天然气低温固相析出实验测试与模拟计算

张利明　王小强　杨诗妍　图孟格勒　颜　雪

1. 中国石油塔里木油田公司质量检测中心,　新疆　库尔勒　841000; 2. 中国石油塔里木油田公司库车油气开发部,　新疆　库尔勒　841000

0　前言

西部某高温高压气田处理厂,在天然气脱水过程中,原料气需通过J-T阀降温后进入低温分离器分离,当原料气通过J-T阀后,温度降低,造成液相、固相析出,该固相析出物在常温常压下呈晶片状。由于分离器中析出液相较少,不足以溶解或者带走析出的固相,造成部分固相附着于管壁,影响了气流的通过,严重时会造成分离器堵塞,增加了设备运转负荷和处理厂运行风险。

目前,某些处理厂会只析出液相或者液相和固相均析出,这种情况下,固相会悬浮或者溶解在液相中一起排出,不会造成分离设备堵塞。天然气处理厂中只析出固相的情况较少,而只析出固相会堵塞分离器元件,增加处理厂运行风险,因此,需要测定天然气低温固相析出点,为天然气处理厂工艺设计提供依据。梅海燕等人[1]建立了油气体系气、液、固三相相平衡计算模型；向敏等人[2]建立了原油中沥青沉积模拟计算；刘合年等人[3]观察了高含蜡凝析气固相沉积相变特征；张利明、杨帆、毕建霞等人[4-6]通过软件模拟,计算了天然气固相析出点,但未开展相关实验测定天然气固相析出点；王文珍等人[7]通过PR方程计算了环己烷在天然气液化过程中固相析出规律,但未研究多种重烃固相析出规律。而实际生产中天然气组分更加复杂,不仅含环己烷、苯等重烃,有些还缺少C2、C3这些轻组分烃。目前对于这种直接析出固相的天然气中气、液、固相平衡研究还比较少[8-20]。以真实高温高压气田处理厂原料气为研究对象,进行组分、固相析出点测试实验,建立出天然气低温条件下固相析出实验方法,测定天然气中固相的析出温度,并采用软件模拟计算,得到天然气在不同温度、压力下气相、液相、固相分布规律。本研究可以为天然气处理厂工艺改造提供可靠的数据支持和理论依据,也可为类似天然气处理厂工艺设计提供参考。

1　实验设计与原理

1.1　实验流体

图1　低温分离器固相取样

表1低温分离器固相组分组成

固相组分含量x/(%)C124.674 0C134.035 9C1468.418 0C152.524 1C164.860 0C172.430 0C189.182 0其它3.876 0

表2原料气组分组成

原料气组分含量x/(%)C198.958 0C2～C60.994 0C7～C120.036 2C130.000 3C140.000 2C150.002 2C160.000 5其它0.008 6

1.2　实验装置

根据现场分离条件,自行设计天然气固相析出实验装置,天然气固相析出实验装置见图2,该装置主要由减压阀、低温水浴(-40～150℃)、岩心夹持器和气体流量计组成,采用不同低渗岩心(渗透率分别为0.000 05、0.000 10、0.006 50 μm2,下文以1号岩心、2号岩心、3号岩心表示)装于岩心夹持器中,天然气在遇低温、低渗岩心管后会降温,温度降到一定程度后,天然气中固相组分会析出,从而降低低渗岩心的渗透率,增大岩心两端的压差。

图2　天然气固相析出实验装置流程图

1.3　实验项目及过程

1)将1号岩心称重,将岩心放置于夹持器后浸泡在低温水浴中,连接输气管道气体取样口与低渗岩心夹持器。

2)将水浴温度设置到30℃,打开进气阀门,将入口气体压力设定至6.5 MPa,记录出口压力和气量,连续测试。

3)将水浴温度降低5℃,重复步骤2),直至出口压力出现明显下降,记录各测试点温度,取出岩心,称重。

4)重复步骤1)～3),依次更换2号岩心、3号岩心。

2　结果与讨论

2.1　岩心两端压差变化

共利用该处理厂原料气进行了3块不同渗透率岩心两端压差随温度的变化实验,结果见图3。可以看出,三块不同渗透率岩心两端压差随温度降低有一个突变点,说明在该突变点天然气中固相已经析出,增大了岩心的渗透率。三块岩心对应温度点分别为5、0、-15℃,这是由于岩心渗透率不同,对固相析出的敏感度不同,岩心渗透率越低对析出物越敏感,固相析出温度与岩心渗透率成负相关关系,应取渗透率最低的1号岩心温度突变点作为该原料气固相析出点,析出温度为5℃。测试完毕后称量岩心夹持器质量，发现实验前后岩心夹持器质量没变,说明岩心管中析出物质量很少,无法进行定量实验测定。

a) 1号岩心

b) 2号岩心

c) 3号岩心图3　不同渗透率岩心两端压差随温度变化

2.2　天然气固相沉积模拟计算

利用组分数据和实验测得的固相析出点数据,应用PVTsim软件对原料气进行气-液-固三相分布规律模拟,结果见图4。根据模拟结果,在压力和温度不同的情况下,原料气分为纯气相区,气、固两相区,气、液两相区和气、固、液三相区共四个区域,其中,在6.5 MPa下实测固相析出点为5℃,实验测试固相析出点与模拟固相析出线较为吻合。可根据气体所处相应条件判定流体状态。如分离器压力为6.5 MPa,温度为-15℃条件下,对应天然气处于气、液、固三相区,天然气会先直接析出固体,随着温度降低再析出液体,但液量较少,不足以携带走沉积的固相,有堵塞装置的风险,该图可为天然气处理厂工艺改造提供可靠的数据支持和理论依据。

图4　天然气固相析出模拟图

3　结论

1)西部某高温高压气田处理厂原料天然气含有C12～C14重烃组分,这些重烃组分会在低温下析出,影响装置的正常运行。

2)固相析出温度与岩心渗透率成负相关关系,岩心渗透率越低对析出物越敏感,测试固相析出温度应采用低渗岩心。

3)在现场低温分离器压力为6.5 MPa,温度为-15℃条件下,天然气处于气、液、固三相区,天然气会先直接析出固体,随着温度降低再析出液体,但液量较少,不足以携带走沉积的固相,有堵塞装置的风险。