西南石油大天然氣工程講義第10章 礦場天然氣集輸系統(tǒng)

第十章

礦場天然氣集輸系統(tǒng)

提示

科學、經(jīng)濟有效地開發(fā)氣田是通過建立和優(yōu)化配置氣田開發(fā)系統(tǒng)和礦場集輸系統(tǒng)完成的。礦場集輸系統(tǒng)由井場、集輸管網(wǎng)（采氣管線、集氣支線和干線）、各種用途的站場（集氣站、脫水站、天然氣凝液回收站、增壓站、清管站、陰極保護站和閥室等）和天然氣凈化廠（或裝置）等組成，構成統(tǒng)一的、密閉的氣體動力系統(tǒng)，此外還有自動控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。我國氣田在地理地貌條件、工況和介質條件方面差別很大，有深層異常高壓、高溫、高產(chǎn)氣田，有大面積分布的低滲低產(chǎn)氣田，有高含、氣田，有富含凝析油的深層凝析氣田等等，而且大多數(shù)主力氣田位于我國中西部，地處沙漠戈壁，荒無人煙，環(huán)境條件十分惡劣，交通非常不便，而有的則又位于人口稠密地區(qū)、位于廣闊海洋，針對不同類型氣田特點，形成了各種礦場集輸主體工藝技術。本章重點闡述天然氣節(jié)流、調壓調產(chǎn)、分離及水合物防治。天然氣凈化處理和輕烴（天然氣凝液）回收見第十一章。第一節(jié)天然氣礦場集輸站場流程

氣井所在地需設井場裝置，即井場。從氣井采出的天然氣經(jīng)節(jié)流調壓后，在分離器中脫除游離水、凝析油及固體機械雜質，計量后輸入集氣管線，再進入集氣站。在集氣站對天然氣進行節(jié)流、調壓、分離、計量，然后輸入集氣總站或天然氣凈化廠。在天然氣凈化廠進行脫除硫化氫、二氧化碳、凝析油、水分，使天然氣達到國家規(guī)定的外輸天然氣氣質標準。在天然氣礦場集輸站場流程中，站場流程分為單井集輸流程和多井集輸流程，按天然氣分離時的溫度條件，又分為常溫分離工藝流程和低溫分離工藝流程。一、井場裝置井場裝置具備三種作用：調節(jié)氣井的產(chǎn)量；調控天然氣的輸送壓力；防止生成天然氣水合物。目前，礦場上采用的井場裝置流程通常有兩種類型，也是比較典型的流程。一種是加熱天然氣防止水合物生成的流程，如圖10-1所示；另一種是向天然氣中注入抑制劑防止水合物生成的流程。1——氣井，2——采氣樹針形閥，3、5——加熱爐，4、6——節(jié)流閥圖10-1

加熱防止水合物生成的井場裝置流程示意圖

在圖10-1中，天然氣從針型閥出來后進入井場裝置，首先通過加熱爐進行加熱升溫，然后經(jīng)過第一級節(jié)流閥進行氣量調控和降壓，再通過加熱爐進行加熱升溫，經(jīng)第二級節(jié)流閥進行降壓以滿足輸氣管線起點壓力的要求。在第二種流程中，抑制劑注入器替換了圖10-1中的加熱爐，流經(jīng)注入器的天然氣與抑制劑相混合，天然氣中的一部分飽和水汽被吸收，天然氣水露點隨著降低。經(jīng)過第一級節(jié)流閥進行氣量調控和降壓，再經(jīng)第二級節(jié)流閥進行降壓以滿足輸氣管線起點壓力的要求。二、單井集輸流程當一口井天然氣中含有硫化氫、二氧化碳等組分，不宜與其他不含這些組分的氣井天然氣一起集中處理，或是氣井壓力太高或過低時，應采用單井集輸工藝流程。下面以常溫分離為例來介紹單井集輸流程。我國目前采用的常溫分離單井集輸工藝流程有兩種，含三相分離器的流程如圖10-2所示。1—從井場裝置來的采氣管線，2—進站截斷閥，3—加熱爐，4—節(jié)流閥，5—三相分離器，6—孔板計量裝置，7、11、15—出站截斷閥，8—集氣管線，9、13—液位控制自動放液閥，10、14—流量計，12—放液烴管線，16—放水管線圖10-2

常溫分離單井集輸工藝流程圖

常溫分離單井集氣站通常是設置在氣井井場。兩種流程不同之處在于分離設備的選型不同，前者為三相分離器，后者為氣液分離器，因此其使用條件各不相同。前者適用于天然氣中液烴和水含量均較高的氣井，后者適用于天然氣中只含水或液烴較多和微量水的氣井。三、多井集輸流程當多口井的氣體適合于集中處理時，可以將多井天然氣匯集在集氣站統(tǒng)一處理。但由于不同井、不同氣層氣體的組分、組成以及氣體所處狀態(tài)可能千差萬別，因此對氣體的處理、加工等工藝方式并不相同，在集氣站，通常有兩種處理流程，即常溫分離流程和低溫分離流程。1、常溫分離多井集輸流程對于硫化氫含量較低、凝析油含量不高的天然氣一般采用常溫分離流程。常溫分離多井集輸流程一般有兩種類型，含三相分離器的流程如圖10-3所示。圖10-3

