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浅谈凝析气藏水合物生成预测和防治措施

更新时间 2011-10-27 14:17:05 点击数:

    浅谈凝析气藏水合物生成预测和防治措施王宽(吉林油田公司采油工艺研究院)摘要:本文根据凝析气藏水合物的特点,介绍了水合物生成预测的主要方法相平衡常数法;根据水合物的生成条件,阐述了防止水合物形成和排除已生成水合物的常用技术,包括除水法、加热法、降压法、加化学添加剂法等。目前吉林油田凝析气藏水合物的防治技术主要采取加热力学抑制剂法。
     关键词:凝析气藏;水合物;生成预测;相平衡常数;防治技术
    凝析气藏是一类具有较高经济价值的气藏,它的合理开发在天然气生产中将变得越来越重要。吉林油田凝析气藏主要分布在英台龙深区块和长春昌36区块,储层埋藏深,温度、压力高,同时伴随着层段多、厚度大等特点,所以凝析气藏更具有生成水合物的条件。水合物的形成,会堵塞油气井及管道、降低油气藏的孔隙度和相对渗透率、改变油气藏的油气分布和地层流体流向井筒的渗流规律等,给油气生产过程带来诸多不便。因此,为了使产能得以合理有效的发挥,正确预测水合物生成和采取相应的防治措施尤为重要。
    一、凝析气藏的特点
    凝析气藏是指在地层中处于高温高压条件下呈超临界状态的气藏,开采到地面时,由于温度和压力都降低,发生反相冷凝凝析出液体产物的气藏。它是介于油藏和纯气藏之间的复杂类型的特殊油气藏。凝析气中除了含有大量的甲烷、乙烷等轻烃外,还含有较多的极易生成水合物的C3、C4组分,因此较易生成水合物,所生成的水合物为构型Ⅱ。凝析气藏地层压力较高,高于凝析气临界凝析压力,流体以气相存在。在开采出来后,随着温度和压力的降低,在地面设施中会有凝析油析出,这时候极易生成水合物。
    所以水合物的生成在凝析气的开采过程中是一个值得重视的问题。
    二、水合物生成预测
    预测水合物生成条件的方法较多,常用的有经验图解法、相平衡常数法和热力学模型法。
    由于凝析气藏流体当流压低于凝析气露点压力时,无论是凝析气从地层流到井口的过程还是凝析气从井筒流到地面的过程,会发生复杂的相态变化,所以采用相平衡常数法预测凝析气藏水合物的生成条件。
    相平衡常数法的理论前提是:类似于固体溶液,在天然气水合物的分解过程中,气相的相对密度是增加的。Katz等人提出应用相平衡常数来计算天然气水合物生成条件的计算公式:(1)式中:xi为固体水合物中i组分的摩尔分率;yi为气相中组分的摩尔分率;Ki为i组分气-固平衡常数,与体系的压力和温度有关。
    对于已知组分yi的天然气,通过假设温度T或压力P,并查取Ki,计算(1)式左边是否等于1,如不等则需重设T或P,如果大于1,则表示系统存在水合物形成的条件。该法适用于典型烷烃组成的无硫天然气,而对非烃含量较多的气体或高压气体准确性较差。
    三、水合物防治技术
    水合物的主要生成条件(:1)必须有过饱和的液态水或蒸汽存在,液态水是生成水合物的必要条件,同时天然气的温度必须等于或低于天然气中液态水的露点;(2)低温是形成水合物的重要条件,体系温度必须达到水合物的生成温度;(3)高压,压力越高越易生成水合物。除此之外,天然气组分、气体压力的波动、气体流动方向的变化而产生搅动和湍流、以及H2S和CO2等酸性气体的存在、物理位置等因素会加速天然气水合物的生成。而且固体杂质和粗糙管壁,对水合物晶粒的形成和聚集生长也会起促进作用。
