基于热力学模型法的天然气水合物预测软件设计与应用

张群

(中海油能源发展股份有限公司实验中心,广东 湛江 524057)

王松

(长江大学化学与环境工程学院,湖北 荆州 434023)



基于热力学模型法的天然气水合物预测软件设计与应用

张群

(中海油能源发展股份有限公司实验中心,广东 湛江 524057)

王松

(长江大学化学与环境工程学院,湖北 荆州 434023)

在一定的温度和压力条件下，天然气和液态水会在油气开采、试油、储运、加工等过程中形成天然气水合物，若不及时处理，会严重影响正常的生产作业。针对长庆油田在试油过程中地面管道易形成天然气水合物的实际情况，对常见的天然气水合物形成的预测模型进行了优选，选用热力学模型法预测水合物的生成条件,采用ACCESS数据库和Microsoft Visual Studio 2008进行编程，大大缩短了软件的开发周期，提高了软件的性能。使用该预测软件在川庆钻探井下作业公司进行了13口井的现场试验，预测结果和实际情况相比较准确率达到90%以上。以苏东59-C2井为例，演示了操作界面，界面清晰简单，方便操作，说明该软件达到了实际生产中的需要。

天然气水合物；热力学模型；软件设计；预测结果

在石油与天然气开采、试油、加工和运输过程中，若温度和压力适宜，天然气与液态水会形成天然气水合物。这些水合物可能会堵塞井筒、管线、阀门和设备，从而影响油气的开采、试油、集输和加工的正常作业。若在试油过程中形成，一方面水合物会改变地层流体流向井筒的渗流规律，使油气井的产量降低，另一方面在地面管汇处形成水合物，会严重影响试油结果评价。因此，有必要优选水合物形成的预测模型，研制一套试油过程中预测水合物形成的HCS软件，从而为避免形成水合物优选出更好的抑制剂[1～4]。

1　天然气水合物预测方法优选

预测天然气水合物生成温度和压力的方法较多，各有特点，主要可以分为经验图解法、经验公式法、相平衡计算法以及热力学模型法等[5～8]。

经验图解法是通过不同密度的天然气水合物形成温度和压力的关系曲线，预测气体水合物生成条件的方法。通过温度-压力曲线图可以查出水合物形成的压力和温度，准确率可达到90%以上。该方法操作简单，但误差较大。

经验公式法通过分析大量的实验数据，得出水合物温度与压力的经验公式，根据经验公式计算出天然气水合物的生成压力。常用的方法有波诺马列夫法等。该方法简单易行，便于简单预测。

相平衡计算法把水合物看做是气体溶解于固体中而形成的类似固体的溶液，通过引入气-固相平衡常数K，计算天然气水合物生成条件。该方法计算简单，预测的结果误差也较大。

热力学模型法利用统计热力学算法，推导出预测天然气水合物生成条件的统计热力学算法。热力学模型法推导严密，适用于计算机编程，是一种计算较准确的方法。

相对来说，热力学模型计算比较精确严密，笔者选用该方法来预测水合物的生成条件。

2　热力学模型法

水合物体系中通常包含气相、冰相或富水相、水合物相，根据相平衡理论可知，平衡时多组分体系中，在各相中的每一组分的化学位相同。对于组分水，水在冰相或富水相α中的化学位等于水在水合物相K中的化学位，即：

(1)

假定水合物晶格空腔未被水分子占据，水存在于完全空的水合物相β中，则式(1)可以写成：

(2)

由此可知，表述固态水合物相的热力学模型与表述与其同时存在的富水相热力学模型共同组成了预测水合物生成的热力学模型。

Platteuw和Van der Waals按照水合物晶体结构的特点，提出来水合物热力学模型。在Langmuir吸附理论基础上，用统计热力学方法计算填充晶格和水合物晶格相态之间的化学位差的化学式：

(3)

(4)

计算混合物中i组分的逸度用SRK状态方程和混合规则：

(5)

