周 理 張 鐠 蔡 黎 郭開華 喬 川

1.中山大學(xué)工學(xué)院 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 3.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦

天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測研究進(jìn)展

周 理1,2張 鐠2蔡 黎2郭開華1喬 川3

1.中山大學(xué)工學(xué)院 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 3.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦

獲取準(zhǔn)確的天然氣烴露點(diǎn)數(shù)據(jù)，對發(fā)展天然氣工業(yè)的諸多環(huán)節(jié)(如天然氣開采、加工和管輸)都具有重要意義。預(yù)測方法可快速提供一定精度范圍的天然氣烴露點(diǎn)數(shù)據(jù)，是推動天然氣工業(yè)發(fā)展的一種重要手段。首先，梳理了經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式、狀態(tài)方程、超額吉布斯自由能-狀態(tài)方程(GE-EOS)模型3種預(yù)測方法的發(fā)展及其在烴露點(diǎn)預(yù)測領(lǐng)域的應(yīng)用。其次，通過對不同天然氣體系復(fù)雜性的分析，提出了以不同的預(yù)測模型深入開展不同天然氣體系烴露點(diǎn)預(yù)測研究的思路，并結(jié)合開展的實(shí)驗(yàn)工作，指出目前國內(nèi)常用的烴露點(diǎn)預(yù)測模型(PR方程和SRK方程)的平均預(yù)測偏差較大(分別為6.7 ℃、9.2 ℃)，不能準(zhǔn)確有效地指導(dǎo)天然氣工業(yè)的工程設(shè)計(jì)和裝置運(yùn)行。最后，指出針對不同復(fù)雜性的天然氣體系，開發(fā)不同的預(yù)測模型，形成系統(tǒng)化的天然氣烴露點(diǎn)研究成果的重要性與迫切性。

烴露點(diǎn)預(yù)測 立方型狀態(tài)方程 GE-EOS模型 相平衡 天然氣體系

在我國新疆、陜西、四川等地，廣泛分布著凝析天然氣氣藏。凝析氣藏產(chǎn)能和動態(tài)特征與開采壓力密切相關(guān)，獲取準(zhǔn)確的氣藏動態(tài)烴露點(diǎn)壓力，有利于針對性地制定開采方案，最大限度地提高氣藏采收率[1-2]。

在天然氣加工環(huán)節(jié)，要特別注意控制外輸天然氣的烴露點(diǎn)指標(biāo)，以避免天然氣在管道中析出液相，對管道輸送產(chǎn)生不利影響[3]。不同凝析氣藏的氣質(zhì)存在差異，同一氣藏的氣質(zhì)在開采過程中也經(jīng)常變化。郭艷林等[4]進(jìn)行的研究表明，凝析氣田處理廠的工藝設(shè)計(jì)往往以包括烴露點(diǎn)在內(nèi)的氣液相平衡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從而保證外輸天然氣烴露點(diǎn)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

目前，我國有兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)對天然氣烴露點(diǎn)做出了相關(guān)規(guī)定[5-6]：①GB 17820-2012《天然氣》要求在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，天然氣中應(yīng)不存在液態(tài)烴；②GB 50251-2015 《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求進(jìn)入輸氣管道的氣體烴露點(diǎn)應(yīng)低于最低環(huán)境溫度。在天然氣管道輸送環(huán)節(jié)，我國已形成了多氣源供氣的格局[7]，不同氣源在交接點(diǎn)的烴露點(diǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)有可能并不統(tǒng)一，當(dāng)不同氣源進(jìn)入大型管網(wǎng)混輸時，管網(wǎng)系統(tǒng)中天然氣有可能出現(xiàn)氣液兩相[8-9]，當(dāng)前亟需建立一套可靠便捷的風(fēng)險評估手段，指導(dǎo)氣源科學(xué)合理混輸，最大限度降低管道運(yùn)營風(fēng)險。

獲取天然氣烴露點(diǎn)數(shù)據(jù)主要有實(shí)驗(yàn)測定和模型預(yù)測兩種手段。實(shí)驗(yàn)手段測定的天然氣烴露點(diǎn)的準(zhǔn)確度與可靠性高。但是，實(shí)驗(yàn)檢測需要配備精密儀器、專業(yè)人員等優(yōu)質(zhì)資源，且時效性差，對于氣質(zhì)狀況可能隨時間推移發(fā)生變化，或需全面快速獲得天然氣不同壓力(溫度)下烴露點(diǎn)溫度(壓力)的場合有其局限性。

目前，天然氣烴露點(diǎn)的預(yù)測方法大致可分為以下3種：①經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式法；②狀態(tài)方程法；③超額吉布斯自由能-狀態(tài)方程法。以下簡要介紹了這3種預(yù)測方法的發(fā)展及其在烴露點(diǎn)預(yù)測領(lǐng)域的應(yīng)用，并對文獻(xiàn)報(bào)道的適用范圍和預(yù)測精度進(jìn)行了綜述對比。然后，通過對不同天然氣體系復(fù)雜性的分析，提出了以不同的預(yù)測模型來深入開展不同天然氣體系烴露點(diǎn)預(yù)測研究的思路。最后，結(jié)合開展的實(shí)驗(yàn)工作，指出針對不同復(fù)雜性的天然氣體系開發(fā)不同烴露點(diǎn)預(yù)測模型的必要性與迫切性。