常溫分離多井集輸工藝流程圖

兩種流程均不同點在于前者的分離設備是三相分離器，后者的分離設備是氣液分離器。因此兩種流程的適用條件不同，前者適用于天然氣中油和水的含量均較高的氣田，后者適用于天然氣中只有較多水或較多液烴的氣田。兩種流程所示僅為兩口氣井的常溫分離多井集氣站。多井集氣站的井數(shù)取決于氣田井網(wǎng)布置的密度，一般采氣管線的長度不超過5km，井數(shù)不受限制。以集氣站為中心，5km為半徑的面積內(nèi)，所有氣井的天然氣處理均可集于集氣站內(nèi)。所示僅為兩口氣井的常溫分離多井集氣站。2、低溫分離多井集輸流程對于壓力高、產(chǎn)量大、硫化氫和二氧化碳含量高以及凝析油含量高的天然氣宜采用低溫分離流程。所謂低溫分離，即分離器的操作溫度在0℃以下，通常為-4—-2℃。天然氣通過低溫分離可回收更多的液烴。比較典型的低溫分離集輸流程分別如圖10—4所示。圖10-4

低溫分離多井集輸工藝流程圖這種流程的特點是低溫分離器底部出來的混合液在站內(nèi)進行分離，即將液烴和抑制劑富液分別送到液烴穩(wěn)定裝置和富液再生裝置去處理。實際應用中到底采取哪一種低溫分離流程，取決于天然氣的組成、低溫分離器的操作溫度、穩(wěn)定裝置和提濃再生裝置的流程設計要求。

第二節(jié)天然氣礦場集輸管網(wǎng)

天然氣礦場集輸管網(wǎng)是集輸系統(tǒng)重要組成部分。集輸管線包括采氣管線、集氣支線和干線。從氣井至集氣站第一級分離器入口之間的管線稱為采氣管線；集氣至凈化廠或長輸管線首站之間的管線稱為集氣管線。集氣管線分為集氣支線和集氣干線。集氣管網(wǎng)通常分為枝狀、放射狀、環(huán)狀和成組狀管網(wǎng)。如圖10—5所示。枝狀管網(wǎng)形同樹枝狀（a），它有一條貫穿于氣田的主干線，將分布在干線兩側氣井的天然氣通過支線納入干線，由干線輸至集氣總站或凈化廠。該集氣管網(wǎng)適于長條狀氣田。放射狀集氣管網(wǎng)（b）適于井位相對集中的氣田。

圖10-5

礦場集輸管網(wǎng)的類型1—氣井；2—采氣站；3—采氣管道；4—總站或增壓站按集中程度將若干口氣井劃為一組，每組中設置一集氣站，各井天然氣通過采氣管線納入集氣站。這種管網(wǎng)布局便于天然氣和污水的集中處理，也可減少操作人員。環(huán)狀集氣管網(wǎng)（d）是將集氣干線布置成環(huán)狀，承接沿線集氣站的來氣。在環(huán)網(wǎng)上適當?shù)奈恢靡龉芫€至集氣總站。這種集氣流程調度氣量方便，氣壓穩(wěn)定，局部發(fā)生事故時影響面小。一般用于構造面積較大的氣田。成組狀集氣管網(wǎng)(c)，在實際工程中，集氣管網(wǎng)的類型并不都是單一的某一種類型的管網(wǎng)，而常常是其中的兩種甚至三種的組合。此外，集輸管網(wǎng)按壓力等級分高、中、低壓三種，如一般壓力在10MPa以上為高壓集氣，1.6～10MPa為中壓集氣,小于1.6MPa為低壓集氣。集輸管網(wǎng)的輸送方式有干氣和濕氣輸送兩種，采氣管線一般為濕氣輸送。含硫氣田集氣支線和干線多采用干氣輸送。凝析氣田一般采用高壓氣液混輸和低溫分離的集輸工藝流程。按布站方式可分一般布站（單井集氣，在井場實施節(jié)流、調壓、分離、計量、加溫、注醇、排水采氣等）和二級布站（多井集氣、將分離、計量集中在集氣站，這樣簡化了井口流程及管理）等。見文[1-2]。管網(wǎng)的類型主要取決于氣田的形狀、井位布置、所在地區(qū)的地形、地貌以及集輸工藝等諸多方面的因素。因此，管網(wǎng)的布局是一個較為復雜的“系統(tǒng)”問題，要進行優(yōu)化布置，對提高氣田開發(fā)經(jīng)濟效益有關鍵意義。在天然氣礦場集輸系統(tǒng)中，天然氣的節(jié)流調壓、計量、氣液分離以及水合物形成與防治是非常重要的工藝過程，為此，本章下面幾節(jié)就針對這幾個工藝過程分別予以詳細介紹。

第三節(jié)

節(jié)流調壓

天然氣在管道中流動，通過驟然縮小的孔道，例如孔板或針形閥的孔眼，由于摩擦耗能使氣壓顯著下降，這種現(xiàn)象稱為節(jié)流。利用節(jié)流，可以達到降壓或調節(jié)流量的目的。針形閥是井場及低溫、常溫集氣站的主要節(jié)流手段。節(jié)流有一次節(jié)流和多級節(jié)流之分，根據(jù)井口壓力大小和安全生產(chǎn)的需要加以選擇。本節(jié)先說明兩點：（1）天然氣節(jié)流為什么溫度會降低；（2）如何預測節(jié)流后的溫降。至于節(jié)流后能否生成水合物，后面再作介紹。天然氣經(jīng)過針形閥節(jié)流，具有一般氣體節(jié)流的特點。天然氣通過孔眼，在孔眼附近的氣流會發(fā)生擾動，因此節(jié)流是不可逆過程。通過孔眼時流速很高，在孔眼附近的氣流和外界的熱交換一般很小，可以忽略不計，節(jié)流過程可視為絕熱過程。實際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，所以節(jié)流后的溫度將發(fā)生變化。這一現(xiàn)象稱為節(jié)流效應或稱焦爾—湯姆遜效應。一、微分節(jié)流效應節(jié)流時，微小壓力變化所引起的溫度變化稱微分節(jié)流效應，用微分節(jié)流效應系數(shù)表示：

