高压高含H2S气井试气地面流程水合物预防及抑制剂复配优化

＊张裕卓 李凌峰* 吕晨爽 张沛雪 韩迪

（1.长江大学石油工程学院 湖北 430100 2.油气钻采工程湖北省重点实验室 湖北 430100 3.中国石化石油机械股份有限公司 湖北 430000）

引言

据统计，世界天然气资源约60%含硫，10%为高含硫，我国高含硫天然气资源丰富[1]，但高含H2S天然气给气井测试和现场HSE管理带来巨大的挑战。在高压、高含H2S气井测试过程中，试气地面流程中经常发生冰堵，影响测试施工的顺利进行，重则可能引起严重事故[2-3]，预防天然气水合物堵塞地面流程是高压、高含H2S气井试气测试中的一项重要工作。本文对四川盆地川东北Y气田Y27气井进行探索性研究，对该气井地面试气过程水合物的生成情况及其影响因素进行分析，根据水合物的生成情况设计不同的地面试气流程进行水合物防治，采用不同方法防治地面试气流程水合物并设计该气井相应的试气地面流程。

1.地面管线水合物形成影响因素分析

天然气地面试气及生产系统除了在低温环境或节流的情况下容易生成水合物外，气井的产气量、井口压力和温度以及天然气的组成成分均会对地面流程中水合物的产生有所影响，本文将对不同因素影响地面管线水合物形成的情况进行分析。

(1)井口压力对地面水合物形成的影响

利用PIPESIM软件对Y27气井试气流量为10×104m3/d时、冬季2℃温度下，内径为76mm、壁厚为4.5mm的管线进行建模模拟，管道的起始压力为井口压力46.74MPa，起始温度为30.59℃。改变井口压力来观察水合物的生成情况，运行后模拟的数据整理结果见表1。根据模拟结果，随着输送压力的增加，管道中水合物形成的位置向前移动，但变化不明显。

表1 不同井口压力时天然气水合物的形成位置

(2)井口温度对地面水合物形成的影响

当其他条件不变时，改变管线起点温度即井口温度，运行模拟后的生产数据得到表2，由表2可以看出，随着井口温度提高，生产曲线几乎平行向右移动，直至生产曲线与天然气水合物生成曲线不产生交点，其原因是地面管线中天然气的沿程温度分布随起点温度的增加而提高，而高温降低了水合物在管线中形成的可能性。所以，适当地增加管线的输送温度能明显防止水合物生成。

表2 不同井口温度时天然气水合物的形成位置

(3)天然气组分对地面水合物形成的影响

仅改变组分中H2S和CH4的含量，判断H2S含量变化对水合物生成的影响。PIPESIM中改变天然气组分设置界面如图1。通过软件模拟计算可知，随着H2S含量的增大，水合物的生成温度越高，管线中越容易生成水合物。同样地，在研究CO2含量产生的影响时，天然气中其他组分不变，仅改变CH4和CO2的含量，随着CO2含量的增加，天然气水合物的生成曲线将向上移动，即向着高压方向移动，但移动程度很小，对水合物的形成条件几乎没有影响，故影响该气井地面管线中水合物产生的主要因素为H2S含量。

图1 PIPESIM中改变天然气组分设置界面

2.试气地面流程水合物防治

气井地面试气流程可以利用节点分析方法来对地面节流后的压降和温降进行计算，并根据计算结果判断水合物生成情况，确定地面流程的节流级数。根据计算结果并参考相关技术要求，Y27气井的试气地面流程拟选用三级节流。在试气地面流程节流前通常采取注醇或加热的方法来抑制天然气水合物生成。本文将分别对注入水合物抑制剂法、加热法及两者结合的方法分别进行模拟分析[4-5]，并对天然气水合物抑制剂用量进行优化。

(1)加热法防治水合物

由于气流从井口流出时直接经一级节流气嘴进行节流降压且气嘴后温度较高，一级节流嘴后水合物生成风险较低，故采用二级节流气嘴后加热。通过HYSYS建立模型[6]，如图2所示。

图2 加热-节流地面流程

保证进集气管线前的压力为6.5MPa，则集气管线前的温度应高于对应压力下的水合物生成温度，整理后的加热-节流地面流程主要参数见表3。

表3 加热-节流地面流程主要参数

(2)注抑制剂法防治水合物

用HYSYS软件建立注醇节流地面流程，气流在井口进行一级节流后加注甲醇抑制剂，加注温度为平均环境温度16.1℃，加注压力与一级节流后气流压力相同，模型如图3所示。通过调节器模块使进集气管线前的水合物生成温度低于三级节流后的天然气温度，将甲醇的质量流量设为可变参数进行求解，当工作制度为20×104m3/d时，得到甲醇注入量为11.72kg/h；工作制度为30×104m3/d时，甲醇注入量为9.194kg/h。

图3 注醇-节流地面流程

(3)注抑制剂与加热法联合防治水合物

对于Y27气井地面试气流程，若试气环境处于冬季低温环境或初开井状态，流程中更易生成水合物，故推荐采用注抑制剂法与加热法联合防治水合物更能适应环境要求且使得流程更加可控，注醇加热联合法节流地面流程如图4所示。

图4 注醇加热联合法节流地面流程

以工作制度为20×104m3/d为例进行模拟计算。保证进集气管线前的压力为6.5MPa，加热装置可以调节进集气管线前气流的温度，模拟得到的三级节流后天然气水合物的形成温度为13.38℃，甲醇抑制剂的质量流量为11.1kg/h。

(4)天然气水合物抑制剂用量优化

将抑制剂改为甲醇-乙二醇混合溶液，在醇类混合抑制剂组成中改变甲醇和乙二醇的比例，模拟计算得到混合溶液的质量流量见表4，模拟后的主要参数见图5。

图5 注复合醇类抑制剂加热联合法节流地面流程

表4 不同配比混合抑制剂用量表

结合表4数据并考虑当地甲醇和乙二醇价格，由于甲醇价格较低约为2000元/吨，而乙二醇价格较高为6500元/吨，若单纯从抑制剂成本考虑，单独使用甲醇抑制剂经济性是最好的；若考虑甲醇的废液处理和乙二醇的高回收率，则甲醇和乙二醇配比为6:4时为最佳配比，总量为11.70kg/h。在实际生产时，除了使用最佳的抑制剂配比，还应该综合考虑作业的危险性，以及设备使用维护等各个因素。

3.结论

（1）对Y27气井试气地面流程中井口压力、井口温度、天然气组分中H2S含量等因素对水合物形成的影响进行研究，结果表明，提高井口温度可有效防止水合物生成，Y27气井组分中影响水合物产生主要因素为H2S含量。

（2）分别对加热法、注入醇类抑制剂法以及注抑制剂与加热联合法这三种防治水合物方法进行模拟分析，结果表明，Y27井推荐采用注抑制剂法与加热法联合防治水合物更能适应环境要求且使得流程更加可控。

（3）对Y27气井试气工作制度为20×104m3/d时注复合醇类抑制剂加热联合法地面流程主要参数进行模拟优化，兼顾经济性和环保性，采用复合抑制剂，并调整优化甲醇与乙二醇比例，得到甲醇和乙二醇的最佳配比为6:4，总量为11.70kg/h。