張偉東（大慶油田采氣分公司儲氣庫分公司）

天然氣是目前最環(huán)保的化石能源物質(zhì)，燃燒后產(chǎn)生的水和二氧化碳幾乎不產(chǎn)生危害，相對于煤和石油，是一種比較清潔環(huán)保的能源。在各大天然氣田生產(chǎn)過程和集輸過程中，常常會由于環(huán)境溫度過低、介質(zhì)含有水分、氣體介質(zhì)壓力過大而產(chǎn)生水合物。微觀上，這種固體是由一種分子侵入另一種分子結(jié)成的物理組合，然后形成了冰狀結(jié)構(gòu)[1]。水合物會附著在生產(chǎn)設(shè)備及輸送管道的內(nèi)壁上，并且逐漸積累聚集，它的出現(xiàn)會造成集輸管道發(fā)生冰堵事故，危害著天然氣的生產(chǎn)及運輸，嚴重時則會堵死管道，從而引發(fā)管道的爆炸，直接關(guān)系到天然氣的安全生產(chǎn)。所以，各油田技術(shù)人員都在著手解決水合物引發(fā)的問題，并能夠兼顧油田節(jié)能降耗的總體方針目標。

1 概述

天然氣水合物是一種固體晶體，氣體分子作為客體分子受困于籠狀的水分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中[2]。其分子式為CH4·8H2O，是一種天然氣中的小分子和水分子形成類似冰狀固態(tài)化合物。

1.1 天然氣水合物的形成

天然氣水合物通常是當氣流溫度低于水合物形成的溫度時而形成的。在特定條件下，水分子通過氫鍵連接而構(gòu)成多面體籠子，天然氣分子被束縛在這種籠子里。當穩(wěn)定的環(huán)境條件為低溫高壓時，這種水分子和天然氣分子構(gòu)成的固態(tài)物質(zhì)就會生成，天然氣分子和天然氣水合物分析模型見圖1。所以，天然氣水合物的形成條件主要有：液態(tài)水的存在、低溫和高壓。在氣田的天然氣生產(chǎn)和集輸過程中，在管道內(nèi)的天然氣壓力可以高達70 MPa以上，這就大大提高了天然氣水合物形成所需的溫度，固態(tài)的水合物可以在0℃以上時形成。不僅環(huán)境溫度和壓力對水合物的形成有著至關(guān)重要的影響，開采出的天然氣混合物組成也可以決定水合物形成的環(huán)境溫度。有研究表明，天然氣中CO2含量越高，天然氣水合物形成的溫度就越高[3]。同時，氣田天然氣集輸管道中形成的水合物，除了上述的三個基本條件因素外，還與氣井產(chǎn)量、管道的長度參數(shù)（包括長度和管道內(nèi)徑），管道中介質(zhì)溫度壓力變化，以及管道埋藏處地下環(huán)境溫度等相關(guān)聯(lián)。

圖1 天然氣分子和天然氣水合物分子模型Fig.1 Molecular model of natural gas and natural gas hydrate

1.2 天然氣水合物的危害

在自然界中形成的天然氣水合物是一種亟待開發(fā)的清潔能源，我國已經(jīng)在南海進行了商業(yè)化的開采活動，在天然氣水合物的勘探開發(fā)方面，我們已走在世界的前列。但是，如果天然氣水合物生成在天然氣開采和集輸過程中，將對氣田安全生產(chǎn)造成極大的危害。

1.2.1 水合物冰堵的產(chǎn)生

冰堵是指由于天然氣水合物產(chǎn)生并聚集在技術(shù)管道壁上，形成堵塞的固體物質(zhì)，水合物的性質(zhì)和狀態(tài)如同冰一般，所以，稱這種現(xiàn)象為“冰堵”。冰堵的形成機理比較復(fù)雜，大體上來講，是由兩種情況產(chǎn)生的。一是集輸管道中本身含有大量的自由態(tài)水，在寒冷地區(qū)的冬季會因氣溫低于0℃而結(jié)成冰；另一種情況是由于氣田開采和集輸管道中形成了天然氣水合物。后者在全國各大氣田生產(chǎn)運行過程中出現(xiàn)頻率較高。

