（石油与天然气工程专业论文）普光高含硫气田集输工艺研究.pdf

a n i n v e s t i g a t i o no fp u g u a n gh i g hs u l f u rg a sg a t h e r i n ga n d t r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s u nf e i s u p e r v i s o r ：c a ox u e w e n ( p r o f e s s o r ) s o n gs h i c h a n g ( s e n i o re n g i n e e r ) c o l l e g eo fp i p e l i n ea n dc i v i le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 22867咖8 iiiiilly 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盐整 日期：加。f 年多月多口e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：整! 盎 指导教师签名：之它二亟 日期： p 年 f 月多口日 日期：z 叫年5 月沙日 摘要 随着现代人类对天然气能源的开发和利用，天然气的集输工艺也迅速发展 起来。普光气田是目前国内正在开发的含h 2 s 、c 0 2 量最高的气田。高含硫气田 的地面、井筒及地层存在硫沉积、水合物气井堵塞等现象，h 2 s 剧毒性以及h 2 s 、 c 0 2 及凝析水具有氢脆、硫化物应力腐蚀及电化学腐蚀特性。高含硫气田因高含 硫化氢而引发的毒性及强污染性、强腐蚀性、易冰堵和单质硫沉积等特殊性和复 杂性，大大地增加了地面集输系统的安全环保风险。为降低高含硫天然气的集输 风险，集输工艺流程应尽可能简化，并结合传统含硫气田的开发工艺，对气田地 面集输管网进行优化，分析湿气集输积液量情况，采取有效的防止水合物生成的 方法和合适的清管方案，吸收国内外开发高含硫气田的成熟技术和生产实践经 验，对我国高含硫气田的集输工艺进行优化设计。 研究普光高含硫气田集输工艺，为了方便生产管理，提高集输工艺经济效益， 确保系统安全、环保、经济运行。采用先进的集输工艺，有效降低工程投资、水 合物形成、维护费用高、环境污染等问题。 对于高含硫气田的开发，国内还没有相配套的规范和技术标准，研究普光高 含硫气田集输工艺将为今后同类型同规模高含硫气田的开发提供技术和经验，并 具有一定的指导意义。 关键字：高含硫；集输工艺；工艺流程 a ni n v e s t i g a t i o no fp u g u a n gh i g hs u l f u rg a sg a t h e r i n ga n d t r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y s u nf e i ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c a ox u e w e n a b s t r a c t p u g u a n gg a sf i e l di sc u r r e n t l yu n d e rd e v e l o p m e n t ，i n c l u d i n gt h eh i g h e s ta m o u n to f h 2 s ，c 0 2i no u rc o u n t r y h i g h - s u l f u rg a sf i e l d sb e c a u s eo ft h es t r o n gc o r r o s i v ec a u s e d b yh i g hi n t e n s i t yo fh y d r o g e ns u l f i d ea n dh y d r m ep r o d u c e db yg a t h e r i n gs y s t e m ， w h i c hg r e a t l yi n c r e a s e dt h es a f e t ya n de n v i r o n m e n t a lr i s k so fs u r f a c eg a t h e r i n g s y s t e m t h i sp a p e ri sas t u