天然氣水合物生成條件預測模型及應用本科學位論文.doc

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1、天然氣水合物生成條件預測模型及應用1引言1.1研究的意義和目的水合物是目前科學領域中的熱門課題，不僅與石油天然氣開采、儲存和運輸密切相關，而且與環(huán)境保護、氣候變遷，特別是人類未來賴以生存的能源有關。一方面，由于水合物特殊的物理化學性質潛藏著巨大的工業(yè)應用潛能，另一方面，在天然氣開采及儲運過程中，其壓力和溫度會發(fā)生變化，尤其當天然氣通過突縮孔眼時，由于摩擦耗能會產生較大的節(jié)流壓降和溫降。同時在天然氣管道中，天然氣的飽和含水量隨天然氣壓力增加或溫度降低而降低，在天然氣經過變徑管、閥門或過濾器、油嘴等節(jié)流時，雖然壓力下降，但溫度也下

2、降，管道中天然氣的飽和含水量隨天然氣壓力增加或溫度降低而降低，另外由于節(jié)流產生渦流，就有可能達到水合物生成的條件。水合物會導致閥門堵塞、氣井停產、管道停輸?shù)葒乐厥鹿剩匝芯款A測水合物的生成溫度和壓力條件以及如何防止水合物的生成是重要以及必要的。通常，在輸送天然氣過程中清除水合物的方法是用熱水或熱蒸汽對管道進行加熱，在水合物和金屬接觸點上，將溫度提高到30～40℃，使水合物很快分解。據(jù)統(tǒng)計防止水合物生成的費用約占生產總成本的5～8%。在工程上對抑制劑用量不能準確計算，抑制劑的用量往往大于實際需求量，這樣一方面不利于節(jié)約成本，另

3、一方面導致不必要的環(huán)境污染針對上述問題，需要用科學的實驗方法，準確測定天然氣水合物的生成條件，并篩選和評價抑制劑的抑制效果，從而為天然氣集輸管道水合物防治工作提供科學依據(jù)。同時，針對旅大10-1天然氣壓力高、流速高以及組分復雜的特殊情況，需要建立正確的天然氣水合物生成預測模型及加入抑制劑后水合物的生成預測模型，并開發(fā)出相應的實用程序。1.2國內外發(fā)展概況及分析國內外預測水合物形成壓力和溫度的方法大致可分為經驗公式法、圖解法、相平衡計算法和統(tǒng)計熱力學模型法四大類。⑴經驗公式法是通過室外取樣室內實驗或現(xiàn)場測試水合物形成壓力和溫度,

4、在此基礎上,擬合得到的半經驗或經驗模型。經驗、半經驗模型具有簡單、計算方便等優(yōu)點,但使用范圍狹窄,計算精度不高。⑵經驗圖解法是根據(jù)甲烷及不同相對密度天然氣形成水合物的平衡曲線，大致確定出天然氣形成水合物的溫度和壓力。但對含有硫化氫的天然氣誤差較大，若相對密度在兩條曲線之間,需采用內插法進行近似計算。為了便于計算機運算，圖解法被回歸成幾個公式，若已知天然氣的相對密度和溫度,可選擇其中合適的公式計算水合物形成壓力。若已知相對密度和壓力可選擇其中合適的公式進行迭代求得水合物形成溫度。但是這種方法也存在適用范圍狹窄，計算精度不高的缺點

5、。⑶相平衡計算法是1940年Katz根據(jù)氣—固平衡常數(shù),提出了一種估算天然氣水合物生成條件的方法,可用于計算含有典型烷烴組成的無硫天然氣,而對非烴含量多的氣體及壓力高于6.9MPa時誤差較大。水合物的相平衡理論模型大多是在VanderWaals-Platteeuw模型的基礎上發(fā)展起來的,具有很強的理論基礎,計算精度高,但計算較復雜,難掌握。⑷目前預測水合物生成條件的熱力學模型幾乎都是以經典統(tǒng)計熱力學為基礎的。VanderWaals和Platteeuw在1959年提出的Langmuir氣體吸附模型，沒有考慮到客體分子間的相互作用

6、，而假定洞穴為球形對稱等等。使用此模型，1964年，Saito等人提出了一種預測水合物生成條件的方法。1972年，Parrish和Pransnitz考慮到Langmuir參數(shù)僅為溫度的函數(shù)，提出了簡單的經驗關系式計算Langmuir常數(shù)，大大簡化了VanderWaals模型，并首次將VanderWaals模型推廣到多元體系。1977年Ng&Robinson模型(簡稱NR)，考慮不同客體間的相互作用，修正VanDerWaals模型。1983年HolderJohn模型（簡稱HJ）考慮到洞穴并非球形，水分子與洞穴中心距離不等的實際情

7、況，采用三層球模型來描述水分子和客體分子間的相互作用，并引人擾動因子來矯正球形分子的Langmuir常數(shù)；1988年杜亞和和郭天民（簡稱Du&Guo88模型）利用十點Gauss數(shù)值積分法計算出不同溫度下Langmuir常數(shù)；1996年，Chen-Guo基于水合物生成動力學，提出了一個完全不同于VdW-P模型的新水合物預測模型。他們認為，在生成水合物時，體系存在準化學平衡和物理吸附平衡。左有祥、郭天民基于水合物兩步生成動力學機理提出了新的水合物熱力學模型，與傳統(tǒng)vdW-P模型相比，表達式得到簡化且更接近普通的溶液熱力學模型，該預

8、測模型都己成功應用于純水體系、含醇或含鹽體系。1.3本文的主要工作本文研究的主要內容是天然氣水合物生成條件預測模型及應用。綜合考慮了天然氣管流及嘴流的壓力和溫度等水合物生成的環(huán)境因素、抑制劑及其濃度對水合物生成條件的影響，分別介紹了基于熱力學相平衡理論的水合物生成條件預測模型