水下采油树水合物抑制剂注入研究

赵宏林，周 鹏，代广文，段梦兰，李 荣，朱军龙

水下采油树水合物抑制剂注入研究

赵宏林1，周 鹏1，代广文1，段梦兰1，李 荣2，朱军龙1

（1．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2．重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司，重庆401121）

在海洋油气生产过程中，通过注入水合物抑制剂防止水合物生成是流动保障技术的重要组成部分。针对荔湾3-1油田所采用的卧式采油树，根据不同的工况要求，研究了相适合的化学试剂注入策略和阀门操作顺序。以正常工况下乙二醇注入量计算为例，应用HYSYS工艺软件模拟计算，采用天然气干基首先进行饱和水处理再与抑制剂混合的方法，将计算结果同常规理论计算对比，发现软件计算结果约为理论计算的2倍，在工程设计允许范围内。在水下采油树工艺设计中可以选用HYSYS软件计算水合物抑制剂的注入量，计算过程动态、准确且应用范围广。

水下采油树；流动保障；水合物抑制剂；HYSYS

水下采油树作为水下生产系统的核心，功能主要有：控制油井生产、调节出油产量、提供修井通道等。水下采油树在生产过程中面临着形成天然气水合物并堵塞流动通道的危险，因此，为了防止产出液在生产过程中形成水合物堵塞管路，需要向采油树生产通道内注入水合物抑制剂，以避免生产过程中生成水合物堵塞管路的危险。水合物的生成需要满足一定的温度、压力条件，水合物抑制剂的注入可以降低水合物生成所需的温度条件，从而达到阻止水合物生成的目的［1-4］。因此，需要针对水下采油树不同工况进行化学试剂注入方案设计。甲醇和乙二醇是常用的高效水合物抑制剂，其注入量可以通过HYSYS工艺模拟软件模拟计算得到，并与相关经验公式的计算结果进行对比［5］。

1 水下采油树化学试剂注入方案

1．1 水下采油树结构

水下采油树从结构上可分为立式采油树和卧式采油树2种，本文以荔湾3-1所采用的卧式采油树为例进行化学试剂注入研究。

如图1所示，水下卧式采油树主要由岩屑帽、阻塞器、油管悬挂器、树体、连接器、节流阀和阀组等组成。其中：连接器是将水下卧式采油树和井口头（规格为18″-69．0 MPa，H4型面）相连接的机构，同时为井口VX密封钢圈提供预紧力；岩屑帽是采油树孔径的保护帽；油管挂连接在树体内部，悬挂Ø139．7 mm（5英寸）的油管，并起到提供油流通道、修井通道、井下安全阀液压通道和提供化学试剂注入通道的作用［6］。

图1　水下卧式采油树结构

水下卧式采油树阀组主要有以下阀门：生产主阀（PMV），生产翼阀（PWV），修井阀（AAV），环空主阀（AMV），转换阀（XOV），节流阀（PCV），环空翼阀（AWV）。阀门的主要参数如表1所示。

表1　荔湾3-1所用卧式采油树阀门参数

表1（续）

1．2 化学试剂注入点

1．2．1 天然气水合物生成原理

天然气水合物是由天然气和水组合在一起像冰一样的固体。微观上，这种物质事实上是由一种分子侵入另一个分子结成的物理组合，然后形成了晶状结构。如果被侵入的是水，则被称作晶状水合物，如果是天然气，则称为天然气水合物。一般通称为天然气水合物。天然气水合物一般在低温和高压条件下生成。越小分子的烃，越难于形成水合物［7］。

1．2．2 各种工况下的注入点

1）在正常生产过程中，油气流经油管、油管挂、生产主阀（PMV）、生产翼阀（PWV）和节流阀（PCV），最终流到生产管汇。此时，环空翼阀、修井阀和转换阀关闭，生产主阀、生产翼阀、节流阀和环空主阀打开［8］。在环空端布置有压力温度传感器APT，能够对环空侧压力温度进行监测，起到实时监控生产状态的作用。正常生产时，油气通道内流体需要保持一定温度和压力，所以需要在生产通道上设置化学HIV注入阀1。