d yo fg a sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o n o fp u g u a n g l l i g h s u l f u rg a sf i e l da n do p t i m i z e sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y f i r s t l y , o p t i m i z et h eg r o u n dg a sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n en e t w o r ka n d g e tt h er i g h tp i p en e t w o r kl a y o u tp r o g r a m s e c o n d l y , u s i n gh y s y ss o f t w a r et o c a l c u l a t et h ec r i t i c a lc o n d i t i o n sf o rh y d r a t ef o r m a t i o nt ot a k ee f f e c t i v ew a yt op r e v e n t i t u s i n gh y s y ss o f t w a r ea n dp i p e p h a s es o f t w a r et os i m u l a t et h ec m c u l a t i o n m o d e lo fm o i s t u r eg a t h e r i n gc o n d e n s a t i o nt oo b t a i nt h ep i p e l i n ef l u i dv o l u m eu n d e r t h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t ，t oa n a l y s et h ea m o u n to fm o i s t u r eg a t h e r i n g a n dt r a n s m i s s i o nf l u i ds i t u a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rc o n t e n ta n dp r e s s u r e a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rc o n t e n ta n df l u i dv o l u m e a l s om a k ea p p r o p r i a t e c l e a r a n c em a n a g e m e n tp r o g r a m u l t i m a t e l y , a n a l y s ea n dc o m p a r ei ns e v e r a lw a y st o c h o o s et h eb e s th i g h - s u l f u rg a sf i e l dg a t h e r i n gi np u g u a n gp r o c e s s a b s o r b i n g d o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n to fh i g h - s u l f u rg a sf i e l dp r o v e nt e c h n o l o g ya n d p r o d u c t i o ne x p e r i e n c et oo p t i m i z et h ed e s i g np r o c e s so fp u g u a n gg a t h e r i n g f o rt h ed e v e l o p m e n to fh i g hs u l f u rg a sf i e l d ，t h e r ea l en om a t c h i n gs p e c i f i c a t i o n s a n dt e c h n i c a ls t a n d a r d si no u rc o u n t r y t h es t u d yo fp u g u a