（10-1）

由熱力學基本關系式，可導出表示微分節(jié)流效應系數(shù)與節(jié)流前氣體狀態(tài)參數(shù)p、V、T之間關系的一般表達式（見第十一章）：

（10-2）

式中——氣體的定壓比熱，kJ/(kg.K)對于理想氣體，由于PV=RT，，由式（10-2）得=0，意指理想氣體節(jié)流時溫度不發(fā)生變化。對于實際氣體，節(jié)流后溫度的變化決定于式（10-2）中的分子的正負（因>0）?？赡苡腥N情況：時，>0，節(jié)流后溫度降低；

時，=0，節(jié)流后溫度不變；

時，<0，節(jié)流后溫度升高。

為解釋天然氣節(jié)流后溫度降低的物理實質，將式（10-2）用另外一種形式表達。在熱力學上，從麥克斯韋關系式導出的焓的普遍式，可以得出：

利用上式和焓的定義式（H=E+pV），可以得出

（10-3）

式中：

E——內(nèi)能，kJ/kg；

pV——移動功，kJ/kg；式（10-3）說明主要由內(nèi)能和移動功兩部分能量組成。對所感興趣的天然氣節(jié)流過程：（1）由于天然氣在絕熱膨脹過程中，壓力降低、比容增大，此時必須消耗功來克服分子間的吸引力。但是由于外界無能量供給氣體，分子間位能的增加只能來自分子動能的減少，因此產(chǎn)生使氣體溫度降低的效應。即

或

（2）對于天然氣節(jié)流，其移動功隨壓力降低而增加。即

或

綜合動能和移動功的變化，得出>0的結論清楚說明，天然氣節(jié)流后溫度降低。有關節(jié)流膨脹的詳細計算參見本書第十一章。二、積分節(jié)流效應實際節(jié)流時，壓力變化為一有限值，有限壓力變化所引起的溫度變化，稱積分效應，用符號表示：

（10-4）

式中

、——分別為氣體節(jié)流前、后的溫度，K；

、——分別為氣體節(jié)流前、后的壓力，MPa。由于積分符號內(nèi)的不僅是壓力的函數(shù)，而且還是溫度的函數(shù)。因此（10-4）不能積分，不可能有精確的解析解。近似計算時

（10-5）

式中：——在范圍內(nèi)的平均值。計算式為

（10-6）

第四節(jié)

天然氣計量

一、天然氣計量分級與儀表配備1、天然氣計量分級一級計量——油田外輸干氣的交接計量。二級計量——油田內(nèi)部干氣的生產(chǎn)計量。三級計量——油田內(nèi)部濕氣的生產(chǎn)計量。2、

天然氣計量儀表的配備1）一級計量。油田外輸氣為干氣，排量大，推薦用標準節(jié)流裝置（準確度±1%）。在有條件的地方應選用高級孔板易換裝置（也稱高級孔板閥）可以帶壓更換孔板。所選孔板必須由不銹鋼制造，并必須由檢定單位按JJG《天然氣流量測量用標準孔板》的要求檢定，獲合格證書后方可安裝使用?？装逵嬃勘仨毎磭鴺薌B2624—81《節(jié)流裝置的設計安裝和使用》及行業(yè)標準SYL04—83《天然氣流量的標準孔板計量方法》要求進行設計計算及安裝。選用準確度為±0.5%的壓力及溫度變送器。在直管段前安過濾器。目前，我國對天然氣輸量一級計量的綜合計量誤差為±3%，標準孔板可滿足此要求。2）二級計量。二級計量的介質為干氣，選用孔板節(jié)流裝置比較合適（準確度應不低于±1.5%）。由于高級孔板易換裝置造價高，為保證檢測方便，推薦選用普通孔板易換裝置（又稱普通孔板閥）或簡易孔板易換裝置（又稱簡易孔板閥）?？蛇x用準確度為±1%的壓力及溫度變送器，二級計量的綜合計量誤差應在±5%以內(nèi)。3）三級計量。三級計量的介質為濕氣，不適合選用孔板計量，可選用氣體腰輪流量計、渦街流量計等。儀表的準確度應不低于±1.5%，一般為離線檢定，應保證拆裝方便，流量計前應配過濾器。三級計量的綜合計量誤差應在±7%以內(nèi)。二、天然氣的計量儀表天然氣具有濕度小、較清潔、流量大而且流量相對穩(wěn)定的特點，油田干氣可選用差壓式標準節(jié)流裝置、氣體渦輪流量計、旋渦流量計、渦街流量計、氣體羅茨流量計以及旋葉容積式氣體流量計等。流量計種類繁多，用于計量天然氣的主要有兩類。1）容積式流量計容積式流量計是使氣體充滿一定容積的空間來測量流量。這類流量計有腰輪流量計（羅茨流量計），濕式流量計和皮囊式流量計等。2）速度式流量計速度式流量計是利用氣體流通斷面一定時，氣體的體積流量與速度相關，可用測量氣體速度的方法計量氣體流量。這類流量計有多種，孔板差壓流量計就是其中之一，鉆井隊試氣常用的臨界速度流量計也屬這一類。新一代氣體流量計的開發(fā)研究從未中斷過。質量流量計是世界各國發(fā)展的重點，這種流量計不受溫度、壓力和氣體偏差系數(shù)的影響，具有直讀瞬時和累計流量的特點，無需象孔板差壓流量計那樣進行復雜計算。此外，電磁流量計、超聲波流量計、渦輪流量計、靶式流量計等都是國內(nèi)外競相開發(fā)的新型流量計。我國正在研究的有質量流量計、渦輪流量計和靶式流量計等。當前，我國天然氣工業(yè)中使用的流量計仍以孔板差壓流量計為主，僅采輸部門的統(tǒng)計。已占天然氣流量儀表的98%以上。對于這種流量計，原石油工業(yè)部在1983年頒布了部標準SYL04—83《天然氣流量的標準孔板計量方法》,該標準對孔板計量有關的問題，諸如對標準孔板、取壓方式、管道安裝等提出明確規(guī)定。流量計量本身是一大學科，其涉及知識面廣，下面僅對孔板差壓流量計和渦輪流量計作一簡要介紹。見文[6]。1、孔板差壓流量計孔板差壓流量計由標準孔板、取壓裝置、導壓管和差壓計組成，如圖10-6所示。標準孔板是一塊金屬板，具有與測量管軸線同心的圓形開孔，其入口直角邊緣加工非常尖銳，安裝時孔板開孔與測量管應在同一軸線上。氣體通過標準孔板時由于截面積突然縮小，流束將在孔板開孔處形成局部收縮，流速加快，在開孔前后產(chǎn)生壓差。流量愈大，壓差愈大。通過測量壓差可計量流量。由孔板產(chǎn)生的壓差是隨不同取壓位置而變化的。部標準規(guī)定標準孔板的取壓方式為角接取壓和法蘭取壓兩種。在本節(jié)中，僅講述角接取壓一種。角接取壓是在標準孔板與測量管壁的夾角處測取孔板上下游的壓力。圖10-6孔板差壓流量計示意圖

