宮克勤 安曉星（東北石油大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

井上節(jié)流過程對天然氣水合物生成影響

宮克勤 安曉星（東北石油大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

隨著我國油氣資源開發(fā)水平的不斷提高，要求做好井上節(jié)流工作。然而實(shí)際節(jié)流降壓中發(fā)現(xiàn)，其易加速水合物的生成，造成天然氣閥門或管道受到堵塞，不利于天然氣的可靠傳輸。對此，本文將對天然氣水合物在井上節(jié)流中生成的機(jī)理、預(yù)防水合物生成的具體措施進(jìn)行探析。

井上節(jié)流；天然氣水合物；生成；預(yù)防

為使天然氣輸送中氣體得以降壓，需引入節(jié)流閥使高壓氣體達(dá)到其基本壓力范圍。但在該過程下隨壓力的降低氣體會(huì)表現(xiàn)出明顯的體積膨脹趨勢，受溫度作用水與氣體分子便生成水合物，一旦節(jié)流中水合物物質(zhì)堆積過多便容易出現(xiàn)堵塞或爆炸等問題。因此，如何正確認(rèn)識水合物生成受井上節(jié)流影響并做好相應(yīng)的預(yù)防措施成為現(xiàn)行天然氣運(yùn)輸中需考慮的重要內(nèi)容。

1 天然氣水合物的主要構(gòu)成

作為一種固體化合物，天然氣水合物是壓力值與溫度值達(dá)到一定范圍下由其中水分與其他組分構(gòu)成的水化物。從其構(gòu)成上看，其水分主要以游離水為主，而氣體組分中主要包含H2S、C2H6以及CO2等。由二者生成的水合物在形態(tài)上以結(jié)晶固體的形式存在，通常保持在0.89g/cm3左右的密度。結(jié)合以往學(xué)者研究可發(fā)現(xiàn)，其中大部分氣體分子多集中于晶格內(nèi)，而這種晶格又可細(xì)化為I、II、H三種結(jié)構(gòu)類型。其中如非烴分子H2S或烴分子CH4等一般在I類晶體結(jié)構(gòu)中填充，C4H8等分子多集中于II結(jié)構(gòu)中，而包括以上所有分子在內(nèi)的氣體分子與原油分子通?？稍贖類結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)［1］。

2 天然氣水合物在井上節(jié)流中的生成機(jī)理分析

井上節(jié)流作用下，對水合物生產(chǎn)產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在三方面，即：第一，節(jié)流過程中液態(tài)水存于天然氣中，或有其他呈飽和狀態(tài)的水分子在其中形成；第二，節(jié)流過程中處于高壓環(huán)境下，此時(shí)溫度值呈現(xiàn)明顯下降趨勢；第三，氣體在溫度與壓力變化下會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)情況。綜合來看，水合物的生成關(guān)鍵在于井上節(jié)流中有自有水的存在，加上低溫與高壓環(huán)境的存在，水合物形成速度極快。從實(shí)際管道中天然氣傳輸過程可發(fā)現(xiàn)，相比水汽溫度，若管道溫度較高，天然氣將不會(huì)出現(xiàn)自由水被析出的情況，水合物難以生成，但隨溫度與壓力的不斷變化，一旦管道溫度地域水露點(diǎn)溫度，氣體趨于飽和便析出自由水，容易生成水合物。這種物質(zhì)一旦堆積過多便使管道流通面積逐漸減小，而其生成速度不斷加快［2］。

3 預(yù)防井上節(jié)流中水合物生成的具體路徑

現(xiàn)行天然氣運(yùn)輸中在井上節(jié)流影響下，水合物生成已屬常見問題，其容易帶來堵塞或爆炸等危害。對此要求采取相應(yīng)的防止策略，包括對溫度與壓力的控制、天然氣脫水以及抑制劑的應(yīng)用等。具體防止路徑主要表現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 溫度與壓力的控制措施

