气田水合物治理及节能降耗措施研究

左 敏

[中海石油（中国）有限公司深圳分公司,广东深圳 518051]

气田开采过程中，气田水合物会形成堆积到输气管道、存储层、设备中，导致输气管道堵塞、存储层损害，以及生产设备的损坏，使得气田开采作业难以顺利开展，因此需根据气田实际情况，采取合理的治理方法，清除已经生成的水合物，并抑制后续开采过程中水合物的生成，由此减少水合物堆积对气田作业产生的影响，同时在治理过程中，注意做好节能降耗措施，以提高水合物治理工作的效率和效果。

1 气田水合物概述

气田水合物，即CH4·8H2O 是指天然气与水分子在＞0.9 MPa、＜20 ℃的气田环境中相互作用形成的水合物。气田水合物中包含大量的水分子，但这些水分子并不是以自由态存在，而是被固定在一定的晶格结构中，这让气田水合物的水分子结构极为特殊。虽然气田水合物能够呈现出固体性质，但相对于常见的固体，其结构更加松散。一般而言，气田化合物通常形成于气田的储层、输气管道和采气设备中，且会逐渐积累，最终导致管道堵塞、储层损害、生产设备损坏等问题，严重影响了气田的开发和生产。因此，需要做好气田水合物的治理工作，以减轻水合物为气田生产带来的能耗、设施损耗等问题，提升气田生产水平[1]。

2 气田水合物治理研究

2.1 物理治理

就目前来看，物理治理作为气田水合物的有效治理方法类型，通过物理手段将堆积在设备、存储层、输配管道中的气田水合物予以定期的清除，可以保持气田作业体系的良好运作状态，提升气田生产水平。在物理治理中，可使用的措施种类比较多，包括加热、抽采、打捞等，需要根据实际情况、需求加以选用，以保证物理治理的效果[2]。

在此过程中，加热处理是一种常用的气田水合物治理方法。该方法主要是通过提高天然气的温度，破坏水合物的形成条件，从而防止水合物的形成。该方法支持多种加热方式，如热水循环、电热加热、热水袋加热等，操作相对简单，而且还具有成本低的优点，但在加热过程中，可能会出现加热不均匀、对管线造成腐蚀等情况。因此在实际操作中，需要根据实际情况，按照天然气组分形成水合物的临界温度，见表1，进行加热温度设置，以避免温度过高，损伤气田作业设施，也防止温度过低导致效果不理想[3]。除了加热以外，机械打捞、抽采处理，也是适用于气田水合物治理的物理方法。其中在机械打捞上，可以使用井底刮器，将气田井下的水合物，以及其他杂物打捞刮除，或者使用专门的管道打捞工具，对管道中堆积的水合物进行清除，但这种方法主要适用于水合物堵塞严重的情况，且此方法的使用对于要求较高，操作难度也较大，同时也容易对管道造成损伤。而抽采处理法则是在抽取天然气的过程中，通过对井筒进行加热、加压等处理，破坏水合物的形成条件，从而去除天然气中已形成的水合物，避免水合物堵塞运输管道、损坏配套设施。这种物理方法能够在很大程度上保护运输管道、设备等设施免受水合物的影响，但此方法也会让抽采量受限，而且可能对地层造成影响，因此不适用于抽采量较大、地层结构不稳定的情况[4]。

表1 天然气组分形成水合物的临界温度

2.2 化学治理

在气田水合物的治理中，化学治理也是常用的治理方法类型。就目前来看，化学治理方法的思路主要有以下几种：

（1）通过改变气藏的物理性质，降低水合物形成的可能性，达到水合物治理的目的。在这种思路下，常见的化学治理措施为化学吸附法，借助吸附剂的化学反应，让吸附剂表面的未饱和化学键，与天然气之间发生电子的转移与重新分布，由此使水与天然气分离，破坏水合物的形成条件。在此过程中，需要根据公式如下，进行吸附剂的用量等方面的控制，以保证治理效果。

式中，φ为相对湿度；e为实际含水量；es为天然气与水平衡时的水含量。

（2）通过改变采气方式和采气速度等参数，避免为水合物提供化学反应生成条件，以降低水合物形成的概率。在此过程中，考虑到采气速度过快可能导致温度下降过快，从而促进水合物的形成。因此，需要合理安排采气速度，以保持稳定的温度和压力条件。而且不同的采气方式对气藏的压力、温度等参数也有不同的影响，因此也要选择合适的采气方式，以减少水合物形成的风险。此外，气候也可能为水合物的生成反应提供温度条件，也要合理选择生产时间，并在温度较低的季节，应尽量减少采气量，以避免水合物的形成。

（3）通过向天然气中添加化学药剂，以预防、抑制水合物的生成。在此过程中，常用的化学药剂类型包括，乙二醇、甲醇等，常见的化学药剂见表2。

表2 常见防止、抑制水合物生成的化学药剂表

（4）通过向天然气中添加化学药剂，以分解已经形成的水合物，达到气田水合物治理的效果。在此过程中，可以先向天然气中加入一些动力学抑制剂有聚合物、表面活性剂等，然后结合加热技术，提高天然气的温度为水合物的化学分解反应提供条件，由此将已经形成的水合物分解，同时抑制后续水合物形成反应的发生，实现水合物治理。