n gg a sg a t h e r i n ga n d t r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g yw i l lp r o v i d et e c h n o l o g ya n de x p e r i e n c ef o rd e v e l o p m e n to f t h es a m et y p ea n dt h es a m es c a l eh i g hs u l f u rg a sf i e l di nt h ef u t u r e ，a n dh a v ec e r t a i n d i r e c t i v es i g n i f i c a n c e i i k e yw o r d s ：h i g hs u l f u r ；g a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y ；p r o c e s s ；h y d r a t e f o r m a t i o n 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 高含硫气田地面集输系统工艺技术研究领域历史1 1 2 1 国外高含硫气田集输经验1 1 2 2 国内高含硫集输工艺经验3 1 3 普光气田集输概况3 1 4 高含硫气田地面集输系统工艺发展趋势分析6 1 5 本文研究的主要内容6 第2 章山区复杂地形集输管网布局优化研究8 2 1 管网集气方式8 2 2 管网工艺模型建立9 2 - 3 管网的参数优化1 1 2 3 1 目标函数的确定1 1 2 3 2 约束条件1 2 2 4 集输管网线路评价1 4 2 5 高含硫天然气管道沿线阀门数目优化1 8 第3 章普光气田水合物形成与防治2 2 3 1 普光高含硫天然气水合物生成2 3 3 1 1 普光气田天然气组成成分2 3 3 1 2 普光气田水合物形成2 3 3 2 防止水合物生成的方法2 6 3 2 1 提高节流前天然气的温度2 6 3 2 2 天然气中注入水合物抑制剂2 6 第4 章湿气集输凝液计算模型3 1 4 1 计算模型选择31 4 2 计算结果分析3 3 第5 章管线积液分析及清管方案3 8 5 1 管线积液的影响分析3 8 5 1 1 含水率与管线压力变化的关系3 8 5 1 2 含水率与管线集液量的关系4 0 5 1 3 结论4 4 5 2 清管方案4 5 第6 章普光高含硫气田集输工艺研究4 7 6 1 地面集输工艺设计原则4 7 6 2 集输工艺比较4 8 6 2 1 集气站工艺流程方面4 8 6 2 2 集气站管理及人员配置方面5 0 6 2 3 集气站征地面积方面5 0 6 2 4 环保角度51 6 2 5 节能角度一51 6 2 6 投资费用5 2 6 3 结论5 2 结论5 4 参考文献5 6 致谢5 9 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 近些年以来，随着对天然气的开采和开发利用，高含硫气田的开发也发展了 起来，高含硫地面集输工艺技术从而也不断的发展起来，世界各国的气田由于不 同区域环境、不同气质条件，使得它们的集输工艺技术也各有不同。世界上现已 成功开发的高含硫天然气田主要分布在加拿大、俄罗斯、美国、法国等许多国家， 这些国家气田的含硫量大致在1 0 9 0 不等，差异较大。我国对天然气资源的 需求量也不断扩大，加速了天然气勘探步伐，我国现已成功开发的多个含硫天然 气田，主要集中于四川地区，如普光气田、罗家寨气田、渡口河气田、铁山坡气田 等，这些气田的含硫化氢量约为1 0 1 5 以上等，开发这些气田为我国以后天 然气开采利用作出很重要的后备资源1 1 j 。 高含硫集输系统是个复杂的系统工程，在生产运行阶段，集输系统高效运行 影响因素较多，任何参数变化都将影响系统效率和平稳运行，此时集输系统压力、 流量、温度等发生急剧变化，存在超压、冰堵泄漏等风险，因此需要对各种因素 进行分析，建立综合优化模型，确定最佳运行参数范围，实现平稳高效运行【2 】。 我国在流程工业综合优化方面应用的深度和广度、系统化程度不够，而且国 内还没有相配套的规范和技术标准，因此国内应用主要以引进为主。本文研究普 光高含硫气田集输工艺将为今后同类型同规模高含硫气田的开发提供技术和经 验，并具有一定的指导意义。 