井上節(jié)流過程中，天然氣水合物極易在溫度與氣體壓力不斷下降中生成。對此在預(yù)防過程中應(yīng)從溫度與壓力的控制方面著手，確保壓力值與溫度值超出水合物形成溫度，并對節(jié)流閥壓降進(jìn)行計(jì)算，確保其難以達(dá)到水合物生成條件。另外，現(xiàn)行對天然氣溫度控制的方式也可引入加熱法，需注意的是這種方法應(yīng)用中應(yīng)對天然氣熱量進(jìn)行計(jì)算，如果其中熱量過高很容易造天然氣壓力逐漸上升，對節(jié)流降壓產(chǎn)生一定的影響，而熱量過低又無法對水合物生成起到抑制作用。因此實(shí)際控制操作中應(yīng)做好計(jì)算工作。

3.2 天然氣脫水方法的應(yīng)用

根據(jù)水合物生成機(jī)理，可發(fā)現(xiàn)其形成的基本條件在于游離水的存在，所以在預(yù)防水合物生成中需利用水分子去除的形式對水合物生成進(jìn)行抑制。一般脫水中可選擇的主要有兩種方法，即：第一，吸濕溶劑的應(yīng)用。如典型的三甘醇，其在接觸氣體過程中將對天然氣水分子起到明顯的吸收作用。第二，采取物理吸附的方式。其原理在于引入可對水分子吸附的固體物質(zhì)如硅膠、氧化鋁，接觸氣體過程會(huì)使水濃度得以降低。但實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)，物理吸附方式往往存在一定的弊端，其難以對壁面處的自由水以及晶核中的水合物起到吸附作用，水合物的生成無法得到有效控制。

3.3 抑制劑的應(yīng)用

抑制劑的添加是現(xiàn)行預(yù)防水合物生成常見的方式之一，主要將抑制劑融入天然氣中以防止節(jié)流過程中有水合物生成。目前應(yīng)用較多的主要以表面活性劑、動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)抑制劑等為主。其中在表面活性劑應(yīng)用方面，其往往需將聚合物引入其中，這樣可有效避免乳化液滴不斷生成。實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，該類抑制劑在應(yīng)用中用量極少便可起到抑制作用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。而在動(dòng)力學(xué)抑制劑應(yīng)用方面，其作用在于避免水合物晶粒不斷增長，保持低濃度與少用量便可起到抑制作用，一般在油氣田中使用較為頻繁。另外，在熱力學(xué)抑制劑應(yīng)用方面，典型的如乙二醇、甲醇等，保證在注入量、時(shí)間以及速率方面滿足節(jié)流條件，便可進(jìn)行溫度與壓力條件的控制，但此種方式涉及的成本較高，且耗費(fèi)過多抑制劑，不利于經(jīng)濟(jì)效益的提高。因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合具體井上節(jié)流條件進(jìn)行選擇［3］。

4 結(jié)語

天然氣水合物在井上節(jié)流中極易生成，不利于天然氣的穩(wěn)定可靠運(yùn)輸。對此在實(shí)踐中應(yīng)正視天然氣水合物的主要構(gòu)成以及生成的機(jī)理，從脫水方法的應(yīng)用、添加劑的引入以及溫度與壓力的控制等方面著手，減少因井上節(jié)流而產(chǎn)生過多的水合物，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)效益提高的目標(biāo)。

［1］劉培培.管輸天然氣水合物形成位置預(yù)測模型研究［D］.西安石油大學(xué)，2011.

［2］胡德芬，侯梅，徐立，何敏.高含硫氣井集輸系統(tǒng)天然氣水合物的防治——以川東地區(qū)高含硫氣井為例［J］.天然氣工業(yè)，2010，10：78-82+124.

［3］程浩，趙玉.澀北氣田防治水合物堵塞淺議［J］.青海石油，2010，04：56-67.

宮克勤（1967-），男，黑龍江七臺河人，教授，從事供熱技術(shù)研究。