    根据水合物的形成条件,可以得到四种水合物防治方法:①脱除天然气中的水分;②提高气体流动温度到水合物形成温度以上;③降低气体压力至水合物的生成压力以下;④向气流中加入化学添加剂,减缓或抑制水合物的增长或聚集。
    1、除水法
    除水法是通过除去引起水合物生成的水分子来抑制水合物,常用的天然气除水法主要有:化学吸附,物理吸附、冷却法、吸湿溶剂吸收法。
    除水法是防止水合物生成的根本途径。目前用得较多的是三甘醇溶剂吸收法。
    2、加热法
    加热法是在维持原来的压力状态下,通过加热(保温)使天然气的流动温度高于水-水合物-气三相平衡温度,使水合物受热分解,从而防止水合物形成。对于高压气体可采用加热的方法,井场常采用蒸汽逆流式套管换热器和水套加热炉在节流前加热天然气;对于高温气体可采用保温的方法,常常是通过包裹绝热层或掩埋管道来降低管道热量损失,最终达到防止或分解天然气水合物的目的。
    3、降压法
    降压法是通过降低体系压力来控制水合物的生成。降压法既能用于防止水合物的生成,也能用于排除已生成的水合物。对于输气管道中已形成的水合物,其途径就是通过放空管放空,降压后必须经过一段时间来分解水合物。同时需要注意当用放空降压法来分解输气管道中形成的水合物时,必须在环境温度高于0℃以上的条件下进行。否则水合物分解后产生的水又会立即转化为冰而堵塞管道。
    4、加化学添加剂法
    加化学添加剂法是通过向井及管道中注入一定量的化学添加剂或盐,改变水合物形成的热力学条件、结晶速率或聚集形态,从而达到提高水合物生成压力,降低生成温度,保持流体流动的目的,以此来抑制水合物的生成。常用的化学添加剂主要有:热力学抑制剂、动力学抑制剂和防聚剂。
    (1)热力学抑制剂
    热力学抑制剂是通过利用抑制剂分子或离子增加与水分子的竞争力,改变水和烃分子间的热力学平衡条件,使温度、压力平衡条件处在实际操作条件之外,从而避免水合物的形成。或者直接与水合物接触,移动相平衡曲线,使水合物不稳定,从而使已形成的水合物分解而得以清除。甲醇和乙二醇是应用最广泛的热力学抑制剂。吉林油田目前针对凝析气藏水合物的防治技术主要采取注甲醇的热力学抑制剂法。
    (2)动力学抑制剂
    动力学抑制剂是通过降低水合物的成核速率、延缓或阻止临界晶核的生成、干扰水合物晶体的优先生长方向以及影响水合物晶体定向稳定性等方式抑制水合物的生成。根据动力学抑制剂与分子作用的不同机理,将动力学抑制剂分为水合物生长抑制剂、水合物聚集抑制剂和具有双重功能的抑制剂。
    (3)防聚剂
    防聚剂是一些聚合物和表面活性剂。聚合物类防聚剂是通过共晶或吸附作用,阻止水合物晶核的生长或使水合物微粒保持分散而不聚集。表面活性剂类聚合物则是通过降低质量转移常数,从而降低水与客体分子的接触机会来降低水合物生成速率。防聚剂由于其使用浓度低(0.1%~3%)且不受温度(过冷度)条件限制,目前发展非常迅速。
    四、结论及认识
    1、凝析气含有较多的极易生成水合物的C3、C4,因此更容易生成水合物。2、凝析气藏实际生产过程中,是一种动态的相变,只有考虑这种动态相变过程,对油气两相在界面的物质交换和平衡时间的相变理论进行研究,才更符合凝析气藏生产实际,因此相平衡常数法为预测凝析气藏水合物的最佳方法。3、由于吉林油田凝析气藏处于测试评价阶段,水合物防治主要采用注甲醇的热力学抑制剂法。但是由于甲醇注入量的问题,为了节约生产成本,目前正在研究动力学抑制剂的防治方法。

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