深水油氣管線天然氣水合物生成條件預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用

摘 要

摘要：在深水油氣田開發(fā)中，為了有效防止天然氣水合物的生成，迫切需要對(duì)天然氣水合物生成條件進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。為此，根據(jù)深水環(huán)境壓力高和多溫度梯度的特點(diǎn)，應(yīng)用氣液兩相流理論與傳熱
摘要：在深水油氣田開發(fā)中，為了有效防止天然氣水合物的生成，迫切需要對(duì)天然氣水合物生成條件進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。為此，根據(jù)深水環(huán)境壓力高和多溫度梯度的特點(diǎn)，應(yīng)用氣液兩相流理論與傳熱學(xué)原理建立了適用于深水油氣管線的溫度預(yù)測(cè)模型；在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)5種天然氣水合物預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比優(yōu)選，結(jié)合Beggs-Brill方法建立了預(yù)測(cè)深水油氣管線天然氣水合物生成條件的模型，并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。實(shí)例研究結(jié)果表明，管線流量越大、絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)越小、絕熱層厚度越大、停產(chǎn)時(shí)間越短時(shí)，天然氣水合物的生成區(qū)域就越小。該模型可用于制訂合理的管線流量指標(biāo)、選擇恰當(dāng)?shù)墓芫€保溫材料和準(zhǔn)確計(jì)算無接觸時(shí)間，對(duì)深水油氣田的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：深水油氣管線；天然氣水合物；溫度預(yù)測(cè)模型；生成條件預(yù)測(cè)模型；無接觸時(shí)間；管線流量；絕熱材料
    隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā)，海洋油氣開發(fā)呈現(xiàn)出由水深200～300m的大陸架區(qū)域向3000m的深水區(qū)域拓展的趨勢(shì)。水位越深，油氣傳輸過程中形成天然氣水合物的風(fēng)險(xiǎn)就越大，給油氣生產(chǎn)帶來的危害也越大[1～2]。
    為了對(duì)天然氣水合物的形成進(jìn)行有效控制，必須對(duì)其形成區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)。但是由于深水多溫度梯度環(huán)境下管線溫度場(chǎng)及多相流壓力場(chǎng)的復(fù)雜性，致使無法準(zhǔn)確對(duì)深水油氣管線中天然氣水合物的生成區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]。為此，通過建立天然氣水合物生成條件預(yù)測(cè)理論模型，借助計(jì)算機(jī)，研究深水油氣傳輸過程中壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化，從而對(duì)天然氣水合物的生成區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
1 深水管線的溫度及壓力預(yù)測(cè)
1.1 管線溫度模型
    油氣在管線內(nèi)自下至上發(fā)生熱量傳遞。
    在△t時(shí)間內(nèi)，微元管段的熱量平衡方程為[4]：
    qin-qout-qR=qacc    (1)
其中
 
式中qin為通過對(duì)流方式傳入微元段的熱量，J；qout為通過對(duì)流方式帶出的熱量，J；qR為通過管線的徑向傳熱量，J；qacc為流體微元段儲(chǔ)存的熱量，J；r為油管半徑，m；λins為絕熱材料的熱導(dǎo)率，W/m·K，hin為對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2·K；stub為油管厚度，m；s為絕熱層厚度，m；v為管線內(nèi)的流體速度，m/s，ρ為流體密度，kg/m3，A為管線橫截面積，m2；Cp為流體比熱容，J/kg·K。
    當(dāng)管線流體溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，溫度不隨時(shí)間變化，故取邊界條件：當(dāng)L=0時(shí)，T=Ts；關(guān)井時(shí)，v=0。初始條件：當(dāng)t=0時(shí)，T=Tt。結(jié)合上述定解條件，利用分離變量法可以求得管線流體達(dá)到穩(wěn)態(tài)或關(guān)井時(shí)的溫度分布模型。其中Ts為入口端的流體溫度，℃；Tt為關(guān)井時(shí)的溫度，℃。
值得注意的是深水中垂向溫度分布較陸地復(fù)雜得多[5]：深水中，隨著深度的增加環(huán)境溫度是逐漸降低的，和陸地不同，深水垂向溫度呈現(xiàn)不規(guī)則的變化，一般可以擬合為多種垂向溫度分布結(jié)構(gòu)；陸上垂向溫度分布隨季節(jié)變化很小，而深水環(huán)境中則不同，甚至分布結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，因此，采用最常見的T型分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。所謂T型結(jié)構(gòu)即呈現(xiàn)為上面為混合層，中間為溫躍層，下面為混合層的3層結(jié)構(gòu)，躍層上、下界點(diǎn)明顯，如圖1所示。
 

