摘要：在川东北含硫气藏的勘探开发过程中，天然气水合物冰堵一直是影响开发进程的一个问题。其预测与防治是急需解决的难题，而目前在国内关于这方面的研究却很少，仅有的方法也只是针对一般气井，而对于含硫气井的预测结果偏差就很大。通过现场实践研究，采用分子热力学模型法进行计算，分析得到了压力、组分等对天然气水合物温度的影响，尤其是硫化氢的存在对天然气水合物形成的影响，为含硫气藏天然气水合物的防治捷供了依据，并在天然气水合物形成温度预测的基础上，结合河坝1井的实际情况进行了水套炉型号的优选。实践证明：利用该方法预测的天然气水合物生成温度和预防方法是准确、可靠的。

关键词：四川盆地硫化氢；气井；测试；天然气水合物；水套炉；计算

预测天然气水合物生成温度、压力条件的常见方法有：查图法、气-固相平衡计算法和分子热力学模型法等。图解法简单、方便，但不便于使用计算机计算，且误差较大；气-固相平衡法计算简单、速度快，但是其可靠性与通用性差；笔者采用分子热力学模型法预测天然气水合物生成条件。已知天然气的组分、压力，便可采用迭代法求得天然气水合物的形成温度。

 

式中：△C_pw⁰、△h_w⁰为T₀时β相与纯水相的焓差、热容差；△μ_w⁰为标况时完全空的天然气水合物结晶晶格(β相)与水的化学位偏差；b为表示热容的温度系数；μ^β为完全空的天然气水合物晶格中水的化学位；△V_w为β相和w相(富水相)间的摩尔焓差和体积差；v_i为i型空腔的百分数；C_ij为组分对型空腔的Langmiur常数；f_j为混合气体中组分的逸度，Pa；x_w为富水相中水的摩尔分数。

    根据计算结合可得到如下结论：①随着压力的增加，生成天然气水合物的温度增加，但增加幅度不断减小，对于纯甲烷气体形成水合物的温度与压力的关系见表1；②生成天然气水合物的温度与天然气的组分密切相关，表2是常用参考书^[1]中给出的气体水合物的临界形成温度，其指导意义确是给出了各种组分生成天然气水合物趋势(即各种组分形成天然气水合物的难易程度)，由表2可知，H₂S最易形成天然气水合物，而nC₄H₁₀则不易形成天然气水合物；③通过计算可得到H₂S的存在会加剧天然气水合物的生成，但随含量的增加其影响的幅度是减小的(表3)。

压力(MPa)	10	20	30	40	50	60	70
临界形成温度(K)	287.43	290.54	292.38	293.7	294.7	295.56	296.27

名称	CH4	C2H6	C3H8	iC4H10	nC4H10	CO2	H2S
临界形成温度(℃)	21.5	14.5	5.5	2.5	1	10.0	29.0

天然气中H2S含量	0	0.02	0.04	0.06	0.08	0.1	0.15	0.2
天然气水合物形成温度(K)	296	299.2	301	302	303	303.8	305.3	306.4

注：该数据的模拟环境为：环境压力20MPa，并假设天然气中只含有甲烷和H₂S。

    现在广泛使用的有机天然气水合物抑制剂有甲醇与甘醇类化合物；无机盐防冻剂使用较多的是氯化钙水溶液。

    提高节流阀前天然气的温度，或者是敷设平行于集气管线的热水伴随管线，使气体温度保持在天然气的水露点以上也可防止天然气水合物的形成。矿场加热天然气常用的设备有饱和蒸汽逆流式套管换热器或水套炉，前者用于单井和集气站，后者用于单井。

    根据对加热和注醇法预防天然气水合物的比较，考虑便于操作、节约成本等因素，目前井场通常选用加热法防止天然气水合物生成，而从安全角度出发，普遍选用的加热装置是蒸汽锅炉(水套炉)保温防止冰堵。

水套炉是目前应用最为广泛的加热装置，实践证明该装置是最简单、有效、安全的气体加热装置。以下结合HB1井的实际情况进行优化选型计算。该井的天然气相对密度为0.5715，假定气产量30×10⁴m³/d(实践和计算证明这个产量下需要的水套炉功率最大，故选择该产量进行计算)。最大关井压力94.5MPa，井口流温54℃，采用三级节流流程。

    根据井口压力和井口流温，由节流压降与温度降的关系确定出每个节流制度之后的温度，并对每个节流后的温度T₁与形成天然气水合物的温度T₂进行对比，若T₁＜T₂则表示节流后会形成天然气水合物，需要在节流前安装水套炉，提高天然气的温度为△T=T₂-T₁，根据已知数据不难确定出△T=20℃。

定压比热公式为：

 

式中：C_n为天然气在常压下的定压比热，kJ/(kg·℃)；γ_g为天然气相对密度；t为天然气的温度，℃。

    根据河坝1井的基本资料计算出水套炉进口温度为35℃(由节流温度降获得)，利用式(2)计算得定压比热C_n为2.3kJ/(kg·℃)。然而，根据河坝1井的实际工况，利用真实气体的比热校正法计算工况条件下的定压比热为2.93kJ/(kg·℃)。

    利用式(2)计算在产量30×10⁴m³/d情况下并考虑到可能含有H₂S以及压力激动会促进天然气水合物的生成，需要的水套炉的功率应在200kW以上^[2～3]，为保证一定的加热裕量以及现在常见的水套炉的功率规格，宜选择400～600kW的水套炉。

    加热天然气所需热量(W)的计算公式为：

    W=Q_gC_pγ_s(T₂-T₁)/8.64    (3)

式中：T₁、T₂为天然气加热前、后的温度，℃；Q_g为管线输气量，10⁴m³/d；C_p为天然气定压比热，kJ/(kg·℃)；γ_s为天然气基准状态下的密度，kg/m³。

    1) 分子热力学模型法适合计算机编程计算，是一种计算简单、速度快且相对准确的方法，采用该种方法进行天然气水合物生成温度分析适用性较强。

    2) 经过计算证明H₂S的存在会促进天然气水合物的形成，因此无论是水套炉的选择还是采用其他工艺防冰堵时要充分考虑H₂S的危害。

    3) 利用笔者中所提到的水套炉计算方法，能够安全有效的选择水套炉功率型号。

[1] 林存瑛.天然气矿场集输[M].北京：石油工业出版社，1997.

[2] 华自强.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，1985.

[3] 陈科，刘建仪，张烈辉，等.水合物气藏降压开采数学模型[J].天然气工业，2006，26(1)：93-94.

 

(本文作者：戚斌 中国石化西南油气分公司工程技术研究院)