圖10-7氣體渦輪流量計示意圖1—測量管；

2—夾持孔板的部件；3—標準孔板；4—導壓管；5—差壓計標準孔板所產(chǎn)生的壓差，通過導壓管將壓差訊號傳送給差壓計，并由差壓計顯示出來。差壓計的類型也很多，目前氣田上用的是雙波紋管差壓計，占所有差壓計的95%以上。

2、氣體渦輪流量計置于氣體中的渦輪，其旋轉的角速度與被測氣體的瞬時流量成正比。渦輪的轉動經(jīng)過減速，由磁性耦合系統(tǒng)驅動計數(shù)器。計數(shù)器直接顯示被測氣體的體積值。氣體渦輪流量計結構如圖10-7所示。固定渦輪的中心軸支撐在兩個軸承上，并安裝在專用支架上。在渦輪的上游和下游處裝有若干片幅射形整流板，用以對氣流進行整流并防止渦流的出現(xiàn)，以提高其線性度。為提高流量計的可靠性和使用壽命，在傳動系統(tǒng)中，裝有油路潤滑裝置。

三、氣量計算1、標準孔板計量可按下式計算：

（10-7）

式中

——標準條件下氣體的體積流量，m3/h；

——常數(shù)，依表示條件而定，流量用標準條件表示時，=0.0003619；

——流量系數(shù)；

d——工作溫度下孔板開孔直徑，mm；

——相對密度系數(shù)；

ε——流束膨脹系數(shù)；

——超偏差系數(shù)；

——流動溫度系數(shù)；

——孔板上游側取壓口氣流絕對靜壓，kPa；

——氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的靜壓，Pa。各系數(shù)和參數(shù)的確定詳見部頒標準SYL04-83中的有關部分。2、流量計計量流量計可計量出工作條件下的氣體體積，而要得到標準體積，須進行溫度、壓力修正：

式中

p——工作狀態(tài)下的氣體表壓力，MPa；

——當?shù)卮髿鈮毫Γ琈Pa；

t——工作條件下的氣體溫度，℃；

Q——流量計指示值，m3。

第五節(jié)氣液分離

從井中采出的天然氣或多或少都帶有一部分液體（凝析油、礦化水）和固體雜質（巖屑、砂粒）。這些液體和固體雜質帶進站場，會堵塞管線和磨損設備。因此，在單井井場和多井集氣站都安裝有分離器，對氣—液、氣—固進行初步分離。氣液分離包括相平衡分離和機械分離。相平衡分離是在一定的分離條件下，將液相物料送進分離器進行閃蒸，或是將氣相物料送進分離器進行部分冷凝，兩者都可能分離出氣、液兩相產(chǎn)品。機械分離主要是靠重力作用，通過分離器及其部件，實現(xiàn)氣、液兩相的重力分異，分離成氣、液產(chǎn)品。全面理解氣液分離應是相平衡分離與機械分離的統(tǒng)一。物料經(jīng)過相平衡分離獲得不同數(shù)量和質量的氣液兩相，而機械分離按兩相密度差異將它們分開。機械分離的主要設備是分離器。包括常用的油氣分離器和氣水分離器、輸氣干線上的分水器、進壓縮機前的除塵器等。分離器的類型有立式分離器、臥式單筒分離器、臥式雙筒分離器、球形分離器和臥式三相分離器等類型。無論其名稱和類型，就分離氣井產(chǎn)出的流體來說，分離器應具有以下功能：（1）