在天然氣的開采和集輸過程中，管道中的溫度小于或等于水的露點溫度，氣態(tài)水會凝結(jié)為液態(tài)，這就滿足和水合物形成的第一個條件。另外，管道中的壓力往往很高，而且未被凈化處理的天然氣中含有大量的CO2，在這些條件的共同作用下，天然氣分子就會被壓入水分子形成的籠子結(jié)構(gòu)里，水合物就會形成，其外觀上與冰十分相近。因此，水合物大多形成于冬季，其生成的壓力范圍在3～10 MPa，且管道中的壓力越大則會形成溫度較高的水合物[4]。天然氣水合物形成后，會附著并聚集在管道中，經(jīng)過積累，就形成巨大的水合物“冰塊”，堵塞采氣和集輸管道，管道冰堵見圖2。

圖2 管道冰堵Fig.2 Pipeline ice plug

1.2.2 冰堵危害

我國大型的氣田以及輸氣管道處于北方，北方冬季寒冷，較低的溫度常常在使天然氣達到水露點，北方天然氣長輸管道水含量和各壓力條件下對應(yīng)的冰露點見表1。

通過表1數(shù)據(jù)信息，北方的長輸管道的冰露點在壓力中位數(shù)上已高于-20℃。特別在大慶油田，氣井輸氣管道壓力常常大于20 MPa，采出的濕氣含水量也遠大于36.8%，這種情況下，水露點的溫度在0℃左右，如果沒有相應(yīng)的預(yù)防措施，水合物造成冰堵概率十分大。

表1 北方天然氣長輸管道水含量和各壓力條件下對應(yīng)的冰露點Tab.1 Water content of long-distance natural gas transmission pipeline in the north and corresponding ice dew point under various pressure conditions

氣田運輸天然氣的管道中形成冰堵以后，會給天然氣生產(chǎn)帶來諸多危害。首先，管道內(nèi)發(fā)生冰堵現(xiàn)象后，會直接堵塞管道的彎頭、閥門等管件，使管件和管道的橫截面積減小，從而減少了輸氣量，并使輸氣管道上游介質(zhì)壓力增加，而下游的介質(zhì)壓力降低，影響天然氣集輸管道的正常運行。其次，冰堵發(fā)生在管道節(jié)流孔板部位，會使天然氣流量計量準確性發(fā)生問題，嚴重時影響貿(mào)易結(jié)算。再次，天然氣水合物造成的冰堵發(fā)生在管道系統(tǒng)中聯(lián)動截斷閥部位時，系統(tǒng)控制單元無法收到檢測反饋信號，所以不能正確判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，容易造成誤關(guān)閥門的錯誤操作。最后，冰堵還會造成管道的破裂，引發(fā)爆炸事故。

綜上所述，天然氣水合物形成的冰堵，對天然氣生產(chǎn)和集輸管道安全運行都造成了巨大的危害。

1.3 治理措施

目前，針對天然氣水合物，我國各大氣田都采取了各種有效措施進行治理，主要的治理方法包括：脫水法、保溫加熱法、降壓法、抑制劑法等。

1.3.1 脫水法

脫水法防治水合物的原理是除去引起水合物生成的水分子[5]。通過去除天然氣中的水分，降低天然氣水露點，避免天然氣中的氣態(tài)水凝結(jié)成自由水。經(jīng)過脫水后的天然氣雖然含水量很低，幾乎沒有自由水的存在，但是，這種脫水法不能確保天然氣管道內(nèi)存在的水，以及液烴相中的水分。所以，這種方法不能完全做到避免水合物的生成，有其局限性存在。

1.3.2 保溫加熱法

在天然氣輸送過程中，保持輸送壓力不變，可以通過提高管道內(nèi)天然氣的溫度，使溫度高于產(chǎn)生水合物的溫度，從而預(yù)防水合物的生成。主要采取的措施是輸氣管道伴熱，并采用保溫材料對管道進行包裹，減少對外散熱。

加熱的措施一般有熱水伴熱、電伴熱等方法。熱水伴熱具有一定的經(jīng)濟性，但是，卻受限于管道里程，僅適用于里程短的管道。電伴熱是目前氣田防治水合物冰堵的主要措施，天然氣管道點拌熱系統(tǒng)見圖3。

圖3 天然氣管道電伴熱系統(tǒng)Fig.3 Electric heat tracing system of natural gas pipeline

通過電伴熱系統(tǒng)可以補充管道、管體及設(shè)備的熱量損失，進而預(yù)防管道堵塞[6]。這一系統(tǒng)通常包含了配電箱、電源接線盒、電纜線、電伴熱線、保溫材料等。其主要的優(yōu)點有：裝置構(gòu)成簡單、電伴熱發(fā)熱均勻、響應(yīng)快速、不受管道長度限制、不會污染環(huán)境等。但是，這種方法能耗比較大。

