浅谈天然气水合物预防措施及应对

隋迎章 高伟 马婕

摘 要：勝利油田气层气经过多年的开发，已形成了一定的规模。天然气作为一种安全、稳定、清洁、高效的新型能源，在油田的内外用气中起到了重要的补充和调节作用。天然气水合物的形成是影响天然气生产与管理的重要问题。水合物对天然气的开采、技术和加工都有着不同程度的影响。本文概述了天然气水合物的生成条件，分析了天然气水合物的形成对站内安全生产运行的危害，介绍了水合物防治和处理的方法，从而降低其对油气田生产和天然气输送的危害程度。

关键词：天然气水合物；危害；生成条件；防治措施

1. 天然气水合物的形成条件

形成水合物的首要条件是天然气中含水处于饱和或过饱和状态并存在游离水，其次是要有足够高的压力和低于水合物形成的温度。当气流温度低于水合物形成的温度时，在高压下，天然气水合物可以在高于0℃的条件下生成。

当天然气中存在液态水分时，管道中所形成的液滴在流动过程中会在阀门、弯头、三通等地方同管壁碰撞成为粉末，这些液态粉末同气体混在一起并一同流动，黏附在管道表面上成为液态黏膜，在高压地温条件下，就在管壁形成一层水合物。在天然气不断输送的过程中，水合物便一层层地加厚，堆积在管壁内使得管道的内径变小，严重时甚至会把管道堵死。

天然气流速和方向改变也是影响水合物生成的重要因素。在弯头、阀门、孔板和其他局部阻力大的地方，由于压力的变化和流向的突变，特别是节流阀、分离器入口、阀门不严密处及压缩机出入口处等节流的地方，由于气体温度的急剧降低，会加快水合物的形成。

根据天然气水合物的生成条件，当管道运行在天然气水合物平衡曲线以下时，就不会形成天然气水合物。

图1曲线为不同相对密度的天然气形成水合物的压力-温度平衡线。由图1可知，随着温度的升高，水合物形成压力变化较大。当确定了天然气的相对密度，可以根据上图，估算一定温度下天然气形成水合物的最低压力，或一定压力条件下天然气形成水合物的最高温度，从而达到预测天然气水合物生成的目的。

在一定温度条件下，不同密度的烃类混合物所产生天然气水合物的形成压力不同。含有5%乙烷和2%丙烷的天然气形成水合物的平衡压力可以比甲烷降低约1.15 MPa[4]。由于天然气通常是烃类分子的混合物. 因此其形成水合物相对比甲烷容易得多。

2. 天然气水合物的危害

在天然气管道输送过程中，天然气水合物是威胁输气管道安全运行的一个重要因素。油气流体通常含有大量的烃类物质和小分子气体成分，在含水等一定压力条件下和容易形成水合物。

能否生成水合物与天然气组成（包括含水量）、压力、温度等条件有关。在天然气运输和加工过程中，尤其是产出气中含有饱和水蒸汽时，天然气通过阻力件（如节流阀、调压器、排污阀等）后会造成压力升高，温度下降。气体温度的降低会使管路、阀门、过滤器及仪表出现结霜或结冰现象，从而降低管道的输送效率，严重时甚至会堵塞管道，以导致管道上游压力升高，引起不安全事故的发生，造成设备及人员的伤害，从而影响正常供气。

天然气水合物一旦形成以后，它与金属结合牢固，会减少管道的流通面积，产生节流，加速水合物的进一步形成，进而造成管道、阀门和一些设备的堵塞，严重影响管道的安全运行。而消除水合物则需要大量的时间、能源、物资以及工程的调整，从而导致较大的经济损失。据统计，防止水合物生成的费用约占生产总成本的5%-8%。因此，研究和讨论天然气在管内输送过程中水合物的防治和处理，对保障天然气管道的安全运行具有十分重要的实际意义。

3.天然气水合物的防治方法

3.1 天然气水合物的预防

控制管道内天然气水合物的生成，是天然气水合物防治最根本、最安全的策略。

根据天然气水合物生成条件，对管道中的流体而言，由于流体成分相对稳定，并以一定的速度运行，因此抑制水合物的生成主要考虑温度、压力和含水三方面的影响。

为了抑制天然气水合物的生成，一般有三种途径：

（1）把输送压力降低到所处温度下形成水合物的生成压力以下；

（2）脱除天然气中的水分；

（3）向气流中加入抑制剂。

3.1.1 加热法

由于节流前后温度下降较多，提高节流前的天然气温度，使天然气在节流后的温度高于生成水合物的温度，从而防止由于节流温度降低而生成水合物。

3.1.2 降压法

维持原来的温度状态下使输气管道中的天然气压力降低至给定温度时水合物的生成压力以下。

3.1.3 添加抑制法

对于集气管线内水合物的生成，可以采取添加化学抑制剂法。在一定操作条件下向管道内注入一定量的化学添加剂，改变水合物形成的热力学条件、结晶速率或聚集形态，来达到保持流体流动的目的。目前可采取的抑制剂类型主要有热力学抑制剂、动力学抑制剂、防聚剂三类。

水合物热力学抑制剂是目前广泛采用的一种防止水合物形成的化学剂。这种抑制剂是利用抑制剂分子或离子增加与水分子的竞争力，改变水和烃分子间的热力学平衡条件，从而使水合物的形成条件移向较低的温度或较高的压力范围。常见的热力学抑制剂有电解质水溶液（NaCI、CaCl2等无机盐的水溶液）及甲醇、甘醇类有机化合物。一般说来，采用甲醇作抑制剂时投资费用较低，但因其气相损失较大，故操作费用较高。采用乙二醇或二甘醇作抑制剂时投资费用较高，但操作费用低。

由于化学抑制剂在实际应用中存在诸多限制，存在环境保护和污水处理等额外费用的增加，在使用时需考虑安全性和经济性。

3.1.4 干燥脱水法

天然气脱水是防止集输过程中形成水合物最有效的措施。天然气进入输气管道之前应进行充分脱水，使天然气水露点低于管线周围介质最低温度5-7℃，这是预防形成水合物冰堵的根本方法[5]。在天然气生产过程中，脱水就是降低天然气中的水汽含量，即降低天然气的露点。

工业中广泛使用的天然气水合物抑制剂有甲醇和甘醇类化合物，如甲醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇。这类抑制剂可以有效地脱除天然气内的水分，达到抑制水合物生成的目的。在实际应用中，目前常采用的脱水方法是二甘醇溶剂脱水和固体吸附剂脱水。

结论

本文对天然气水合物的形成及危害防治进行了简单的研究和介绍，分析了天然气水合物形成的条件以及防治天然气水合物的措施，取得下列几点认识和体会。

（1）天然气水合物的形成与天然气组分和组成、压力和温度以及游离水的含量等因素有关。

（2）天然气水合物严重影响天然气的开采、集输和加工的正常运转。水合物的抑制生成主要从温度、压力和含水三方面着手，其中脱除天然气中的水分，是抑制水合物生成的最根本途径。

参考文献：

[1]芦金柱，王斌，周冬梅，杨振.油气田水合物的形成与防治[J]. 石油化工腐蚀与防护，2010，05：38-41.

[2]王虹. 天然气水合物性质及防止措施研究[J]. 西部探矿工程，2009，11：65-67.

[3]熊颖，王宁升，许深皓，丁咚，吴平. 天然气水合物的结构特征及防治措施[J]. 油气储运，2008，06：48-52.