實現(xiàn)液相和氣相的初次分離。例如，氣水井產(chǎn)出的流體包括天然氣和自由水，初次分離要實現(xiàn)氣、水分開；（2）改善初次分離效果，將氣相中夾帶的霧狀液滴分離；（3）進一步將液相中夾帶的氣體分離；（4）在確信氣體中無液滴、液體中無氣體時，連續(xù)地將氣液分別排出分離器。為實現(xiàn)上述功能，分離器的內(nèi)部結構都有某些共同之處：（1）氣液的初次分離段，一般通過離心式入口裝置實現(xiàn)；（2）足夠長或高的沉降段，使液滴能從氣體中沉降到分離器底部；（3）分離器的氣體出口處都裝有除霧器，捕捉氣流中不能靠自身沉降的微小液滴；（4）分離器的控制閥件及儀表，如液位控制器、薄膜控制閥、出油閥、安全閥、回壓閥、壓力表和溫度計等附件。以上各點，可參見各種類型的分離器及有關部件。一、多級分離器逐級降低分離器壓力，經(jīng)過兩級或兩級以上的閃蒸或部分冷凝，將氣井所產(chǎn)的流體分離成氣、液兩相的工藝方法稱為多級分離。在多級分離流程中，由于最后一次閃蒸分離是在油罐中發(fā)生，因此總是將油罐當作氣液分離的最后一級。多級分離器的目的在于使氣井所產(chǎn)生的流體在逐級減壓時稍事停留以便獲得更穩(wěn)定的液相產(chǎn)品和較高的液相收率。高壓凝析氣田的地面分離流程通常采用多級分離，目的就是多回收液烴。多級分離并不意味著分離器用的愈多愈好。兩級分離的液烴收率比一級分離略增2—12%

（文獻上介紹的最高數(shù)字為20—25%）。影響液烴收率的因素不僅是分離級數(shù)，還包括氣井所產(chǎn)流體的組成、分離溫度和壓力等。從經(jīng)濟效益上看，兩級以上分離，多增加一臺分離器的成本，可能超過這臺分離器多回收液烴增加的收入。因此，對于凝析氣田地面分離流程，由兩臺分離器和一個油罐組成的三級分離流程一般認為較為合理和經(jīng)濟。下面介紹確定各級分離器壓力的方法。第一級分離器（高壓分離器）的分離壓力取決于井口流壓和進干線所需的壓力，其壓力范圍約為4—8MPa。根據(jù)第一級壓力，利用下面介紹的公式可以確定能獲得較高收率的后面幾級的分離壓力

（10-8）

（10-9）

（10-10）

式中

R——壓力比；

n——級數(shù)，n=級數(shù)－1；

——油罐內(nèi)的壓力；

、、——第一、二、三級分離壓力。例10-1

已知=6MPa，=0.101MPa。求（1）三級分離各級壓力；（2）四級分離各級壓力。解：（1）求三級分離各級壓力

MPa

（1）

求四級分離各級壓力

MPa

MPa

二、分離器的選擇分離器的處理能力與所分離流體的性質、分離條件以及分離器本身的結構形式和尺寸有關。對于一定性質和數(shù)量的處理對象，則取決于分離器的類型和尺寸。表10-1列出了單筒臥式、立式和球形分離器各方面性能的優(yōu)、中、差比較表，可作為選型參考。選擇分離器的類型主要考慮井內(nèi)產(chǎn)物特點。例如，對于氣水井和泥砂井適宜選用立式油氣分離器，對于泡沫排水井和起泡性原油井適宜選用臥式分離器，而對于凝析氣井則使用三相分離器較為理想。對于某一類型的分離器，其銘牌上都標有工作壓力、溫度、直徑、高度和日處理量等參數(shù)，也就是根據(jù)這些參數(shù)選擇分離器。其它參數(shù)已定，主要的是計算氣、液日處理量是否滿足要求。在國外經(jīng)常通過查圖表來確定分離器的處理量，氣液處理量的計算方法很多。下面介紹一種較簡單、實用的計算氣體通過能力的計算式

（10-11）

和

（10-12）

式中

ν——根據(jù)分離器橫截面積計算的氣體表觀速度，m/s；

A——分離器的橫截面積，m2；

q——在分離條件下的氣體處理量，m3/s；

——在分離條件下液體密度，kg/m3；

——在分離條件下氣體密度，kg/m3；

K——經(jīng)驗常數(shù)，對于立式分離器K=0.018—0.107，平均取0.064；對于臥式分離器

K=0.122—0.152，平均取0.137。對式（10-11）和（10-12）進行必要的狀態(tài)和實用單位換算，日處理氣體能力為

（10-13）

式中

——分離器日處理量，104m3/d；

D——分離器內(nèi)徑，m；

p——分離器工作壓力，MPa；

T——分離器工作溫度，K；

Z——在p、T條件下的偏差系數(shù)。液體通過能力取決于液體在分離器中停留的時間。對于凝析氣井，停留時間應保證在分離條件下氣液兩相建立相平衡；對于泡沫排水井，停留時間應考慮泡沫的需要?？赏ㄟ^下式計算停留時間

