输气管道输送过程中的水合物抑制技术分析

输气管道输送过程中的水合物抑制技术分析

刘成波余啸侯成

内蒙古西部天然气管道运行有限责任公司  内蒙古自治区鄂尔多斯市  017000

摘 要:在天然气的长距离管道输送过程中，由于管道沿程地势变化复杂，所处气候条件多变，造成管道内气体受到扰动，加上管线凹处集液，局部节流，因此，易形成水合物。基于此，本文主要对输气管道输送过程中的水合物抑制技术进行了分析，首先探讨了输气管道输送过程中水合物抑制技术的研究背景及研究现状，然后分析了输气管道输送过程中的水合物的形成原因，探讨输气管道输送过程中水合物的危害，影响输气管道输送过程中水合物形成的因素，进而指出了输气管道输送过程中水合物抑制办法主要有干燥法，热力学抑制剂，动力学抑制剂，防聚剂，期望能够使水合物抑制的措施得以有效地应用。

关键词:输气管道  水合物  抑制技术

第一章 前言

1.1 研究背景

在石油、天然气的开采加工以及储运过程中，当满足一定温度和压为条件时，若天然气与液态水发生接触，将形成笼型冰雪状固体。该固体即为天然气水合物。少量天然气水合物的形成会减少输气管道的流通面积，产生节流，造成管线压差的增大，并且加速水合物的进一步形成。当水合物继续聚集生长，将会造成管线、阀口及设备的堵塞，导致管件损坏，甚至造成严重的管道事故以及人员伤亡。

为了防止和减少输送管道以及生产设备中形成天然气水合物的风险，当前的首要任务就是开发一系列物理或分析手段，对管线中水合物的生成温度、生成压为和天然气水合物的生成位置进行检测和预测，以便能够在水合物形成前就对可能形成水合物的条件和位置进行提前预测，使管道维护和施工人员提前做好预防和解堵措施，降低由于天然气水合物形成堵塞而造成的不良后果。

1.2 研究现状

1999 年，在Parrish-Prausnitz模型的基础上，Javanmardi和Jafar 等提出了一个新的模型。该模型省略掉了闪蒸计算，不仅能够用于单一电解质溶液及混合电解质溶液的水合物生成计算，还能够对在水中溶解度较大的气体(如C02)的水合物的生成条件进行预测【1】。

在天然气水合物生成影响条件这一方面，殷德宏等人对天然气水合物生成动力学模型模拟计算进行了优化，指出了 Langmuir方程的局限性并进行改进，得出天然气水合物生成过程受温度压力的影响，关联出成核半径与能量和温度的关系【2】。

王淼等试采用管道螺旋流天然气水合物连续生成分解装置,分析气液组成、管道压降、管道内壁摩擦、对流换热等因素对管道内天然气中水合物分解速率的影响。【3】。

2001 年 Javanmardi 和 Jafar 等在Parrish-Prausnitz模型为基础上提出过一个不需要闪蒸计算的新模型，因为不考虑闪蒸计算，该模型简化许多，能够准确预测含单电解质和混合电解质溶液体系中的天然气水合物的生成条件，也能够用于易溶于水的气体组分的预测，具有更广泛的适用范围【4】。

1.3 研究内容

本文主要讲述了天然气水合物的基本概况，分析输气管道输送过程中的水合物形成原因，并提出了相关的抑制办法，最后结合工程案例对水合物抑制技术进行具体的分析，以期能够提高输气管道输送过程中的水合物抑制技术。

1.4 技术路线

论文的技术路线是探究输气管道输送过程中水合物抑制技术，分析输气管道输送过程中水合物形成原因，并提出抑制办法，最后结合具体案例对水合物抑制办法进行分析，希望能够进一步提高管道输气效率，提高经济效益。

第二章 输气管道输送过程中水合物形成原因分析

2.1 输气管道输送过程中水合物的危害

水合物普遍存在于输气管道的传输环节过程中，可堵塞输气管道和设备，影响正常作业，是安全生产的一大隐患。海洋石油钻井中，如遇含气地层或水合物层，气体窜入管柱或环空等循环空间中，在一定温度、压力下，与水结合就可能生成水合物。气体的侵入和水合物形成，对钻井液密度有明显影响，会造成管路中较大的压力波动，给验气管道输送带来一系列的困难【5】。

2.2 影响输气管道输送过程中水合物形成的因素

对天然气水合物而言，外界因素(外因)和内部因素(内因)都会影响天然气水合物的形成。通常情况下，天然气水合物的形成需要具备三个基本条件:

(1)压力条件。高压利于天然气水合物形成，但在一定温度条件下，天然气形成水合物仍然存在极限压力值。

(2)温度条件。低温利于天然气水合物的形成，但在一定压力条件下，天然气形成水合物仍然存在临界温度，当所处温度低于该极限数值时，水合物形成，高于该极限值时，无论所加压力多高，也不可能形成水合物。

(3)游离水或液态水的存在。也就是天然气温度必须低于或等于水汽的露点温度。

第三章 输气管道输送过程中水合物抑制办法

3.1 干燥法

天然气水合物的生成离不开水的存在，干燥法是通过一定手段控制天然气中水的含量在合理的范围之内，从而抑止天然气水合物的形成。干空气千燥法具有以下几个优点:使用的原料是空气气随处可见成本低;干燥周期短，可以不间断地进;废气无需处理，无污染;干燥效果均匀。干空气干燥法以其独特的优点，被广泛的应用到国内天然气长输管线上。

3.2 热力学抑制剂

常见的水合物热力学抑制剂是醇类与无机盐电解质,尤其以甲醇、乙二醇、氯化钙及氯化钠等在石油天然气行业中经常应用。

甲醇是最常用的热力学抑制剂，但只有在较大浓度下才有理想的抑制效果,一般认为有效质量分数为15%-50%。甲醇具有中等程度的毒性，对人中毒剂量为5mL-10mL，会造成环境污染等问题。而乙二醇无毒，但粘度较大，加入后将增大系统压降。

热力学抑制剂已被实践证明能有效防治水合物，在世界范围内广泛使用。但热力学抑制剂存在用量大、成本高和环境污染大等弊端。

3.3 动力学抑制剂

相较于热力学抑制剂，KHIs 因具备经济高效和环保等优点，受到国内外学者的普遍关注。目前 KHIs 主要包括内酰胺基聚合物和酰胺基聚合物。

内酰胺基聚合物是目前应用最广的动力学抑制剂，其中聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与N-乙烯基已内酰胺(PVCap)是第一代和第二代KHIs中单聚物的代表。共聚物结构中含有2种或3种单体，结构更不规则，抑制效果更好，Gaffix VC-713 和 VP/VC 是共聚物中的代表。

目前，水合物动力学抑制剂己开发出人工合成聚合物、天然聚合物和生物蛋白等多种类型，且在国外有很多成功应用的案例，但仍存在受温度限制大和成本较高等问题。

3.4 防聚剂

与动力学抑制剂相比，防聚剂的研发时间较晚，但由于使用受温度制约较小，发展比较迅速，已有多种产品进行现场应用。防聚剂主要是部分表面活性剂和聚合物，如烷基芳香族磺酸盐、烷基乙氧苯基化物和十二烷基硫酸钠等，它们不会阻碍水合物晶核的生成，但能抑制晶核的长大及在管道上附着，使用浓度为 0.5wt%-2wt%。

第四章 结论

毋庸置疑，天然气水合物资源对人类有着十分重要的能源意义，但是输气管道在输送过程中水合物的危害性较强，故而，开发天然气水合物时，态度须极度审慎，尽全力减少并消除天然气水合物的危害。通过本文的研究，可以了解到抑制气体水合物的方法很多。在案例中，为确保管道的安全平稳运行，提出了定期实施清管作业、持续注入甲醇等措施，同时结合长期持续注入甲醇，导致部分未气化抑制剂在管道高程起伏段低点形成水柱，降低管道输气效率的实际情况，利用防止水合物生成的最小控制温降值，期望能够进一步提高管道输气效率，提高经济效益。

参考文献

[1] 全红平,王斌,吴洋,鲁雪梅.离子型天然气水合物动力学抑制剂的合成与评价[J].应用化工.2014(12)

[2]孙力,董坚.天然气水合物抑制剂用高分子研究进展[J].高分子通报.2014(10)

[3]李建敏,王树立,周诗岽,马维俊,饶永超,赵书华.天然气水合物抑制技术与方法研究进展[J].现代化工.2014(09)

[4]马维俊,周诗岽,王树立,李建敏,李工,徐小军.离子液体 BMIM-C1 对甲烷水合物生成抑制的实验研究[J].天然气化工(C1 化学与化工).2013(06)

[5]王海秀,周锡堂.气体水合物促进剂研究进展[J].现代化工.2013(10)