1.3.3 降壓法

降壓法是通過維持天然氣原油溫度下，降低天然氣管道輸氣壓力，從而使水合物生成所需的溫度降低到輸送溫度以下，此時，水合物無法生成。降壓法在原理上是可行的，但是，要通過降壓設(shè)備進行管道降壓，直接影響到天然氣輸氣量，需要管道運營企業(yè)對輸氣的上下游單位進行協(xié)調(diào)，并不符合氣田天然氣生產(chǎn)的需求，這種方法使用較少。

1.3.4 化學抑制劑法

化學抑制劑法也是目前最常用的治理天然氣水合物的方法。這種方法可以在不需要改變天然氣管道運行狀態(tài)的條件下，有效地抑制水合物的生成和聚集。通常的做法是向輸氣管道內(nèi)注入相應(yīng)量的化學藥品（主要是醇類），用于改變水分子和烴分子間的熱力學平衡條件，從而預(yù)防天然氣水合物的生成。醇類抑制劑的作用機理主要是加入后會使氣流中的水分溶于抑制劑中，改變水分子之間的互相作用，從而降低表面上水蒸氣分壓，改變了水分子與氣體分子的熱力學平衡條件[7]。這樣，管道內(nèi)天然氣在較低的溫度環(huán)境下水合物就無法形成。

現(xiàn)階段，全國各氣田廣泛使用的醇類化學抑制劑為甲醇、乙二醇等。在生產(chǎn)過程中，直接將甲醇等化學抑制劑添加到天然氣管道之中，這樣就可以將水合物形成的溫度降低，并且還能減少天然氣之中的水分含量，從而降低天然氣的水露點，直接抑制水合物的形成[8]。在使用過程中，甲醇有水溶性好、黏度低、作用迅速，液相部分能夠回收的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用預(yù)防水合物生成，管道解堵作業(yè)中。

2 節(jié)能降耗措施

治理天然氣水合物的技術(shù)也在不斷發(fā)展創(chuàng)新，各大氣田按照節(jié)能降耗、綠色發(fā)展的總體方針目標為指引，在天然氣開采和集輸過程中防治水合物形成對生產(chǎn)運行造成的危害，持續(xù)推進水合物治理過程工藝的節(jié)能降耗工作。

2.1 基于PID調(diào)節(jié)器的電伴熱技術(shù)

目前，氣田所使用的的電伴熱系統(tǒng)多數(shù)為恒定功率的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)通常都是按照設(shè)計的輸出功率進行輸出，不會根據(jù)實際環(huán)境溫度進行調(diào)節(jié)，這樣就造成了一些浪費。所以，需要一種能夠根據(jù)天然氣溫度變化而自動調(diào)節(jié)的電伴熱系統(tǒng)來節(jié)約能源消耗。

2.1.1 PID調(diào)節(jié)器

PID調(diào)節(jié)器又稱為比例、微分、積分控制器，它分為數(shù)字PID調(diào)節(jié)器和模擬PID調(diào)節(jié)器[9]。其在運轉(zhuǎn)過程中，可以將被控制的量值與給定的設(shè)置量值之差進行數(shù)學微積分、倍數(shù)運算，再通過處理器對運算的結(jié)果進行累加，從而能夠合成相應(yīng)的控制信號，對電伴熱的執(zhí)行元件實施控制。PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)點主要有：對信號的響應(yīng)速度快；對執(zhí)行元件的控制調(diào)節(jié)迅速；能夠隨著測量的偏差信號變化趨勢而自我調(diào)節(jié)等。

PID調(diào)節(jié)器是近些年在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展最成熟的一種自動控制技術(shù)，有著十分高的魯棒性，結(jié)合單片機技術(shù)后，可以廣泛應(yīng)用在石油天然氣工業(yè)領(lǐng)域。