（10-14）

式中

W——分離器日處理液量，m3/d；

V——液體停留體積，m3；

t——液體停留時間，min。

表10-1

幾種分離器性能比較表性

能

參

數(shù)臥式

(單筒）立式球形分離效率優(yōu)中差分離所得液烴的穩(wěn)定程度優(yōu)中差適應各種情況（如間隙流）的能力優(yōu)中差操作的靈活性（如調整液面高度）中優(yōu)差處理雜質的能力差優(yōu)中處理起泡原油的能力優(yōu)中差單位處理量的分離器價格高中低作為移動式使用的適應性優(yōu)差中平面大小中立面高低中安裝的簡易程度中難易檢查和保養(yǎng)的簡易程度易繁中

天然氣開采中還有兩類分離器值得重視：1）旋風分離器，為分離氣流中顆粒，僅靠重力是不盡合理的，重力分離器的尺寸會做得很大，多消耗鋼材。在生產(chǎn)中還利用離心力來增大分離效果，體積可做得很小。氣流從切線方向通過進口管進入分離器內(nèi)，并在其內(nèi)作旋轉運動，密度較大的顆粒被拋到器壁上，由于其重力和氣流帶動顆粒向下運動，達到圓錐體底部后被排出，氣流則折回向上，形成旋流，從出口管流出。2）三相分離器，用來分離和脫出可能出現(xiàn)的游離水，尤其像凝析氣田開采中、后期，采出的液體中常常是凝析油含水，不僅要氣液分離，還要油水分離，它靠油水密度差和分離器內(nèi)安裝堰板來實現(xiàn)油水分離。見文[1-11]。第六節(jié)天然氣水合物

天然氣水合物是在天然氣開采、加工和運輸過程中在一定溫度和壓力下天然氣中的某些烴類（C1-C5）組分與液態(tài)水形成的冰雪狀復合物（由氣體分子嵌入水的晶格中組成）。嚴重時,

這些水合物能堵塞井筒、管線、閥門和設備,

從而影響天然氣的開采、集輸和加工的正常運行。天然氣水合物發(fā)現(xiàn)于19世紀初。關于水合物結構和生成條件的數(shù)據(jù)多半是20世紀30

年代獲得的。從20世紀60年代開始,

原蘇聯(lián)、美國、

荷蘭相繼開展了水合物的結構與熱動力學研究。70年代初,

原蘇聯(lián)科學家論證了地殼中存在有水合物生成帶并可能形成大的工業(yè)水合物礦藏。之后,

美國在深海鉆探中發(fā)現(xiàn)了海底水合物實物,

原蘇聯(lián)發(fā)現(xiàn)了世界上第一個水合物礦藏——麥索亞哈氣田。80年代以來,對氣水合物的研究已相當普遍和深入了。目前,

國外在水合物方面的研究重點是:（1）

水合物的結構、穩(wěn)定性、物理化學性質以及形成、分離的熱動力學;（2）

天然氣工業(yè)處理系統(tǒng)中水合物的預報和清除,

水合物生成抑制劑的應用;（3）

水合物地質學、水合物分布與儲量計算;（4）

水合物地球物理普查;（5）

水合物地球化學和找礦標志;（6）

水合物礦物開采方法等。水合物在工業(yè)上至少還具有以下有前途的利用途徑:（1）

海水的淡化,目前已形成系統(tǒng)的工業(yè)裝置;（2）

氣體儲存和運輸;（3）

降低天然氣含水量,

提高氣體壓力,

利用結晶水合物制冷;（4）

雙組分和多組分氣體和液體混合物的分離;（5）

大陸之間天然氣的運輸;（6）

利用水合物進行同位素濃縮;（7）

利用水合物制造特種水泥。水合物有很高的吸附氣體的能力,1體積的水合物可含200倍于這個單位的氣體。據(jù)預測,地殼中氣水合物的氣藏儲量要比常規(guī)天然氣的儲量大好幾個數(shù)量級。原蘇聯(lián)院士A.A特羅菲姆克認為:“有利于天然氣水合物形成條件的地區(qū)占陸地面積的27%,

其中大部分分布在凍土層中;

在90%的世界海洋中都具備水合物生成的有利溫度和壓力條件,

可見天然氣水合物作為一種新的礦產(chǎn)資源,

將在21世紀或人類未來能源中具有極大的潛力。水合物象冰,

它既可存在零下溫度,

又可存在零上溫度環(huán)境中。水合物具有比其它冷凝相氣體低幾十倍的平衡壓力。

當溫度達到水合物生成的臨界值時,

即使氣體不能液化,

仍可生成水合物。

本節(jié)主要介紹天然氣開采，集輸過程中水合物生成條件及防治方法，以避免對生產(chǎn)造成嚴重的危害。見文[12]。一、天然氣水合物的生成條件水合物的主要生成條件有:（1）有自由水存在,天然氣的溫度必須等于或低于天然氣中水的露點;（2）低溫,

體系溫度必須達到水合物的生成溫度;（3）高壓。除此之外,在下列因素的影響下,也可生成或加速天然氣水合物的生成,

如高流速、

壓力波動、氣體擾動、H2S、CO2等酸性氣體的存在和微小水合物晶核的誘導等。在同一溫度下,

當氣體蒸汽壓升高時,

形成水合物的先后次序分別是硫化氫→異丁烷→丙烷→

乙烷→二氧化碳→甲烷→氮氣。在確定巖石孔隙中水合物生成條件時,必須考慮多孔介質中毛細管現(xiàn)象的影響。間隙水生成水合物比自由接觸時需要較低的溫度或較高的壓力。二、天然氣水合物的結構與分類天然氣水合物是水和烴類氣體物理化學結合的產(chǎn)物,從外表看類似于冰或雪,

