采气期输气管线水合物形成原因影响及预防

[摘 要]冬季自采气井中采出的气体中含有水份，当采出气体处于含水的饱和状态或有液态水存在，或压力波动大时便会在管线内壁粗糙处、阀门闸板及管线弯头处甚至井筒内形成水合物。

天然气的水合物是水和天然气的冰状结晶化合物，形成水合物的危害在于，堵塞冻结正常采气的管线或闸门，影响正常采气，严重的会使管线的横剖面全部堵塞，无法正常采气。因此必须采取必要的方法，防止水合物的形成。本文对气井冬季生产时水合物的成因进行了分析，结合生产实际中总结摸索出的经验，提出了预防水合物形成的方法。

[关键词]输气管线 水合物 成因影响及预防

中图分类号：TE832 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0070-02

1、引言

喇储气库的主要作用是调峰，即：夏季把过剩的油田伴生气经过处理后通过地面设备注入地下储存，冬季用气量大，气源不足时再将天然气从地下采出，弥补用气量的缺口。在采气期，由于采出的气体含有一定的水份和携带的固体小颗粒，生产过程中，由于温度、压力及成核条件同时存在，采出的天然气中水合物便在管线、阀门及弯头处甚至井筒内形成。水合物形成后，影响管线的输气能力，严重时会堵塞管线甚至造成停产。由此可见，在采气期预防水合物形成，是完成采气任务的保证。本文就水合物的成因、影响及预防，结合生产实际进行分析说明。

2、采气时期水合物的成因及条件

2.1 采气生产过程中水合物的生成条件

天然气水合物是水和天然气的冰状结晶化合物，典型的分子式是CH4（H2O）n，其中n的典型区间为6～9。天然气的水合物外观类似松散的冰或致密的雪，为白色结晶体。下图为喇储气库气井采气过程中实际生成的水合物照片。

采气生产过程中水合物形成过程类似于盐类的结晶过程， 通常包括成核阶段和生长阶段， 主要由过冷度或过饱和度引起亚稳态结晶。水合物成核是指形成具有临界尺寸的、稳定的水合物晶核的过程； 水合物生长是指稳定核生长到固态水合物晶体的过程。

采气生产过程中水合物的形成与下列因素相关。

2.1.1 具备相应的温度和压力条件

喇储气库气井中的天然气在采出地面，即在井筒中运动的过程中，一般压力在8 MPa左右，很容易达到生成水合物的压力要求，而在此过程中如果压力的降低则会导致天然气温度的下降，产生温度差，很容易在井下某一深度达到水合物生成的温度；当温度降低后，即使在井筒内未形成水合物，温度过低的气体到达地面输气管线时，也给水合物的形成“创造”了条件。实验表明，当气井气压力足够高时，即使气体温度在22℃仍能形成水合物。

2.1.2 与采出气流高速流动，压力波动以及微小水合物晶核的诱导有关

采气时，天然气的流动是靠井底自然地层压力。压力较高的天然气在高速流动时会将地层中的杂质、油小颗粒及岩屑微粒一同带入管线，一部分粘贴在井筒内壁上，增加油管壁的粗糙度，产生阻流，导致压力波动、气流不稳定；此外，细微颗粒极易形成水合物晶核，加速管线中水合物的生成。

气体和水形成水合物晶体的过程通常可用下式表示， 即：

M（g）+nwH2O（l）M・nwH2O（s）

式中： nw为水合数，即水合物结构中水分子和气体分子之比。

2.1.3采气系统中采出天然气处于含水饱和状态或有液态水存在

地层水以及钻井和酸化压裂施工中的残留水，生产时，大部分以游离水的形式被天然气从油管带到地面。这些水的存在，不仅为管线中水合物的生成提供了重要条件，而且井筒中出来的水到地面以后由于分离器分离不彻底有一部分进入输气管线，导致输气管线积水，在一定温度和压力条件下生成水合物。

2.1.4 天然气的组分具备相应形成条件

喇储气库在采气生产中，天然气各种组分形成水合物的先后顺序是：H2S―异丁烷―丙烷―乙烷―二氧化碳―甲烷―氮气。喇储气库来气中H2S含量较高，在160mg/m3左右。