2.1.2 PID調(diào)節(jié)器在電伴熱的應(yīng)用

基于PID調(diào)節(jié)器的天然氣管道電伴熱系統(tǒng)主要由PID調(diào)節(jié)器、功率調(diào)節(jié)器、電伴熱帶、溫度傳感器及相應(yīng)的附屬設(shè)備組成。溫度傳感器是用于采集管道內(nèi)天然氣環(huán)境溫度的感應(yīng)性元件，設(shè)置于天然氣井井口，或者集輸管道閥口及管道中。溫度傳感器能將天然氣溫度所產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸至PID調(diào)節(jié)器。井口（閥口）的溫度信號與管道內(nèi)的溫度信號一同傳輸至PID調(diào)節(jié)器后，兩個溫度信號的差值由PID運算單元進行微分、積分、倍數(shù)運算，累加后的輸出信號就可以作為控制執(zhí)行單元的控制信號。這個控制信號能夠?qū)﹄姲闊嵯到y(tǒng)的輸出功率進行自動控制，通過調(diào)節(jié)伴熱帶上施加的輸出電壓，而調(diào)節(jié)熱能輸出，基于PID調(diào)節(jié)器的電伴熱系統(tǒng)控制見圖4。

圖4 基于PID調(diào)節(jié)器的電伴熱系統(tǒng)控制Fig.4 Control of electric heat tracing system based on PID regulator

在原有的電伴熱系統(tǒng)上設(shè)置了PID調(diào)節(jié)器，可以對天然氣的環(huán)境溫度進行實時監(jiān)控，通過井口（閥口）和管道內(nèi)的溫度差值，以及相應(yīng)含水量的天然氣在運行壓力下水露點基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，就能夠運算出維持水合物不出現(xiàn)的最低輸出功率。充分實現(xiàn)了天然氣電伴熱的自動化控制，有效避免了天然氣在開采和集輸過程中水合物冰堵危害。

2.1.3 能耗對比

基于PID調(diào)節(jié)器的電伴熱系統(tǒng)，根據(jù)晝夜不同時段環(huán)境溫度變化及季節(jié)氣溫變化，動態(tài)調(diào)整電伴熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)[10]。依靠天然氣溫度信號來實現(xiàn)電伴熱的自動控制。該技術(shù)在東北某氣田進行了實際應(yīng)用，該氣田處于溫帶大陸性氣候，全年平均溫度日間11℃，夜間0℃，全年冰線以下天數(shù)為143 d左右，這種氣候促使天然氣開采和集輸過程需要電伴熱的天數(shù)為130 d，改造升級為PID調(diào)節(jié)器，某集氣站電伴熱系統(tǒng)改造前后能耗對比見表2。

表2 某集氣站電伴熱系統(tǒng)改造前后能耗對比Tab.2 Comparison of energy consumption before and after reconstruction of electric heat tracing system in a gas gathering station

通過表2所示，此集氣站通過PID調(diào)節(jié)器，根據(jù)天然氣環(huán)境溫度的變化，調(diào)整電伴熱輸出功率，有效避免了入冬和開春前溫度變化造成的電能消耗，全年能夠節(jié)電36.3%，效果明顯。

2.2 動力學抑制劑技術(shù)

動力學抑制劑是通過降低水合物的成核速率延緩乃至阻止臨界晶核的生成、干擾水合物晶體的優(yōu)先生長方向及影響水合物晶體定向穩(wěn)定性等方式抑制水合物的生成。目前，科學家已經(jīng)開發(fā)出了酰胺類、酮類、亞胺類等多種類抑制劑。動力學抑制劑可以保證天然氣在生產(chǎn)和集輸過程中溫度、壓力和水相組成不變的前提下，依據(jù)天然氣含水量，加入適量的動力學抑制劑，就能保持恒定的抑制效果。理論上，動力學抑制劑的適用溫度可以低至100℃，能夠滿足全國各大陸上油氣田，以及大部分海上氣田防治水合物冰堵的需要。

3 結(jié)束語

通過對天然氣水合物的形成所需的三個條件加以控制，就能最大限度地對水合物進行防治。對天然氣輸氣管道加溫是預(yù)防水合物冰堵危害最為直接有效的方式。在氣田集氣站對電伴熱系統(tǒng)進行自動控制改造，可以依靠溫度傳感器測量的天然氣溫度信號，對電伴熱系統(tǒng)的輸出功率進行控制，使輸出功率與天然氣溫度進行匹配，避免了在不能形成天然氣水合物的溫度下，持續(xù)對管道進行加熱而浪費電能，效果明顯。另外，新型的動力學抑制劑所適用的溫度范圍更廣，各油氣田也應(yīng)引入，廣泛應(yīng)用，配合電伴熱系統(tǒng)共同維護采氣和集輸管道的安全運行。