    對(duì)于T型結(jié)構(gòu)溫度剖面，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
   
式中H為最大水深度，m；h1為躍層上界深度，m；h2為躍層下界深度，m；a為躍變層線性擬合后的斜率(即躍層強(qiáng)度)，℃/m；Tu為上混合層平均溫度，℃；Tth為躍層擬合溫度，℃；Td為下混合層平均溫度；zi(i=1，2，…，n)為從海面到水下的深度值，m；ti為對(duì)應(yīng)的觀測(cè)溫度，℃。
1.2 管線壓力的計(jì)算
    目前斜直井、定向井和水平井井筒多相流動(dòng)計(jì)算最常用的方法是Beggs-Brill方法，由于多數(shù)深水油氣管線都帶有一定的傾角，所以采用Beggs-Brill方法計(jì)算管線內(nèi)的壓力分布。
根據(jù)能量守恒原理，單位質(zhì)量氣液混合物穩(wěn)定流動(dòng)的機(jī)械能守恒方程為[6]：
 
整理得：
 
式中ρ1為液相密度，kg/m3；ρg為氣相密度，kg/m3；H1為持液率；g為重力加速度，m/s2；0為管線傾角，(°)；λ為阻力系數(shù)；G為混合物的質(zhì)量流量，kg/s；v為混合物平均流速，m/s；vsg為氣相表觀流速，m/s；p為管線平均壓力，Pa，D為管徑，m；A為橫截面積，m2。
    應(yīng)用Beggs-Brill方法時(shí)，先按水平管流計(jì)算，然后采用傾斜校正系數(shù)校正成相應(yīng)的傾斜管流。
2  天然氣水合物生成條件預(yù)測(cè)方法
    為實(shí)現(xiàn)天然氣水合物生成條件的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，需對(duì)現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法進(jìn)行優(yōu)選。目前，常見的預(yù)測(cè)方法有經(jīng)驗(yàn)圖解法[7]、波洛馬列夫法[8]、Hammerschmidt法[9]、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)模型[10]和Stergaard法[11]。
    經(jīng)驗(yàn)圖解法通過天然氣的相對(duì)密度估算天然氣水合物形成的溫度和壓力，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)，但是對(duì)含有H2S的氣體，計(jì)算結(jié)果偏差較大；波洛馬列夫法通過天然氣的相對(duì)密度來計(jì)算天然氣水合物的形成條件，分為冰點(diǎn)之上和冰點(diǎn)之下2種情況；Hammerschmidt方法最為簡(jiǎn)單，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了天然氣水合物形成溫度和壓力兩者之間的函數(shù)關(guān)系；統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)計(jì)算法是基于Van Der Waals和Platteeuw提出的氣體吸附模型，運(yùn)用熱力學(xué)公式和圖表計(jì)算天然氣水合物氣、液、固相化學(xué)位差異及各組分逸度，最后判斷天然氣水合物形成的條件，但是，氣體吸附模型涉及參數(shù)過多，Langmuir常數(shù)的計(jì)算又需要數(shù)值積分，計(jì)算復(fù)雜；Stergaard法是由Stergaard等人在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出的預(yù)測(cè)天然氣水合物生成條件的新方法，要求預(yù)測(cè)氣體的溫度在273.15～293.15K。
    利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]，通過編制計(jì)算程序，對(duì)上述5種預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1～3所示。
 

    通過對(duì)比可以看出，5種方法中統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果最為準(zhǔn)確，但是需要天然氣組分的詳細(xì)資料，而且計(jì)算繁瑣，導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定的限制；經(jīng)驗(yàn)圖解法也可得到較好的預(yù)測(cè)結(jié)果，平均誤差小于1%，且計(jì)算簡(jiǎn)單，使用方便。
    應(yīng)用上述的溫度模型結(jié)合Beggs-Brill方法計(jì)算管線內(nèi)溫度、壓力分布時(shí)，由于只涉及產(chǎn)出氣的相對(duì)密度，因此預(yù)測(cè)管線內(nèi)天然氣水合物能否生成時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)圖解法與溫度壓力模型進(jìn)行耦合[7]，從而得到天然氣水合物生成條件預(yù)測(cè)理論模型，并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序，計(jì)算程序流程如圖2所示。

3 應(yīng)用舉例
3.1 合理流量的選取
    流量的大小直接影響管線內(nèi)溫度、壓力的分布。因此，流量的選取不僅要滿足配產(chǎn)要求，還要保證管線的正常傳輸。利用上述程序，可以方便地觀察不同流量下天然氣水合物的生成狀況，從而為選取合理的流量提供依據(jù)。
    某油氣管線埋深為1000m，入口段流體溫度為27℃，壓力為15MPa，天然氣的相對(duì)密度為0.76，管線直徑為0.1016m，管線傾角為85°，體積含水率為0.3。不同流量下管線溫度與天然氣水合物生成溫度的關(guān)系曲線圖見圖3。
 