是白色結晶體。按目前的認識,

氣體處在水合物晶格的水分子節(jié)點之間的空穴中,

水合物分子是依靠范德華力保持著平衡,

根據(jù)X射線對天然氣水合物結構的分析,

氣體水合物的主晶格有三種結構類型,

即Ⅰ型和Ⅱ型、和H型結構，如圖10-8所示（只列出兩種）。Ⅰ型水合物為立方晶體結構，分布最廣泛，、乙烷兩種小分子量烴和N2、CO2和H2S等非烴類分子，Ⅱ型水合物為菱形晶體結構，除包含Ｃ１、Ｃ2外，較大“籠單元”（水合物晶體中水分子間的空穴）可容納丙烷、異丁烷等烴類。H型結構為六方晶體結構，其大的“籠單元”可接納直徑超過異丁烷的分子，如異戊烷和直徑在7.5-8.6(=10-10m)之間的分子,它早先只在實驗室里發(fā)現(xiàn),1993年在美墨西哥灣大陸斜坡發(fā)現(xiàn)了它的天然產(chǎn)物。三、天然氣水合物生成條件的預測圖10-8天然氣水合物結構和晶格A—Ⅰ型結構

B—Ⅱ型結構目前,有很多可供選擇的確定天然氣水合物生成壓力和溫度的方法,大致可分為圖解法、經(jīng)驗公式法、相平衡計算法和統(tǒng)計熱力學法四大類。目前廣泛應用的要數(shù)圖介法。1、圖解法圖解法主要有根據(jù)相對密度曲線和節(jié)流曲線預測水合物生成條件的兩種方法。1）相對密度曲線法圖解法在礦場實際應用中非常方便，是一種有效的方法。天然氣從井底到井口，

從井口到集氣站,

又從集氣站到用戶,

沿線的溫度和壓力要逐漸降低,

如需確定各點是否生成水合物,

可利用圖10-9甲烷和天然氣相對密度為0.6、0.7、0.8、0.9和1.0的五種，引自文[3]。天然氣預測生成水合物的壓力和溫度曲線。曲線上每一個點對應的溫度,

即為該點壓力條件下水合物的生成溫度。每條曲線的左區(qū)是水合物生成區(qū),

右區(qū)是非生成區(qū)。2）節(jié)流曲線法

天然氣在開采、輸送過程中,

通過節(jié)流閥時將產(chǎn)生急劇的壓降和體積膨脹,

溫度將驟然降低,

如需判斷在某一節(jié)流壓力下是否形成水合物,

可利用密度為0.6、0.7、0.8、0.9和1.0的天然氣節(jié)流壓降與水合物關系圖。見圖10-10～圖10-12（此處列出三種，引自文[3]）。2、經(jīng)驗公式法

1）

波諾馬列夫（俄）法波諾馬列夫對大量實驗數(shù)據(jù)進行回歸整理,得出不同密度下天然氣水合物生成條件方程:

當T〉273.1K時Lgp=-1.0055+0.0541(B+T-273.1)

（10-15）

當T≤

273.1K時Lgp=-1.0055+0.0171(B1-T-273)

（10-16）

式中

p——壓力，kPa；T——水合物平衡溫度，KB，B1——與天然氣密度有關的系數(shù)，見表10-2

——氣體相對密度。表10-2

B和B1系數(shù)表0.560.600.640.660.680.700.750.800.850.900.951.0024.2517.6715.4714.7614.3414.0013.3212.7412.1811.6611.1710.7777.4064.2048.6046.9045.6044.4042.0039.9037.9036.2034.5033.10

例10-1

已知天然氣的摩爾組成如下表所示，求天然氣在9.56Co時的水合物生成壓力。組

分C1C2C3C4N2CO2合計摩爾分數(shù)（yi,f）0.7840.0600.0360.0240.0940.0021．000

解

根據(jù)氣體組成數(shù)據(jù)，求得氣體相對密度

=0.6933由表10-2用內(nèi)插法求得

因T=273+9.5574=282.6

〉273K,所以

2)

水合物生成條件預報的二次方多項式天然氣密度為0.6～1.1的多種天然氣在壓力低于30MPa時,生成水合物的條件方程為:

（10-17）

式中：α──在T=273.1K時生成水合物的平衡壓力;K.，β──

與天然氣密度有關的系數(shù)，見表10-3表10-3

系數(shù)

K和β與天然氣密度的關系

相對密度

0.560.60.70.80.91.01.1

K

0.0140.0050.00750.010.01270.0170.02

β

1.121.000.820.700.610.540.46

圖10-9

水合物生成壓力—溫度曲線圖10-10

不生成水合物時膨脹狀態(tài)（）

圖10-11—不生成水合物時膨脹狀態(tài)（）圖10-12—不生成水合物時膨脹狀態(tài)（）

3、相平衡計算法1941年卡茲提出了應用相平衡常數(shù)來計算天然氣水合物的生成條件,其計算方法與多組分體系的露點計算法相類似，參見本書第三章。四、預防生成水合物的方法水合物若在井底、井口針形閥、場站設備或集輸管線中生成，會降低氣井產(chǎn)能，嚴重影響氣井正常生產(chǎn)，甚至會造成停產(chǎn)事故。因此，如何防止水合物的生成是采氣工藝中應該特別研究的問題。如前所述，天然氣中含水分是生成水合物的內(nèi)在因素。因此，脫除天然氣的水分是杜絕水合物生成的根本途徑。管道中有水合物堵塞現(xiàn)象，打開閘門，放空卸壓，可介除水合物堵塞，這是一種應急措施。此外，還有兩種防止地面流程中生成水合物的有效措施。1、提高節(jié)流前天然氣的溫度將節(jié)流前的天然氣溫度提高，使節(jié)流后溫度高于水合物生成的溫度，這樣就可達到預防節(jié)流后生成水合物的目的。2、天然氣中注入抑制劑向天然氣中注入各種能降低水合物生成溫度的天然氣水合物抑制劑。常用的抑制劑有甲醇、乙二醇（EG）、二甘醇（DEG）等。甲醇、乙二醇和二甘醇的物理化學性質如表10-4所示。國外還有采用動力抑制劑防治水合物。表10-4