1 2 高含硫气田地面集输系统工艺技术研究领域历史 高含h 2 s 和c 0 2 地面集输工程设计主要包括自采气井口( 采气之后) 至集中净 化厂之间的集气站场以及集输管线的设计。其中有高含硫气田集输管网的优化设 计，管网参数设计，防止水合物生成，建立湿气集输积液模型，提出清管方案， 通过几方面的比较选择合适的高含硫集输系统工艺。 1 2 1 国外高含硫气田集输经验 一般来说，天然气集输工艺可分为两种，分别为干气输送和湿气输送。高含 硫气田集输工艺在选择用干气输送抑或是湿气输送时，由于自身的特点则必须考 第l 章绪论 虑各方面技术经济因素。从技术这个角度来说，要偏重考虑原料气组分、h 2 s 含 量及水含量、生成水合物的温度、输气管道的距离、原料气的压力和高含硫气田 所处的地形气候环境。以下是列举一些国外有代表性的高含硫气田： ( 1 ) 法国拉克气田的天然气中含c h 4 量为7 4 o ，含h 2 s 量为1 5 0 ，含 c 0 2 量为9 0 ，含水量为1 0g m 3 ，含汽油量为2 5g m 3 ；井口压力为4 1 2 1 m p a ， 井口温度平均为9 0 。c 。该气田中有3 1 口采气井，通过1 5 条集气管线送到拉克 天然气净化厂，集输管线的总长度为1 0 0 k m ，平均集输距离为6 6 k m 【3 1 。由于原 料气可以利用的压力能十分丰富，因策采用原料气两级降压冷冻分离脱水技术， 冷冻脱水后的湿气可直接采用两相混输的方式，从而气体可以以很高的流动速度 输送到净化厂【4 1 。 ( 2 ) 加拿大a l b e r t a 省p i n ec r e e k 气田所产天然气的h 2 s 含量2 5 7 ，c 0 2 含量4 7 ，水含量1 4 9 m 3 。井口压力2 0 4 m p a ，集输压力15 0 m p a 。经计算得 出，水合物形成温度为3 2 2 ，所以湿气输送时管内气体流动温度必须保持在 4 0 5 以上。 综合上述几个国外高含硫气田集输工艺实例总结出国外高含硫气田集输工 艺经验【5 】有以下几方面： l 、一般情况下，高含硫气田集输工艺和流程包括井口节流降压、一级节流 降压、二级节流降压( 必要时有三级节流降压) 、加热、计量、集输管线中预防 水合物形成、硫堵以及硫沉积的防澍6 1 、加注缓蚀剂工艺【7 1 、防抗腐蚀材料及其 应用技术、加热及脱水工艺、干气输送、湿气输送和气液两相混输等【引。 国外的高含硫气田天然气短距离集气管线一般都采用加热法的湿气输送。在 输送过程中，由于操作压力和温度不断降低，原料气的露点也不断下降从而会析 出冷凝水。当气液两相混合输送时，就可能会由于在管线内沉积液相从而导致 严重的管线内腐蚀和水合物堵塞等问题，这些问题将会对生产安全产生严重的威 胁 9 1 。从2 0 世纪6 0 年代开始，在国外又研发了湿气加热后集输管线以保温方式 输送的工艺技术。至今，通过理论与实践的结合得出，只要集输管线中没有凝析 水和液相水，高含硫气田产出的原料气的湿气输送就是安全的。同时，再辅以合 理的选择高效缓蚀剂、腐蚀监测设备的投用、管线内定期的清管排液、防止硫堵 塞【1 0 】等技术措施，可使安全生产得到充分保障。在国外，如法国和加拿大这两 个国家，它们在湿气输送工艺方面都有许多成功的可以借鉴的经验以供参考。例 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 如c e n t r a lf o o t h i l l s 高含硫气田，原料气含h 2 s 量为2 7 5 ，含c 0 2 量为1 0 。 集输管线管径为2 1 9 r a m ，总长为4 0k r n ，最大操作压力9 9 3 m p a 。在整个集输系 统中就采用的是加热湿气输送。 2 、防止水合物形成工艺技术。为防止高含硫气田集输管线中生成水合物， 一般情况下，可以施用三种措施： ( 1 ) 通过如水套炉等加热器的加热，使天然气在输送过程中，流体温度能 够保持在水合物形成温度之上。同时，通过加热减少了集气管下部的积水，防止 水合物生成阻塞管线，从而降低对管道的侵蚀。加热方法一般采用水套炉加热器 加热和热水管道伴热来进行加热。 ( 2 ) 通过加入化学添加剂来防止水合物形成。例如乙二醇、甲醇，取适量 的添加剂将其注入到集输管道内。如s h e l l 加拿大公司使用的即是甲醇； ( 3 ) 通过有效减少水分来防止管线中水合物生成。国内外常用的脱水方法 有：冷凝脱水、使用固体脱水剂或干燥剂吸附脱水( 例如硅胶或分子筛) 、液体 干燥法( 例如三甘醇( t e g ) 吸收脱水) ，还有国内外正在研发的膜分离脱水等 方法。 