文档介绍：天然气水合物生成条件预测模型及应用
1引言

水合物是目前科学领域中的热门课题,不仅与石油天然气开采、储存和运输密切相关,而且与环境保护、气候变迁,特别是人类未来赖以生存的能源有关。一方面,由于水合物特殊的物理化学性质潜藏着巨大的工业应用潜能,另一方面,在天然气开采及储运过程中,其压力和温度会发生变化,尤其当天然气通过突缩孔眼时,由于摩擦耗能会产生较大的节流压降和温降。同时在天然气管道中,天然气的饱和含水量随天然气压力增加或温度降低而降低,在天然气经过变径管、阀门或过滤器、油嘴等节流时,虽然压力下降,但温度也下降,管道中天然气的饱和含水量随天然气压力增加或温度降低而降低,另外由于节流产生涡流,就有可能达到水合物生成的条件。水合物会导致阀门堵塞、气井停产、管道停输等严重事故,所以研究预测水合物的生成温度和压力条件以及如何防止水合物的生成是重要以及必要的。
通常,在输送天然气过程中清除水合物的方法是用热水或热蒸汽对管道进行加热,在水合物和金属接触点上,将温度提高到30~40℃,使水合物很快分解。据统计防止水合物生成的费用约占生产总成本的5~8%。在工程上对抑制剂用量不能准确计算,抑制剂的用量往往大于实际需求量,这样一方面不利于节约成本,另一方面导致不必要的环境污染
针对上述问题,需要用科学的实验方法,准确测定天然气水合物的生成条件,并筛选和评价抑制剂的抑制效果,从而为天然气集输管道水合物防治工作提供科学依据。同时,针对旅大10-1天然气压力高、流速高以及组分复杂的特殊情况,需要建立正确的天然气水合物生成预测模型及加入抑制剂后水合物的生成预测模型,并开发出相应的实用程序。

国内外预测水合物形成压力和温度的方法大致可分为经验公式法、图解法、相平衡计算法和统计热力学模型法四大类。
⑴经验公式法是通过室外取样室内实验或现场测试水合物形成压力和温度,在此基础上,拟合得到的半经验或经验模型。经验、半经验模型具有简单、计算方便等优点,但使用范围狭窄,计算精度不高。
⑵经验图解法是根据甲烷及不同相对密度天然气形成水合物的平衡曲线,大致确定出天然气形成水合物的温度和压力。但对含有硫化氢的天然气误差较大,若相对密度在两条曲线之间,需采用内插法进行近似计算。为了便于计算机运算,图解法被回归成几个公式,若已知天然气的相对密度和温度,可选择其中合适的公式计算水合物形成压力。若已知相对密度和压力可选择其中合适的公式进行迭代求得水合物形成温度。但是这种方法也存在适用范围狭窄,计算精度不高的缺点。
⑶相平衡计算法是1940年Katz根据气—固平衡常数,提出了一种估算天然气水合物生成条件的方法,可用于计算含有典型烷烃组成的无硫天然气,。水合物的相平衡理论模型大多是在Van der Waals-Platteeuw模型的基础上发展起来的,具有很强的理论基础,计算精度高,但计算较复杂,难掌握。
⑷目前预测水合物生成条件的热力学模型几乎都是以经典统计热力学为基础的。Vander Waals和Platteeuw 在1959年提出的 Langmuir气体吸附模型,没有考虑到客体分子间的相互作用,而假定洞穴为球形对称等等。使用此模型,1964年,Saito等人提出了一种预测水合物生成条件的方法。1972年,Parrish和Pransnitz考虑到Langmuir参数仅为温度的函数,提出了简单的经验关系式计算Langmuir常数,大大简化了Vander Waals模型,并首次将Vander Waals模型推广到多元体系。1977年Ng&Robinson模型(简称NR),考虑不同客体间的相互作用,修正Van Der Waals模型。1983年HolderJohn模型(简称HJ)考虑到洞穴并非球形,水分子与洞穴中心距离不等的实际情况,采用三层球模型来描述水分子和客体分子间的相互作用,并引人扰动因子来矫正球形分子的Langmuir常数;1988年杜亚和和郭天民(简称Du&Guo88模型)利用十点Gauss数值积分法计算出不同温度下Langmuir常数;1996年,Chen- Guo基于水合物生成动力学,提出了一个完全不同于VdW- P模型的新水合物预测模型。他们认为,在生成水合物时,体系存在准化学平衡和物理吸附平衡。左有祥、郭天民基于水合物两步生成动力学机理提出了新的水合物热力学模型,与传统vdW-P模型相比,表达式得到简化且更接近普通的溶液热力学模型,该预测模型都己成功应用于纯水体系、含醇或含盐体系。

本文研究的主要内容是天然气水合物生成条件预测模型及应用。综合考虑了天然气管流及嘴流的压力和温度等水合物生成的环境因素、抑制剂及其浓度对水