页岩气集输过程水合物生成条件预测方法研究

韩 册，刘 欢，班久庆，吴 迪

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）



页岩气集输过程水合物生成条件预测方法研究

韩 册，刘 欢，班久庆，吴 迪

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

页岩气与集输过程中携带或产生的游离水，在适当温度和压力条件下将会生成天然气水合物。水合物一旦生成，可能会堵塞集输管线或损坏生产设备，严重影响集输系统的安全运行。通过酸性气体图、平衡常数法、波诺马列夫法和回归公式法预测页岩I区块天然气水合物生成条件，为预防页岩气集输过程中生成水合物提供理论指导和技术支持。

页岩气；水合物；预测；生成条件

在页岩气集输、加工与处理过程中，天然气易在集输管线、节流装置、阀门、弯头等部位形成水合物。水合物形成条件主要包括［1］：①天然气必须处于适当的温度和压力下，尤其在低温、高压条件下更易形成水合物；②天然气必须处于水汽的过饱和状态或低于水露点，即出现“自由水”以形成空穴结构；③管线压力的波动、气体因流向突变而产生的脉动稳流等激烈扰动，以及“结晶核”的存在。在实际工程中，水合物不仅可能导致管线堵塞，也会损坏分离设备和仪表等，给气体运输及加工造成难度。因此，天然气水合物生成条件的预测对页岩气集输、加工与处理过程具有重大的指导意义。

近些年国内外关于天然气水合物生成条件预测方法的研究十分活跃。目前，常见的预测天然气水合物生成条件方法有图解法、相平衡法、经验公式法、统计热力学法等。虽然此类方法的预测结果较实际工程中的实测结果存在一定的误差，但在地面工程集输工艺的设计中可提供参考依据。页岩I区块属亚热带季风性湿润气候，常年平均气温 15～17℃，井口压力26～30 MPa。根据其气体组分，本文将通过酸性气体图、平衡常数法、波诺马列夫法和回归公式法来预测该区块天然气在温度0～25 ℃、压力0～30 MPa范围内水合物的生成条件。

1　水合物生成条件预测方法

1.1酸性气体图法

1987年Baillie和Wichert利用工艺过程模拟软件HYSIM提出了考虑酸气含量的水合物生成条件图［2］（图1）。若天然气中同时含有CO2和 H2S时，将CO2折算成H2S含量，折算关系为1 mol H2S=0.75 mol CO2，求得H2S总含量。

在图1中，根据气体压力作水平线至H2S摩尔含量（%）处，向下作垂线至气体相对密度处，再沿相对临近的走向作线至横坐标得水合物生成温度。所得温度需经C3含量（左上方插图）校正，在H2S含量处作水平线至气体内C3含量处，由该处向下作垂线至气体相应压力处，再作水平线至纵坐标读出修正值。C3含量高时修正值为正，低时为负。

图1　酸性气体生成水合物条件Fig.1 Acid gas hydrate formation conditions

1.2平衡常数法

1941年Katz提出可采用平衡常数法或K值法计算天然气水合物生成条件［3］，即：

式中：yi— 气体内组分i的摩尔分数（不计水）；

Ki— 由实验测定组分i的气固平衡常数。

已知天然气组分，在给定温度（或压力）下，可通过以下步骤确定水合物生成压力（或温度）：

（1） 假设一水合物生成温度，T（℃）；

（2） 查各组分的气固平衡常数，确定iK；

（3） 计算各组分y/iiK值；

1.3波诺马列夫公式法

波诺马列夫通过对大量实验数据的回归整理，得出了不同相对密度的天然气水合物生成条件预测方程［4］：

当温度T＞273.15K 时，P-T关系为：

当温度T≤273.15K 时，P-T关系为：

式中：B、B1—与天然气相对密度有关的常数，见表1。

1.4回归公式法

已知某天然气气体组分，计算得出相对密度Δg。给定某一温度，可求出该温度下天然气水合物生成所需的压力。为了便于计算机计算，已将天然气相对密度gΔ=0.6～1.0生成水合物P-T图回归成公式［5］：