3 、清除垢污，国外高含硫气田集输系统一般采用的是清管工艺，同时配合 加注缓蚀剂处理工艺，从而达到除垢、防堵、防腐蚀的目的。例如加拿大 g r i z z l yv a l l a y 气田采用的是挤压型清管器，同时加注适量缓蚀剂以清除垢物。而 s h e l l 公司不仅采用清管器进行清管而且通过计算机建立定期清管的程序，使其 达到最优化。 1 2 2 国内高含硫集输工艺经验 国内近年来也发现几处高含硫气田，例如渡口河气田、罗家寨气田。下面是 这两个气田的天然气组成成分。 渡口河气田原料天然气组分：c h 4 含量为7 7 8 4 7 ，c 2 h 6 含量为0 0 4 7 ， c 3 h 8 含量为0 0 3 6 ，h 2 s 含量为1 4 8 0 ，c 0 2 含量为6 4 5 ，n 2 含量为0 8 2 。 罗家寨气田原料天然气组分【1 1 】：c h 4 含量为8 0 7 5 ，c 2 h 6 含量为0 0 8 7 ， c 3 h 8 含量为0 0 4 3 ，h 2 s 含量为9 4 9 ，c 0 2 含量为7 5 3 ，n 2 含量为2 1 。 由于有这些气田的前车之鉴，加上之前国外对高含硫气田集输的研究和一些 成功的经验，使得我国在高含硫气田集输工艺方面也有所发展，并且也获得了一 3 第1 章绪论 些经验。 l 、关于管网结构的选择 渡口河高含硫气田具有形状为狭长形、单井产气量较大、井数相对较少的特 征。设计管网依照经济、实用和安全的原则，通过优化比选得出渡口河高含硫气 田采用树枝状管网结构是最合适的。 整个气田的集气干线将沿着狭长型气田的主轴设立，而各个单井支线则分别 接入集气干线，从而呈现出枝状的管网结构。这样的结构分布适合分批进行伸展 滚动式的开发。 2 、气液分离器的设置 是否在井场设置气液分离器，这时要根据渡口河高含硫气田天然气中的含水 量的多少来判断。如果天然气中含水，要考虑进行气液分离。若天然气中的水含 量较大，单井1 0 6 m 3 天然气中含水量为5 6 1 5 m 3 以上的则应设置气液分离器。一 般情况下，气液分离器设置在井口，安装时应尽量靠近井口。如果天然气中含水 量较小时，则井场不需要设气液分离器，这时气井产出的天然气可以通过加热和 加注缓蚀剂然后直接输入进集输管线中。 3 、集输工艺的选择 选择集输工艺，无论是干气输送还是湿气输送都应根据当地地形地貌条件、 管线输送距离等条件来定。渡口河高含硫气田根据该气田净化厂择址的初步设计 方案，渡口河净化厂大致离气田有3 0 - - 4 5k m 长的距离。针对该气田的特点，即 集气管线铺设总距离较短以及输送过程中天然气对管线的腐蚀特点，最终选择采 用的是气液分离器来除水，再加热，采用湿气输送。 4 、防止水合物的形成 渡口河高含硫气田为防止集输管线内水合物有生成，该气田采取的措施是加 热。也就是在井场或者在集气站站场设置水套炉加热器，并且在集气管线上按照 合理的间距设置水套炉。通过对投资费用和成本费用的计算分析，认为采用水套 炉加热比较经济。 5 、清管方案 集气管线清除污垢，一般都应该采用清管技术，同时配合加注缓蚀剂处理工 艺。渡口河高含硫气田根据该气田集输管线投产的时间、积液分析、污垢物的积 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 聚和管线内腐蚀情况制定清管周期，并建立相应的计算机程序，选择最佳的清管 方案。 1 3 普光气田集输概况 普光气田位于四川省“宣汉达县”矿权区内，区域构造位于大巴山推覆带 前缘褶断带与川中平缓褶皱带之间。该矿权区面积1 11 6 0 8 9 平方公里，天然气 资源量为8 9 1 6 亿方。普光气田主体现已建成集气站1 6 座、集气总站1 座、污水 站1 座，酸气管道3 7 7 8 公里，阀室2 9 座。前2 0 亿方年产能：集气站3 座、集 气总站及污水站各l 座，阀室1 0 座、酸气管道7 0 2 公里。己全部建成，并于2 0 0 9 年1 1 月开始试运生产。后8 5 亿方年产能：集气站1 3 座、阀室1 9 座、酸气管 道3 0 7 6 公里，目前除p 2 0 4 集气站外，其余1 2 座集气站已经建成，其中p 1 0 3 集气站正在联调，另外1 l 座集气站己开始试运生产。气田于2 0 0 7 年2 月上报含 气面积4 5 8 k m 2 ，探明储量2 7 8 2 9 5 x 1 0 8 m 3 ，气田h 2 s 平均含量为1 5 1 6 ，c 0 2 平均含量为8 6 4 ，是目前国内正在开发的含h 2 s 、c 0 2 量最高的气田。