2.3 技术治理

在气田水合物的治理中，技术治理通过采用先进的技术手段，如超声波、微波等，破坏水合物的晶格结构，从而避免水合物的形成和积累，达到水合物治理的效果。其中，超声波法是一种利用超声波能量破坏天然气水合物晶格结构，实现水合物分解治理的技术治理方法。此方法的操作一般包括4个步骤。①在气田现场安装超声波发生器、管道和收集设备等，并进行调试和测试。②通过超声波发生器产生高频声波，并使用管道将声波传递水合物堆积堵塞的位置，让其受到声波的振动和冲击。③待水合物结构损坏，并分解成天然气和水之后，通过管道将天然气收集起来。④将收集的天然气加以处理，输送存储或使用地点。总体来说，超声波法可以快速破坏水合物的晶格结构，提高治理效率，且不需要使用化学药剂或高温高压等有害物质，对环境影响也比较小。但超声波法所需的设备成本高、技术难度大，且要求高精度控制，同时对于不同类型的气田和作业条件，需设置不同的开采方法和工艺流程，这使得前期的设计准备耗费也比较大，因此在这种方法的应用上，还要根据实际的情况和需求进行操作。

而微波法，则是利用微波的加热作用，使水合物因吸收微波而导致自身发热，使得晶体结构受热破损，由此分解释放天然气，最后通过将天然气收集、运输实现对水合物的清理。在此种方法的操作中，需要设置可发出300 MHz ～300 GHz 频率电磁波的微波发生器，然后通过管道将微波传递给水合物，由此让水合物的温度升高，分解成为水与天然气，并将天然气收集运走，完成水合物的治理。在此过程中，需要注意，其本质的思路就是将水合物加热，使其受热分解，所以在操作过程中，需要根据当时的温度条件，以及水合物的分解温度，合理控制微波的参数，微波加热时长，以免温度过高损伤设备管道。这种方式与上述的超声波治理法具有几乎相同的优势，如效率高、对环境影响小等，但其在技术上也存在一定的难度，对操作精准度的要求也比较高，因此，在该方法的应用过程中需保障技术支持，让此方法的应用效果得以顺利达到预期。

3 气田水合物治理节能降耗研究

在上述治理方法中，加热、超声波震动等操作均会带来较大的电力耗费，这部分能耗一直以来都占据着气田水合物治理能耗支出的主要部分，因此，为了实现节能降耗，可以考虑选择一些对设备作业时长、能耗要求较低的方法，以控制水合物治理过程中存在的能耗支出。在此过程中，可以考虑增加抑制剂的应用，并适当提前做好甲醇、乙二醇等化学药剂的投放，由此减少水合物的生成，并结合定期的水合物清理，即可减少平时作业过程中各类高能耗气田水合物治理手段的应用，以此达到降低能耗的效果。

但如果气田生产规模较大，且环境温度较低，难以仅依靠抑制剂、防水剂来控制水合物的生成，那么则可以考虑采用一些能耗较低的水合物消解、抑制设施，与抑制剂、防水剂结合应用，由此降低水合物治理能耗。此外，在上述治理操作中，还可以考虑设置一个能耗检测控制系统，通过实时检测气田水合物治理设施的运作情况，结合实际需求，对设备的功率进行调节，以避免不必要的能耗支出。在此过程中，可以在气田水合物治理环境中，设置温度监测、湿度监测等监测设备，然后借助该检测设备，将气田运作环境信息传递给中控系统。中控系统即可运用系统中的算法，对检测到的环境参数进行运算，得到功率控制指令，再将这些指令换成为控制信号，发给控制器，此时控制器就会按照该信号，对水合物治理用设备的功率输出进行控制，由此让设备的功率输出维持在满足各类水合物治理，以及生成抑制操作所需的最低水平，消除不必要的能耗，达到节能降耗的效果[5]。总体来说，此项节能降耗的方法操作比较简单，支持自动化运行，同时其的节能降耗效果也比较明显，因此应积极地将此项节能降耗方法应用到水合物的治理工作中，由此提高治理工作效果。

在节能降耗措施的探索中，为了验证上述论述，对该方法进行了应用实验，并统计了节能降耗结果，结果显示在水合物的治理中，此方法的节能效果明显。在此过程中，将能耗监控系统进行了安装，并将各类监控终端、控制终端，设置到了相应的位置，然后启动各类水合物治理用的设备，同时观察能耗监控系统使用前后的能耗情况。结果显示，在能耗监控系统的使用期间，该气田的日间温度为11 ℃，夜间温度为0 ℃，PID 调节器电伴热系统使用的天数为130 d，PID 调节器使用前130 d 总耗电量为69512 kW·h，使用后总耗电量为41 012 kW·h，电力节约了41%，由此可见，上述节能降耗措施，在气田水合物的治理工作中具有重要的应用价值，可以显著地降低水合物治理工作所需的成本支出，有助于气田开采作业水平的提升。

4 结束语

通过选用合适的水合物治理方法，并采取相应的节能降耗措施，可以提高气田水合物治理工作效果。在气田作业中，物理、化学、技术治理方法均能够起到良好的水合物治理效果，但需从水合物治理需求、气田作业情况，以及治理成本承受能力等多个方面加以考虑，科学合理地选择水合物治理方法，同时也要针对电伴热这一大部分治理方法中均存在，且能耗较高的环节，采取相应的节能降耗措施，以降低治理工作能耗，深入优化气田水合物的治理效果。