    由圖3可以看出，隨著壓力的增加，天然氣水合物的生成溫度逐漸增高。流量增大后，管線溫度曲線明顯上移，且受外界環(huán)境溫度的影響減弱，這是因?yàn)榱魉偌涌旌罅黧w與外界環(huán)境之間的熱交換時(shí)間減少所致；而此時(shí)天然氣水合物生成溫度曲線卻有輕微的下移，這是因?yàn)榱髁吭龃蠛螅Σ翐p失增大，導(dǎo)致管線內(nèi)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的壓力減少。也就是說，流量增大導(dǎo)致2條曲線向相反的方向發(fā)展，因而，可以通過調(diào)整流量來實(shí)現(xiàn)管線的正常傳輸。在上例中，流量不能低于1500m3/d，這樣才能保證該管線的正常傳輸。
3.2 管線保溫材料的選擇
    在深水管線的設(shè)計(jì)中，保溫材料的選取是一項(xiàng)極為重要的環(huán)節(jié)。通過建立的模型，結(jié)合管線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可以對(duì)絕熱材料及其厚度做出合適的選擇，從而指導(dǎo)新管線的設(shè)計(jì)。
    聚丙烯、聚乙烯和聚氨酯作為3種基本的保溫材料被廣泛應(yīng)用在石油天然氣工業(yè)的管道設(shè)計(jì)中[4]，其熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為0.35W/m·K、0.22W/m·K和0.12W/m·K(考慮一定的吸水率)，不同保溫材料、保溫厚度下的管線溫度與天然氣水合物生成的溫度關(guān)系圖見圖4。
 

    由圖4可知，保溫材料的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)越大，管線內(nèi)的溫度越高。這是因?yàn)楹穸群蛯?dǎo)熱系數(shù)的增加，增大了傳熱熱阻，減少了流體的熱量損失。該例中，要保證管線的正常傳輸，聚丙烯厚度至少需要0.0508m，聚乙烯和聚氨酯厚度則只需要0.0254m就可以。
3.3 無接觸時(shí)間預(yù)測(cè)
    無接觸時(shí)間是指關(guān)井后，管線內(nèi)任一位置都不存在形成天然氣水合物風(fēng)險(xiǎn)的最大時(shí)間[2]。無接觸時(shí)間的確定有很重要的實(shí)際意義，當(dāng)由于某種原因關(guān)井后，為防止管線內(nèi)天然氣水合物的生成，往往采用死油替代管線內(nèi)的流體，但這需要浪費(fèi)很多時(shí)間和精力，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此在實(shí)施該措施之前，工作人員會(huì)判斷修復(fù)故障所需要的時(shí)間是否大于無接觸時(shí)間，如果大于的話，就需要實(shí)施該操作，反之，則不實(shí)施。因此，無接觸時(shí)間的計(jì)算顯得十分重要。
    利用建立的溫度模型，結(jié)合關(guān)井后的初始條件，可以求出任意時(shí)刻管線內(nèi)的溫度分布。不同停產(chǎn)時(shí)間下管線溫度與天然氣水合物生成溫度的關(guān)系如圖5所示。
 

    由圖5可以看出，關(guān)井后，管線內(nèi)的流體溫度隨關(guān)井時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷下降，且井深越大，溫度下降越快，這是因?yàn)榫钤酱?，?nèi)外溫差越大，因而散熱越快。隨著關(guān)井時(shí)間的延長(zhǎng)，管線內(nèi)開始生成天然氣水合物，管線溫度曲線也逐漸接近外界環(huán)境溫度分布。
    上例中，無接觸時(shí)間約為10800s。當(dāng)關(guān)井時(shí)間達(dá)到150000s時(shí)，管線內(nèi)流體的溫度基本與外界環(huán)境溫度相等，呈現(xiàn)出典型的T型結(jié)構(gòu)分布。另外，由于流量及保溫材料的種類和厚度都會(huì)影響到無接觸時(shí)間的大小，因而，為保證一定的無接觸時(shí)間，可以相應(yīng)調(diào)整這此參數(shù)。
4 結(jié)論
    1) 同陸地相比，深水環(huán)境不僅溫度低，而且其垂向溫度分布呈現(xiàn)多溫度梯度的特點(diǎn)，因此在計(jì)算深水管線內(nèi)的溫度分布時(shí)，要特別引起重視。
    2) 在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)5種天然氣水合物預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比后可知：統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)模型精度最高，但其計(jì)算過于繁瑣；相比之下，經(jīng)驗(yàn)圖解法也可得到較好的預(yù)測(cè)結(jié)果，平均誤差小于1%，而且計(jì)算簡(jiǎn)單，使用方便。
    3) 管線流量、保溫材料的種類和厚度直接影響到管線內(nèi)流體的溫度分布。當(dāng)管線流量越大、保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)越小、厚度越大時(shí)，天然氣水合物生成的幾率就越小。
    4) 隨著關(guān)井時(shí)間的延長(zhǎng)，管線內(nèi)溫度逐漸接近于外界環(huán)境溫度，為防止天然氣水合物的生成，要盡量延長(zhǎng)無接觸時(shí)間。
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(本文作者：劉陳偉 李明忠 王磊 姚志良 中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)