高含硫 气田的地面、井筒及地层存在硫沉积、水合物气井堵塞等现象，h 2 s 剧毒性以及 h 2 s 、c 0 2 及凝析水具有氢脆、硫化物应力腐蚀及电化学腐蚀特性。高含硫气田 因高含硫化氢而引发的毒性及强污染性、强腐蚀性、易冰堵和单质硫沉积等特殊 性和复杂性，大大地增加了地面集输系统的安全环保风险。 当前普光采用的优化软件如t g n e t 、s p s 为我国近年来大规模开展输气管 网可行性研究和规划设计起到了较好的作用，但湿气在集输管内流动属于气液两 相流动，在地形复杂条件下管道的多相流动非常复杂，预测其管流压降等特性参 数往往十分困难。同时，与其它气田相比，普光气田高含h 2 s 、c 0 2 ，且不含凝 析油，h 2 s 含量为1 3 1 8 ，平均含量为1 5 ，c 0 2 含量为8 1 0 ，平均含量为 8 6 。位于山区，复杂山区地貌，人口密集，集输系统安全运行压力高，经济运 行影响参数多。因此，需要借助国内外优化经验，建立优化模型，发现当前集输 系统不合理因素，进行实时优化。 普光气田是我国开发的第一个高含硫气田，是川气东送管道的主力气源。高 含硫气田集输系统是一个特殊的、复杂的多级网络系统，同时又是一个巨大的能 量耗散系统，在气田地面工程建设投资中占主导地位，对其进行优化设计、运行 第1 章绪论 以及评价能取得显著的经济效益。普光高含h 2 s 气田，设计集输工艺时，有以 下难点：一是现今我国在高含硫气田集输这方面还不够成熟，没有相关的技术标 准和严格的设计规范。二是气田产出介质复杂，包含有h 2 s 、c 0 2 、单质硫等， 含量比较高，且存在不确定性。三是普光地形地貌比较复杂，人口密集，这就要 求集输工艺要环保、安全、经济。四是要求了环保、安全、经济，这之间必然存 在一定的矛盾，而且比较突出，如何解决这个问题，也是值得考虑的。普光高含 硫气田集输工艺，为了方便生产管理，提高集输工艺经济效益，确保系统安全、 环保、经济运行。采用先进的集输工艺，可以解决费用和投资高、污水不易处理、 水合物生成发生管道设备堵塞、硫沉积等问趔1 2 】。 采用成熟可靠的技术和方法是普光气田能成功开发和安全生产的必要条件。 根据当地自身特点，用分析和发展的眼光批判性地借鉴国外高酸气田工程实施和 生产管理的经验，将大大有助于目标的顺利实现。法国法克气田、加拿大s h e l l 公司c a r o l i n e 气田均属于高酸气田，它们的成功有很多值得我们借鉴的技术和经 验。与v e c o 加拿大公司进行基础设计合作取得了巨大成功，再借鉴加拿大 a l b e r t a 省e u b ( a l b e r te n e r g ya n du t i l i t i e sb o a r d ) 局的规定和要求，使普光气田 环境安全得到有力保障。 1 4 高含硫气田地面集输系统工艺发展趋势分析 高含硫气田地面集输工艺技术相比于低含硫气田，其特点主要表现在含硫天 然气脱水技术、气液混输技术、系统防腐技术、系统防硫堵技术、防止水合物技 术等方面。 为保证安全和环保，高含硫气田集输工艺对集输线路选择【1 3 】、脱水工艺、 防止水合物生成【1 4 】f 1 5 】、防止硫沉积、系统腐蚀防护【1 6 】、采取有效的防腐措施【1 7 1 ， 以及设备、管材的选择提出了更高的要求。 1 5 本文研究的主要内容 1 、针对高含硫的特点、复杂地形下的条件与低含液率天然气气田的开发配 套建设地面集输工艺技术问题，在多方面全方位分析比较国内外干气技术与湿气 集输的优劣以及可行性，确定普光气田高含硫集输工艺。 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 2 、重点研究地面集输管网布局、管网评价以及参数优化模型的建立，得到 经济的布局优化方案。 3 、对集输管线内压力温度变化、水合物生成、积液量变化进行预测，并提 出相应的控制措施。 4 、对管线积液进行分析，提出清管方案。 7 第2 章山区复杂地形集输管网布局优化研究 第2 章山区复杂地形集输管网布局优化研究 天然气集输管网是地面工程的主体，由于受到复杂地形特点的限制，天然气管网系 统也越来越复杂。气田地面集输管网的优化【1 8 】，就是要明确气井与集气站的最佳归属关 系、最优网络布局。根据天然气管网系统的特性，选择适合山区负责地形集输的优化方 法，使其合理化、经济化，建立它们的设计及运行数学模型，最终使得设计的集输管网 和整个集输系统能安全、经济、环保、有效的运行。 