综上所述，温度越低、压力越高、杂质越多、组分越富越易形成水合物。

3 采气生产过程中水合物形成的危害

由于天然气为气态，水合物为固态，所以水合物的形成会对采气生产造成直接影响和危害，主要表现为：（1）堵塞输气管线闸门及在用设备，管线的当量直径变小，降低输气管线的输气能力，严重时可使管线的当量直径全部堵死，甚至停产。例2005年1月，因管线水合物堵塞，我站被迫停止采气，处理管线堵塞，其它年份也有不同程度管线堵塞。（2）易造成站内采气工艺系统蹩压，安全隐患较重，且管线堵塞后处理较为困难。（3）投入的处理成本增加，且处理过程中对操作人员的人身安全、环境都构成威胁。

因此，在采气期如何有效预防水合物的形成是保证冬季安全平稳供气的关键。

4、采气生产过程中预防水合物形成的措施

在一定的温度和条件下，采气生产过程中天然气中形成水合物，极易在阀门、管线弯头处形成堵塞，严重影响天然气的输送，因此必须采取措施防止其形成。生产中预防水合物形成的原则是破坏或改变水合物形成的条件，针对生产实际，我们主要采取以下方法来预防和减少水合物形成的条件。

4.1 严格执行采气计划

按照厂下发的2014年注采气方案中采气计划执行，根据单井的采气能力和所处的位置，确定开井顺序，要求按照开井顺序循环开井，并根据所需气量大小，确定开井数，每口井连续开井时间不超过15天，这样即可最大限度发挥每口井的生产能力，又防止过量开采，能有效保持地层压力平衡，，避免地层压力大的波动，可防止水合物的形成。

4.2 更换单井井口电伴热带

采气时，由井底采出的天然气首先经过井口及井场设备，通过地下管线然后输至站内。所以在天然气集输管线上敷设电伴热带，通过伴热，使天然气温度达到形成水合物的温度以上，（即高于天然气的露点）是有效防止水合物形成的手段之一。2013年夏季，对10口不能正常工作的井口电伴热带进行更换，更换后的电伴热带由单行铺设改为双行铺设，最大限度的保证伴热效果。

4.3 定期对单井放空，减少成核机会

注气时，气体中携带的油及杂质被一同注入地下，采气时，部分杂质会被气流携带出来。这些杂质会成为水合物的晶核，为形成水合物“提供”条件。因此，定期对单井放空可及时清除井底及井筒内的附着物，也可避免水合物的形成。

4.4 气井实行油套管同时采气

实行井口油套管同时采气的优点有：①井口油套管同时采气，增大了气体与井筒管壁的接触面积，流体越接近管壁，流速越慢，越有利于气体中所携带的水分在管壁上凝析，气体中从而减少了所携带的水分，可减少水合物生成的机率。②井口油套管同时采气，可大大减少油套环形空间的压差。假如油管采气，套压必然要高于油压，如果油管接头处有密封不严现象，套管中的气体就会窜入油管，当气体从高压变成低压时，体积膨胀，吸收热量，油管漏点内壁气体温度降低，当低于天然气露点时，在油管壁上结成水合物，严重时可使油管堵死而不能正常生产。当实行双管生产时，并不存在油套环形空间的压力差，不给水合物的形成创造条件。

4.5 向输气管线加注抑制剂

加抑制剂的作用是与气体中游离水形成冰点很低的溶液，同时，天然气中的水汽也可以被高浓度抑制剂吸收，导致水合物生成温度明显下降。常用的抑制剂有甲醇、乙二醇（EG）、二甘醇（DEG）等。目前我们所用的抑制剂为甲醇。在采气期，当站内单井压力呈下降趋势时，说明有水合物在管线弯头处或井底初步形成，根据形成水合物所处的位置，及时对该井加注甲醇解堵，可有效预防水合物的增加和堆积。

4.6 对气井井口的分离器改型

目前气井井口设有一个过滤精度很高（粉尘去除：1μm99%，3μm及以下99.1%，5μm及以下99.9%；液滴去除：1μm98%，3μm及以下98.6%，5μm及以下99.0%）的过滤器，由于没有分离器，从井底采出的气直接进入过滤器，气体中的杂质等大颗粒堵塞了滤芯，使过滤器失效（见图），只能打开旁通。这样气体中的杂质便成了水合物形成的晶核。

目前对井口过滤器进行了改型，由原来的滤芯式过滤器改为目前的旋流式过滤器，过滤效果较好，避免了滤芯的堵塞。下图为更换后的井口过滤器。

5、建议

天然气中含有水份是水合物形成的内在因素，因此，脱除天然气中的水分是杜绝水合物生成的根本途径。建议：

5.1 定期酸化气井

气井酸化后，即可清除地层中的污染物，又能增加单井生产能力，效果明显，建议每年酸化2～3口气井，保证储气库的采气能力。