2）开井分为首次开井、冷启动开井和热启动开井。首次开井时，打开生产主阀，注入大量甲醇至油管内并打开SCSSV，接着打开生产主阀，注入甲醇至生产主阀和生产翼阀内，再打开节流阀并保持一定流量，直到节流阀下游达到指定温度，停止注入甲醇开始注入乙二醇，最后检测井内流速和温度直到稳定。冷启动开井时，首先将甲醇注入到生产油管内，接着打开生产主阀和生产翼阀，注入甲醇到两阀之间直到节流阀下游温度达到指标，此时调整节流阀，注入乙二醇和化学药剂，同时检测井内流动速率和温度直到稳定。热启动被定义为生产性启动，一般指停止稳定生产不到60 h，与冷启动相比，不包括第1步中的甲醇注入过程。

3）停产过程分为计划内停产和非计划停产2种情况。在停产时，生产通道内高温流体停止流动，水下的低温环境使得流体温度下降，存在形成水合物的危险。计划内停产时需要关井操作，会关闭采油树生产翼阀、生产主阀和节流阀，所以需要在生产主阀和生产翼阀之间以及节流阀下游设置有甲醇注入阀和乙二醇注入阀，并分别布置有压力温度传感器。计划内关井顺序是首先依次关闭PCV、PWV、PMV和CIV，接着打开PMV和PCV注入额外的定量甲醇，然后关闭PMV、PCV和MIV，注入定量的乙二醇确保跨接管内适当抑制，在乙二醇注入到跨接管中后，关闭乙二醇注入阀HIV。

在采油树上，注入阀1、2管线分别布置在节流阀上游和井下安全阀上游，用于注入结垢抑制剂，在关井时根据系统需要的压力和泵送温度，提供清洁的化学灌浆。水下采油树化学试剂注入流程如图2所示。

图2　水下采油树化学试剂注入流程

1．3 化学试剂简介

上文中所提到的化学试剂分为结垢抑制剂和水合物抑制剂2类。其中，水合物抑制剂按作用机理不同可分为热力学抑制剂和动力学抑制剂，甲醇和乙二醇均属于热力学抑制剂，通过破坏空穴的水分子间的结构关系，降低水和烃分子之间的热力学平衡条件，使水合物生成的平衡温度降低，压力升高，达到抑制水合物的目的［7］。由于乙二醇具有无毒、易再生、携带损失少、吸水特性好等特点［9-11］，在实际工况下通常选用乙二醇作为水合物抑制剂。

2 水合物抑制剂注入量计算

关井时，分别需要定量注入甲醇和乙二醇，注入量可根据查阅相关理论公式计算，也可通过软件模拟计算。以海上某气田的温度数据为例，对正常工况下乙二醇的注入量分别进行数值模拟计算和理论公式计算。

2.1 HYSYS工艺软件模拟计算

2.1.1 建立物性包

HYSYS软件模拟过程首先需要根据计算目标建立物性包，物性包类型选择为Peng-Robinson，目标油田的组分及所占质量分数如表2所示。

表2　目标天然气组成

2．1．2 建立计算模型

由于给出的天然气干基数据里没有水，而实际生产时所有原始天然气都是与水饱和的，这样才会存在生成水合物的危险。因此，在建立计算模型时，必须考虑首先创建一个含饱和水的两相物流，再将饱和天然气与乙二醇混合，用软件自带工具ADJ调整工具设定相关收敛方式和步长，计算水的流量和乙二醇注入量。计算模型如图3所示。

图3　乙二醇注入量计算模型

计算模型介绍：

1)先将天然气干基和水在混合器1内混合，混合后的湿天然气在分离器中将饱和天然气和多余水分离。

2)应用ADJ-1工具设定水的注入流量为调整变量，多余水为目标变量。

3)将饱和天然气和乙二醇在混合器2中混合。

4)应用ADJ-2工具以乙二醇注入流量为调整变量，以下游出口流股中的水合物生成温度为目标变量，设定目标变量值为0℃。

2．2．3 饱和水含量及乙二醇注入量计算

在注入乙二醇之前，需要首先计算天然气干基需要饱和水的质量，天然气干基的主要计算参数如表3所示。

表3　天然气干基的计算输入条件

应用ADJ-1工具设定经分离器分离后的多余水为目标变量，指定目标值为0．001 kg／h，允许误差为0．000 1 kg／h，步长为1 kg／h，最大迭代步数为100。最终计算结果为目标天然气干基所需饱和水39．34 kg／h，此时饱和天然气的主要参数如表4所示。