2 1 管网集气方式 根据气田地面条件和气田的形状的不同，集气管网的布置形式【1 9 】有以下四种：辐射 式管网、枝状式管网、辐射一枝状组合式、辐射一环状组合式。对枝状【2 0 】和环状的集气管 网，各井产量的计量只能在井场进行，井场需设计量分离器和气液计量仪表。枝状和环 状管网具有采气管线长度短、沿途没有废气废水产生、集气压力低、节省钢材等优点， 有利于安全、环保。但设备分散不便于集中管理和自控的实施，在整个集输系统过程中， 需要有伴热保温系统，施工难度也大，在气田生产后期需要对气体增压时压缩机只能设 置在各个井场，不能集中使用，增加设备费用和安装费用。辐射状集气管网便于集中管 理和自控，在整个集输系统过程中，不需要有伴热保温系统，相比之下施工难度小，在 气田生产后期在对气体增加时可以集中增压，减少一部分设备费用和安装费用。但是管 线总长度长、钢材使用多。 根据普光气田集输特点，最终选择采用“辐射+ 枝状”管网方案。各集气站之间以 集气干线连接，各气井与所属集气站以辐射式连接，集气干线将各集气站与集气总站呈 枝状连接。三维图如下： 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 1 “辐射一枝状”管网方案 f i 9 2 - 1 ”r a d i a t i o n - b r a n c h ”n e t w o r ks c h e m e 2 2 管网工艺模型建立 借鉴天然气管网优化技术研究及软件开发中对管网工艺模型的建立，对普光气田地 面集输进行管网工艺模型建立。一般管网最优化最终结果使得总投资最小，即普光高含 硫气田在天然气流量、压力、温度都满足工艺要求的前提下，使得井场的各集气站之间 的集气管线的成本费用之和最小。 根据图论【2 1 】的有关知识，把树枝状集气管网，抽象为由点集和线集构成的无向网络 图为【2 2 】： g = 【v ，e ，w 】( 2 - 1 ) 式中g l 整个集气管网系统图； 卜集气管网中所有的站点构成的点数，矿= 似，圪，圪 ； 所集气管网中的各个节点( i = l ，2 ，3 ，胛) ； 9 第2 章山区复杂地形集输管网布局优化研究 卜集气管网中的节点总数； 卜集气管网中的所有管段构成的线集，e = 汜，易，易，瓦 ； 巧一集气管网中的各段管线( ，= l ，2 ，3 9 - - - 9 r 1 ) ； ，卜_ 集气管网中的管段总数。 用矩阵彳表示无向网络图g 啊，吲，则有： a = 口l la 1 2q 3 q n a 2 1 a 2 2a 2 3 吃n a 3 l a 3 2a 3 3 口3 n 吩。 a n l 集气管网的布局优化问题的目标函数吲为： m i n f = = a , j l , j q 。 ( 2 2 ) t = lj = lt = lj = l 式中三厂第f 和第，集气站之间的距离，k m 。 f 1 当f ，站相连时 a , j2 1 0 当f ，站不相连时 一考虑流量长度后各管段的权值，吁o q i ； g 广管段起点( 各集气站) 的单位时间内的集气量。 约束条件如下： l 茎a o c a 2 + n a + k + 。但由于这类物质的腐蚀 性并易在金属表面沉积，在实践中很少采用，有时仅用c a c l 2 做脱水剂处理小流 量、露点要求不高的气举气和用在空间、重量受制约的海洋平台上。使用较广的 水合物抑制剂有甲醇( m e o h ) 、乙二醇( e g ) 或二甘醇( d e g ) 。 若抑制剂溶液中各种抑制剂的质量浓度相同，则甲醇使水合物生产温度的降 第3 章普光气田水合物形成与防治 幅最大，抑制效果最好，乙二醇次之，二甘醇最小。甲醇的凝点远低于乙二醇和 二甘醇，甲醇适应于任何气体温度，而乙二醇不得用于温度低于9 c 、二甘醇不 得低于6 的场合。甲醇的蒸汽压最高，注入管线和设备后容易汽化进入湿气内， 之后均匀地进入水相防止水合物生成，因而可直接注入。出于经济和技术难度考 虑，一般不回收甲醇。乙二醇与二甘醇的蒸汽压低，必需经喷雾头将甘醇雾化成 小液滴分散于气流内才能有效地抑制水合物的生成，乙二醇与二甘醇的气相损失 小，需建回收装置回收、再生后循环使用。甲醇的投资低、操作费用高，常用于 气量小、断续注入防止季节性生成水合物和临时性管线和设备的防冻；而乙二醇 或二甘醇投资高、操作费用低，常用于气量大、需连续注入抑制剂的场合。根据 经验当甲醇连续注入量超过o 1 l m 3 l l 时常不经济，需改用乙二醇为抑制剂。 最常用的甲醇有一定毒性，储存、使用、回收不方便，还会对坏境造成污染。 