1 天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測方法綜述

1.1 經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式法

經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式法結(jié)構(gòu)形式簡單，目前主要用于對凝析氣藏?zé)N露點(diǎn)壓力的預(yù)測，其預(yù)測精度依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的廣度與精度，對氣質(zhì)狀況偏離參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍的情況，偏差大，適用性差。

1.2 狀態(tài)方程法

狀態(tài)方程法預(yù)測天然氣烴露點(diǎn)是用同一個狀態(tài)方程同時求解氣液兩相的相平衡特性，只有當(dāng)狀態(tài)方程模型對氣液兩相都具有一定預(yù)測精度時，才能保證烴露點(diǎn)預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

狀態(tài)方程的發(fā)展演化過程中，產(chǎn)生了理想氣體方程、維里方程、立方型方程以及基于維里方程發(fā)展起來的多參數(shù)方程(如BWR/MBWR、Lee-Kesler、Martin-Hou方程)4種主要形式的狀態(tài)方程[16]。其中，立方型方程形式簡單靈活、計(jì)算精度較高，是工程上使用最廣泛的狀態(tài)方程[17]。

自1873年van der Waals(vdW)提出首個立方型狀態(tài)方程以來，眾多學(xué)者基于vdW方程做出了各種改進(jìn)，數(shù)百個立方型狀態(tài)方程被相繼提出，以解決不同領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)際問題，在天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測研究領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用的是SRK、PR、PT狀態(tài)方程[18-20],以及基于三者的改進(jìn)方程。

采用立方型狀態(tài)方程(SRK、PR方程及其改進(jìn)形式)法預(yù)測天然氣烴露點(diǎn)，具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，對于氣質(zhì)組成簡單的天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測，精度高，具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢。但當(dāng)溫度、壓力條件比較苛刻(近臨界或超臨界狀態(tài))或天然氣氣質(zhì)比較復(fù)雜，如天然氣中含有C6+或極性氣體(H2O、H2S)時，往往需要對狀態(tài)方程的能量項(xiàng)、協(xié)同體積項(xiàng)或者混合規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)[21]，但由于缺乏有效理論體系的指導(dǎo)，往往難以確定準(zhǔn)確有效、通用性強(qiáng)的改進(jìn)方法[25]。

1.3 GE-EOS模型法

對于極性和強(qiáng)不對稱體系，受傳統(tǒng)混合規(guī)則的限制，狀態(tài)方程法難以準(zhǔn)確描述液相體系的相平衡特性；活度系數(shù)法可較好地預(yù)測低壓液相混合體系的相平衡特性，但由于缺乏交互作用系數(shù)，活度系數(shù)法對氣體相平衡的預(yù)測能力較差。GE-EOS(Gibbs Excess Energy-Equation of State)模型以混合規(guī)則為“橋梁”，結(jié)合了狀態(tài)方程法和活度系數(shù)法分別在氣相和液相預(yù)測精度高的優(yōu)點(diǎn)，拓展了狀態(tài)方程法的適用范圍[26]。

Huron和Vidal[27]首先提出了GE-EOS模型的應(yīng)用，1979年，他們率先提出以式(1)將氣相EOS超額自由能模型和溶液超額自由能模型聯(lián)系起來。

(1)

經(jīng)整理，狀態(tài)方程中能量項(xiàng)a可用gE,AM表示為：

a=f(gE,AM)

(2)

其中，gE,AM由液相活度系數(shù)模型求得。

協(xié)同體積項(xiàng)b一般由式(3)表示：

(3)

式(2)、式(3)即為GE-EOS狀態(tài)方程的混合規(guī)則。式中,a為狀態(tài)方程能量項(xiàng)(m6·kPa·mol-2);b為立方型狀態(tài)方程協(xié)同體積項(xiàng)(m3·mol-1);x為摩爾分?jǐn)?shù)，下標(biāo)i表示混合物組元。

GE-EOS模型整合了狀態(tài)方程法和活度系數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)，在擴(kuò)大模型適用范圍的同時，提升了預(yù)測精度，在重?zé)N含量較高的凝析氣或含大量極性氣體的天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景。

2 天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測研究思路

從氣藏天然氣到終端商品氣，天然氣的氣質(zhì)、壓力、溫度條件存在較大的差異，天然氣體系的復(fù)雜性依次遞減。根據(jù)復(fù)雜程度不同，可將天然氣工業(yè)主要涉及的天然氣體系分為以下4類。