常用水合物抑制劑的物理化學性質項

目甲醇乙二醇二甘醇三甘醇四甘醇分子式CH3OHCH2CH2(OH)2O(CH2CH2OH)2(C2H2O)2C2H4(OH)2(C2H2O)3C2H4(OH)2分子量32.0462.07106.1150.2194.2冰點，（℃）

－11.5－8.3－7.2－5.6沸點（760mmHg）（℃）64.7197.3245.0287.4327.3相對密度0.7915()1.10881.11841.12541.1282與水溶解度（20℃）完全互溶完全互溶完全互溶完全互溶完全互溶絕對粘度（20℃）mPa.s0.59321.535.747.8

汽化熱，（J/g）1101

348416

比熱，[J/（g.K）]2.52.32.32.2

理論熱分解溫度（℃）

165164.4206.7237.8實際使用再生溫度（℃）

125148.9—162.8176.7—196.1204.4—223．9性狀無色易揮發(fā)的易燃液體甜味無色的粘稠液體無色無臭的粘稠液體中等臭味的稠粘液體中等臭味的稠粘液體甘醇類的醚基和羥基團形式相似于水的分子結構，與水有很強的親合力。向天然氣中注入的抑制劑與冷卻過程凝析的水形成冰點很低的溶液，天然氣中的水汽被高濃度甘醇溶液所吸收，導致水合物生成溫度明顯下降。甘醇水溶液冰點見圖10-13。甲醇和乙二醇用得最多。甲醇可用于任何操作溫度場合，它的沸點低，適用于低氣流溫度場合，價格也低。約有3%質量可溶于液烴中，同時也能溶于水?；厥占状嫉慕?jīng)濟性很差。如果氣流中有凝析水，就需要多加些甲醇。甲醇具有中等毒性。乙二醇無毒，但沸點比甲醇高得多，蒸發(fā)損失量小，可再生重復使用，適用于處理量大的站場，如在天然氣加工廠進口處注入。1）、抑制劑作用下水合物生成溫度降的定量關系通過加入水合物抑制劑，水合物的生成溫度就會降低，哈默斯密特（Hammerschmidt）第一次提出了天然氣水合物生成溫度降ΔT與抑制劑水溶液質量百分濃度（W%）的半經(jīng)驗關系式

（10-18）

式中

M——抑制劑分子量；

W——抑制劑溶液的質量百分數(shù)，%；ΔT——水合物生成溫度降，℃；

K——與抑制劑種類有關的常數(shù)，甲醇、乙二醇、異丙醇、氨等取1297.2，氯化鈣取

1200，二甘醇取2427.8、乙二醇1222.2。2）、所需抑制劑量的確定所需抑制劑用量包括兩部分，一是為保證水合物生成溫度降低所必須的抑制劑用量；二是為轉入汽態(tài)飽和氣體所必須的抑制劑用量。通常電解質溶液的飽和蒸汽壓低于由氣流中凝析出來的純水的飽和蒸汽壓，因此轉入汽態(tài)的電解質抑制劑量可忽略不計。而用醇類作抑制劑時，這一部分量就不可忽略。以電解質為抑制劑時，抑制劑的單位耗量可由下述關系確定

（10-19）

式中

W1——在抑制劑加入點天然氣的含水量，克/cm3

W2——出口氣流中的最終含水量，克/cm3；

C——加入抑制劑的質量濃度，%；

K——回收抑制劑的質量濃度，%?；厥找种苿┑臐舛菿是根據(jù)必要的水合物生成溫度降的設定值來確定。當確定甲醇抑制劑用量時，必須考慮為建立平衡關系轉化為氣相的那一部分抑制劑用量。在給定和回收溶液濃度時，為防止水合物生成所需的甲醇單位耗量可由下式確定：

（10-20）

α值在給定甲醇溶液濃度時轉化為氣相的甲醇量，與溫度和壓力有關，可用下列經(jīng)驗公式計算

（10-21）

式中

p——壓力，MPa；

T——溫度，K。3）、抑制劑噴注參數(shù)的計算以噴注乙二醇為例，介紹幾個噴注參數(shù)的計算。（1）貧液濃度的選擇所謂貧液，是指尚未與濕氣接觸的新鮮乙二醇或再生后達到濃度要求的乙二醇。貧液濃度愈濃，吸收水汽的效果愈好。但是，在低溫下濃度過高的甘醇可能結晶。例如，95%（質量）的二甘醇在－20℃時就會結晶。對于乙二醇，建議使用60—80%（質量）的濃度更為有利，因為在這個范圍內(nèi)是乙二醇的非結晶區(qū)。四川氣田一般使用65—70%（質量）濃度的乙二醇。（2）富液濃度的計算所謂富液，是指吸收了濕氣水分的乙二醇稀釋液。