表1　B和B1系数表Table 1 B and B1coefficient table

当gΔ =0.6时，

当gΔ =0.7时，

当gΔ =0.8时，

当gΔ =0.9时，

当gΔ =1.0时，

2　页岩I区块水合物生成条件预测

该区块天然气气质组分如表 2，计算得出其相对密度=0.595，将CO2折算成H2S后，H2S总含量为1.521%。

表2　气体组分Table 2 Gas composition

在酸性气体图中给定不同压力值，得出水合物生成所需的温度，经C3修正后得出最终的温度值，结果见表3。

表3　酸性气体图得出的温度和压力Table 3 Temperature - pressure in acid gas figure

在平衡常数法、波诺马列夫法、回归公式法中带入不同的温度值，计算出所对应的压力值，结果见表 4。其中，平衡常数法中各组分气固平衡常数可在《气体加工工程数据手册》中查询。

表4　上述三种方法计算得出的温度和压力Table 4 Temperature - pressure calculated by three prediction methods above

图2为酸性气体图、平衡常数法、波诺马列夫法和回归公式法得出的温度和压力的拟合曲线。由图可知，随着温度升高，生成水合物的压力也不断升高。当已知某一点温度，则可预测出对应所需的压力。若低于此压力，则不会生成水合物或生成的水合物将会分解。

因此，为了避免页岩气集输过程中形成水合物，应提前采取适当的预防措施，如节流前加热、管线保温、降低集输管线压力或注入水合物抑制剂等方法［6，7］，降低天然气水合物生成的可能性。

3　结 论

（1）酸性气体图较适用于气体组分中含H2S、CO2的酸性天然气，也可用于含C3小于10%的非酸性天然气。但在查图过程中存在视觉误差，准确性较差。

图2　四种方法预测水合物生成温度和和压力的拟合曲线Fig.2 Fitting curve of hydrate formation temperature -pressure by the four prediction methods

（2）平衡常数法计算水合物生成条件比酸性气体图法精确，但对于天然气重烃、酸气含量和压力较高时，误差较大。

（3）回归公式法可以计算得到水合物生成大致的温度和压力条件，但计算结果仅由天然气相对密度决定，因而其误差较大。

（4）波诺马列夫法较为常用，此方法操作简单，便于进行简单的预测，且计算误差最小，结果最准确。因此，建议采用此方法设计系统参数。

［1］ 邓柯，李颖川，李群生.天然气水合物生成的影响因素及敏感性分析［J］.钻井液与完井液，2006（06）：64-67+86-87.

［2］ 冯叔初，郭揆常.油气集输与矿场加工［M］.山东：中国石油大学出版社，2006.

［3］ 白执松，罗光熹.石油与天然气物性预测［M］.北京：石油工业出版社，1995.

［4］ 李长俊，杨宇.天然气水合物形成条件预测及防治技术［J］.道技术与设备，2002，15（1）：8-10.

［5］ 吴志良.井筒中天然气水合物生成条件预测及应用［J］.石油实验地质，2008（03）：315-320.

［6］ 马永明，韩海彬，王伟，李岩.陕京输气管道水合物的处理与防范措施［J］.油气储运，2010（01）：46-48+92.

［7］ 李建敏，王树立，等.天然气水合物抑制技术与方法研究进展［J］.现代化工，2014（09）：22-25.

Study on Prediction Methods of Hydrate Formation Conditions in Shale Gas Gathering and Transferring Process

HAN Ce，LIU Huan，BAN Jiu-qing，WU Di
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Under the appropriate conditions of temperature and pressure, Shale gas will generate gas hydrate with free water carried or generated in gathering and transferring process. Once hydrate is generated, it may block the gathering line or damage to the equipments, which will seriously affect the safe operation of the gathering system. In this paper, acid gas figure, equilibrium constant method, Bono maleev method and regression formula method were used to predict gas hydrate formation conditions of Shale Block I ,which could provide theoretical guidance and technical support for preventing hydrate generation in shale gas gathering and transferring process,.

shale gas; hydrate; prediction; formation conditions

韩册（1989-），女，辽宁人，在读硕士研究生，2012年毕业于沈阳化工大学油气储运专业，研究方向：油气长距离管输技术。E-mail：hance0509@163.com。

TE 624

A

1671-0460（2016）05-0965-03

2016-01-18