式中, xj为水合物相中组分j的摩尔分数；yi为气体混合物中i组分的摩尔分数；kij为交互作用参数；ai、bi、a、b均为实验拟合数据；T为温度；P为压力；Z为压缩因子。

3　预测软件设计

为了使编写的软件能快速稳定的运行，编写程序的时候采用了ACCESS数据库并结合Microsoft Visual Studio2008进行开发，开发语言采用便捷的C#，这样大大提高了软件开发的效率，缩短了软件开发的周期，并且提高了软件性能。水合物预测软件的目的主要是将天然气水合物形成的条件模型化，并利用计算机的高效运算来实现在已知温度情况下对水合物形成压力进行预测，为在试油工作中避免水合物的形成提供参考。

该预测软件共有4个核心模块，分别为主窗体、数据输入、结果预测和画图。主窗体的作用是使各个子模块数据进行交换；数据输入模块主要是完成初始数据的输入工作，具体包括：水合物结构类型的选择、水合物的组分、水合物温度的初始数据、实际工况压力、抑制剂的选择；结果预测模块完成根据输入数据进行的相关计算得出预测压力；画图模块则完成温度区间内根据步长和输入数据形成的水合物温度压力的相态曲线。软件系统以界面操作友好和实用为目的，兼顾系统的稳定。软件设计框架图如图1所示。

4　现场应用

图1　软件设计框架图

在川庆钻探井下作业过程中进行了13口井的现场试验，预测结果与实际情况相比，其准确性达到90%以上。在现场应用过程中，根据软件预测提供的方案，采取相应的预防措施，有效地避免了地面试油过程中水合物的形成，使得试油作业顺利完成。

以苏东59-C2井为例，气相组分(摩尔分数)如下：CH4(90.55%)、C2H6(3.90%)、C3H8(1.18%)、CO2(4.37%)。根据实际工况条件，按要求输入相应的参数，就可以得到图2所示的预测结果。

其水合物相态曲线如图3所示。在计算中,把影响因子很小的H2、He、N2都归到CO2，曲线以上部分为生成水合物区域，曲线以下部分为未生成水合物区域。

除了对水合物形成进行预测外，还可以对添加了抑制剂后的某个温度区间的相态曲线进行分析，此时需要输入温度区域内的“终止值”和“步长”，点击“相态曲线”。设置初始温度是280.15K，初始压力为7MPa。加入抑制剂：质量分数为6.7%的氯化钠(6.7g/100ml)+质量分数为10.1%的乙醇(10.1ml/100ml)。操作界面如图4所示。

图2　预测结果界面

图3　相图分析 (横坐标为温度，K;纵坐标为压力，MPa)

相态曲线界面如图5所示，图中蓝色曲线为纯气体曲线，可视为对比曲线；红色曲线以上部分为生成水合物区域，红色曲线以下部分为未生成水合物区域。

图5　相态曲线界面(横坐标为温度，K;纵坐标为压力，MPa)

预测完毕后关闭曲线窗口，回到如下界面。再点击“退出”即可退出该软件。

5　结论

1) 通过对目前4种天然气水合物预测模型的对比分析，优选出研究方法为热力学模型法。

2) 利用VC#2008成功开发了天然气水合物形成预测软件，且界面操作界面友好。在软件的设计中采用ACCESS2007设计数据库，使得相应输入数据和静态参数存储在数据库中，方便软件开发和用户的操作体验。预测结果与实际数据的符合情况良好，可以进行压力预测和相态曲线分析，还提供抑制剂类型的选择，并结合实际情况推荐水合物抑制剂的加量，对试油作业过程中预防水合物的形成具有一定的指导作用。

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[编辑]洪云飞

2016-04-23

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA064803)。

张群(1983-)，男，工程师，现从事钻井液与完井液方面的研究工作；通信作者：王松，wangs_2008@sina.com。

P744.4

A

1673-1409(2016)22-0033-05

[引著格式]张群,王松.基于热力学模型法的天然气水合物预测软件设计与应用[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(22)：33～37.