=1.0时则表示系统处于热力学平衡状态。累加和大于1即EYi/Ki>1,则表示系统存在水合物形成的条件。

        2、波诺马列夫方法

        根据波诺马列夫对实验数据进行整理,得出不同气体密度下天然气水合物生成条件的经验公式:

图片4.png

        对于T>273K

图片5.png

        对于T<273K


式中:

T—温度,K;     

P—水合物生成压力,MPa。

        3、水合物P-T图回归公式法

        根据水合物形成压力-温度图版拟合得到的经验公式,如下:

图片6.png

        式中,p*与气体相对密度有关,对应不同相对密度回归得到不同公式,如相对密度为0.6时,回归公式为:

图片7.png

        4、统计热力学方法

        该方法是以Van der Waalshe 和Platteuw的统计热力学为基础,研究水合物晶格中的化学势,根据热力学位势能平衡理论,得到一非线性方程,并采用牛顿迭代法求解,该方法得到的结果精确度较高。

        卡兹法最初是作为一个试探性的方法提出来的,但是应用至今仍保持原来的形式。该法尤其适用于含有典型烷烃组成的无硫天然气,而对于非烃含量很多气体和烃类分布异常的气体,以及在压力高于6.9Mpa情况下,该法的准确性较差。波诺马列夫方法和水合物P-T图回归公式法都是以实验数据为基础的,但是实验的最高压力都只有30MPa左右,更高压力下可能形成水合物的温度都是推导出来的。

        前三种方法简便实用,但其误差较大;统计热力学方法是根据系统理论,将气体水合物宏观相态行为与其分子间的相互作用联系起来,引入配分函数来描述气体水合物生成条件,理论基础严密,通用性强,便于运用计算机在较宽的范围内对水合物生成的温度、压力条件进行连续求解。


四、天然气水合物防治方法

        单井产量越低,井口温度越低,越易生成水化物;井口温度随着含水增加而升高,而井口压力随着含水增加而降低,也就是说,气井生产水气比越低时,在井筒形成水合物的可能性越大。根据这一原则,防治天然气水合物的措施通常包括以下几种:

        (1) 脱除天然气中的水分;

        (2) 通过加热提高天然气的流动温度;

        (3) 向气流中加入水合物抑制剂。

        对于上述防治措施的具体实施方案的基础是水合物形成条件的有效预测和提前预警。基于以上原理和理论,恒泰艾普云公司研制的GasPro软件系统结合“一井一策”的管理模式,采用多因素气井健康诊断的大数据挖掘思路,根据气井产气量、水气比等多项因素实现了针对水合物形成风险的分区诊断和预警功能,为气井的生产管理提供了决策支持,在生产中起到了很好的指导效果。


集团公司: 恒泰艾普

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