甲醇对已形成的水合物有一定解冻作用，而甘醇类抑制剂无此性能。甲醇具有中 等毒性，需采取相应的防护措施。带甲醇的天然气在后续气体脱水中有一定负面 影响，如：增加甘醇富液再生时的热负荷；对碳钢设备有一定腐蚀性；降低固体 干燥剂的吸湿能力等。由于甲醇具有毒性对操作人员具有一定的危险性，而且易 挥发，相对来说作为抑制剂时的加入量大，成本较高；二甘醇成本高；c a c l 2 长 期使用易形成晶体结晶；在使用乙二醇作抑制剂时，同样过冷度条件下，使用量 最小，而且易于再生利用。因此在温度较高条件下推荐使用乙二醇作抑制剂，在 温度低( 低于2 8 9 ) 或气候寒冷地区推荐使用甲醇。 用p i p e p h a s e 软件模拟计算得到不同甲醇浓度下的水合物生成曲线。如图 3 3 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 日 吐 墨 v r 龃 一- 一甲醇农腰0 一一甲醇农度1 0 甲醇农度1 5 | 丫 手 ， 一下一甲醇农度2 0 ，y， 一一甲醇农度2 5 ， y ， ，尸 夕； y ， ， ， ， y ， ， ，； y 产 广7 ，y 尹尸 夕7，尸 ，y ， ，严 ，y ， 尸 j l 謦 j 7 ：。， p p ，、j ，严 多彰形卢 uz501 u1 z1 耳1 石1 uz uz zz 4z b 温度( ) 图3 - 5 不同抑制剂浓度条件下的水合物生成曲线 f i 9 3 - 5g e n e r a t i n gh y d r a t e c u r v e dl i n eo f v a r i o u si n h i b i t o r sc o n s b t e n c y 从图中可以看出，当压力在2 l o m p a 范围时，不注入抑制剂的情况下，水 合物形成的温度不超过2 5 。因此，管线在正常运行时，不会产生水合物。 输送到末站过程中由于井口节流节流温降与沿途的自然温降，需要在集气站 对天然气进行加热，集气温度保持在2 5 以上以防止水合物的产生。天然气井 口管线则因为节流温度低于2 5 的水合物形成临界温度，因此需要注入抑制剂 防止水合物的形成。 2 、抑制剂用量【3 2 】 抑制剂用量由三部分组成：在水相内所需的抑制剂量、气相损失和在液烃内 的溶解损失。水相内抑制剂浓度是防止水合物生成的关键。在单位体积气流内甘 醇抑制剂的经验注入量为0 8 1 4 m l m 3 。 防止水合物的形成抑制剂注入量与环境温度、天然气温度有关，从宣汉县气 象站地表和土壤下0 8 米深温度可知，最低温度为1 0 7 。因此需要考虑注入抑 制剂，使水合物在管道压力下的形成温度低于1 0 7 。 通过公式计算得出，在该条件下，每1x 1 0 6 n m 3 天然气中需要注入的水合物 抑制剂量见表3 3 。 第3 章普光气田水合物形成与防治 表3 - 3 水合物抑制剂用量计算结果 t a b l e 3 - 3c a l c u l a t i o nr e s u l t so fh y d r a t ei n h i b i t o r sd o s a g e 抑制剂种类 注入量k g d 10 6 n m 3 甲醇 2 4 7 9 9 8 乙醇 1 7 6 4 6 1 乙二醇1 3 1 5 6 1 二甘醇2 2 4 9 2 7 异丙醇 2 3 0 1 6 6 n a c l1 1 1 9 7 7 c a c l 2 2 1 2 3 6 9 通过上述分析并计算发现，可以根据集输系统中不同的条件来选择适宜的水 合物抑制剂，现将常用的水合物抑制剂和气体脱水的各种醇类的性质、抑制效果、 适用性、单价成本、优缺点列于表3 4 【3 3 1 。 表3 - 4 常用水合物抑制剂优选 t a b l e 3 - 4 a p p r o p r i a t ec h o i c eo fc o m m o nh y d r a t ei n h i b i t o r s 项目甲醇乙二醇二甘醇氯化钙 c h ，c h o ( c h 2 c h2 分子式 c h 3 0 h c a c l 2 2 ( o h ) 2o h h 分子量 3 2 0 46 2 0 71 0 6 15 4 相对密度d 2 0 2 0 0 7 9 1 51 1 0 8 81 1 1 8 42 1 5 与水溶解度 完全互溶完全互溶完全互溶一定溶解度 ( 2 0 ) 绝对粘度 ( 2 0 ) m p a s 5 9 32 1 53 5 7 无色易挥发甜味无溴 无色无溴 性质白色晶体