表4　饱和天然气主要参数

最后将饱和天然气与乙二醇在混合器2中混合，应用ADJ-2工具，以出口流股的水合物生成温度为目标变量，设定目标值为0℃，允许误差为0．01℃，步长为5 kg／h，最大迭代步数设置为100。最终计算结果为需要乙二醇58．22 kg／h。

2．3 理论公式计算

抑制剂在游离水中的最低质量分数可以用Hammerschmidt公式确定［12］，即

式中：ΔT为水合物形成所需的温降，℃；M为抑制剂分子量（乙二醇M＝62）；X为液态水相中抑制剂质量分数；Ki为抑制剂常数；其中，乙二醇取值为2 220。

查《气体加工工程数据手册》，天然气所形成的温降为32℃，代入公式可得：X＝47．2%。

抑制剂溶液注入量计算公式为

式中：m1为抑制剂溶液质量；mW为液态水相质量；XR为液态抑制剂溶液浓度。

通过HYSYS软件计算得到含水量为39．34 kg／h，代入公式可计算得到乙二醇注入量为33．38 kg／h。

3 结论

1)针对水下采油树开井、停产和正常生产工况，制定了每种工况下阀门操作情况和化学试剂注入策略，采用了甲醇、乙二醇和结垢抑制剂3种化学试剂。

2)研究了一套通过HYSYS工艺模拟软件对乙二醇注入量进行了模拟计算的方法。首先通过计算目标天然气干基所需的饱和水含量，形成了饱和天然气的流股，再将饱和天然气流股和乙二醇进行混合，利用ADJ工具计算得到乙二醇的注入量，最后用理论公式计算相同条件下的乙二醇注入量，发现软件计算结果是理论公式计算的2倍左右。考虑到软件计算的动态性以及理论公式的适用性，软件计算的乙二醇注入量是准确、可靠的，且理论公式计算需要查阅经验数据、计算时间长，而软件模拟计算迅速、应用范围广，可以作为水下采油树工艺设计时的依据。

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［12］气体加工和供应者协会．气体加工工程数据手册［K］．北京：石油工业出版社，1992．

Research on Hydrate Inhibitor Injection in Subsea Tree

ZHAOHonglin1，ZHOU Peng1，DAI Guangwen1，DUANMenglan1，LI Rong2，ZHU Junlong1
（1．Research Center for Cffshore Cil&Gas，China Uniuersity of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Chongqing Qianwei Cffshore Petroleum Engineering&Equipment Co．，Ltd．，Chongqing 401121，China）

In the production process of offshore oil and gas，the method of injecting hydrate inhibitor to prevent hydrate generating is the crucial component of flow assurance technology．Aiming at subsea tree in the Liwan 3-1 oil field，suitable chemical reagent injection strategy and operation orders of valves is developed，according to the different conditions．Moreover，the injection rate of hydrate inhibitor is calculated with process simulation software HYSYS．During the calculation process，it firstly processes dry gas saturation，then mixing with hydrate inhibitor．Compared with the theoretical calculation，the result using HYSYS is twice as that of theoretical calculation，and it is within engineering permission．Therefore HYSYS calculation method can be used in subsea tree processing design because of its correct，dynamic and wide application．

subsea tree；flow assurance；hydrate inhibitor；HYSYS

TE931．1

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．012

1001-3482（2015）04-0047-04

2014-10-17

国家发改委2013年海洋工程装备研发及产业化专项之“水下采油树研发及产业化”（发改办高技〔2013〕1764号）

赵宏林（1962-），男，江苏泰兴人，教授，博士，主要从事海洋油气装备等方面的研究和教学工作，E-mail：zhaohl＠cup．edu．cn。