(1) 氣藏天然氣。氣質(zhì)組成復(fù)雜，壓力、溫度高，天然氣氣藏壓力一般在數(shù)十兆帕以上，對于某些特高壓氣藏而言，壓力、溫度可分別達(dá)100 MPa、450 K[22]。氣藏天然氣體系復(fù)雜，含C1～C14以上的烴類，H2S、H2O等極性氣體以及H2等量子氣體，為強(qiáng)不對稱、極性、超臨界體系，擬優(yōu)先選用前述的GE-EOS模型開展其烴露點(diǎn)的預(yù)測研究，當(dāng)僅需獲得特定條件下的烴露點(diǎn)且具有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下，也可采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式法進(jìn)行預(yù)測。

(2) 處理廠天然氣。天然氣氣質(zhì)組成復(fù)雜，壓力為4～10 MPa，溫度為-100～200 ℃。該天然氣體系較為復(fù)雜，擬選用GE-EOS模型或改進(jìn)形式的狀態(tài)方程模型開展天然氣烴露點(diǎn)的預(yù)測研究。

(3) 長輸管道天然氣。進(jìn)入長輸管網(wǎng)的天然氣氣質(zhì)組成簡單，輸送壓力在10 MPa左右，溫度為環(huán)境溫度。該天然氣體系較為簡單，擬選用改進(jìn)形式的SRK或PR方程進(jìn)行其烴露點(diǎn)的預(yù)測研究。

(4) 中下游商品天然氣.氣質(zhì)組成簡單，壓力分布在0.1～4 MPa之間，溫度一般為環(huán)境溫度。該天然氣體系最為簡單，擬選用SRK或PR方程進(jìn)行烴露點(diǎn)的預(yù)測研究。

3 國內(nèi)常用預(yù)測模型對氣質(zhì)的適應(yīng)性研究

目前，國內(nèi)尚未針對不同天然氣體系開發(fā)不同烴露點(diǎn)預(yù)測工具，當(dāng)需要預(yù)測天然氣烴露點(diǎn)或相包絡(luò)線時，主要依賴國外的商業(yè)軟件(如ASPEN、HYSYS等)。軟件中適合天然氣烴露點(diǎn)計(jì)算的模型較為單一，主要為PR方程、SRK方程，模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的偏差范圍，以及模型是否適合我國天然氣氣質(zhì)特點(diǎn)等問題，一直沒有得到系統(tǒng)性研究工作的關(guān)注[33]。

將某天然氣處理廠脫水后天然氣的烴露點(diǎn)測試數(shù)據(jù)與商業(yè)軟件中采用的PR、SRK方程的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析。測試天然氣全組成的方法是氣相色譜法，主要參考GB/T 13610-2014《天然氣組成分析氣相色譜法》和GB/T 17281-1998《天然氣中丁烷至十六烷烴類的測定氣相色譜法》。烴露點(diǎn)測試方法為冷鏡面法，采用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 27895-2011 《天然氣烴露點(diǎn)的測定 冷卻鏡面目測法》，測試精度由烴露點(diǎn)儀溫度測試的精度決定，本次試驗(yàn)使用烴露點(diǎn)儀溫度計(jì)精度為0.1 ℃。但是在烴露點(diǎn)測試過程中，由于烴露點(diǎn)上的凝析量必須達(dá)到目測最低限以及測試人員讀取結(jié)果之間的差異，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定烴露點(diǎn)直接測試結(jié)果的準(zhǔn)確度約為±2 ℃。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試由同一人員進(jìn)行，盡量減小了系統(tǒng)誤差。

表1所列天然氣共由19個組分(個別組分為組分組，如C6、C7、C8+)組成，屬較復(fù)雜的天然氣氣質(zhì)。表2列出了不同壓力下天然氣烴露點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值與PR和SRK狀態(tài)方程模型預(yù)測值的比較情況。采用PR、SRK兩個狀態(tài)方程計(jì)算得到的烴露點(diǎn)溫度預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的平均絕對(相對)偏差分別為6.7 ℃(2.5%)、9.2 ℃(3.7%)；該天然氣處理廠的設(shè)計(jì)工作壓力為3～5 MPa，在該壓力區(qū)間，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的平均絕對偏差分別可達(dá)8.0 ℃、10.3 ℃。

結(jié)合圖1可以看出，模型預(yù)測得到的烴露點(diǎn)曲線整體位于實(shí)驗(yàn)值右側(cè)(預(yù)測烴露點(diǎn)溫度高于實(shí)驗(yàn)值)，分析可能預(yù)測模型的內(nèi)部參數(shù)仍具有一定的優(yōu)化空間。在建設(shè)天然氣處理廠之前，若以上述不甚準(zhǔn)確的預(yù)測模型結(jié)果作為工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主要來源，而不考慮較大范圍的數(shù)據(jù)修正，可能會導(dǎo)致建成后裝置非正常、不穩(wěn)定運(yùn)行狀況的出現(xiàn)。

表1 某天然氣處理廠脫水后天然氣氣質(zhì)Table1 Compositionofnaturalgasafterdehydrationinaprocessingfactory組分y/%組分y/%He0．000i?C50．228H20．010n?C50．113O20．000C60．105N20．691苯0．007CO20．295環(huán)己烷0．012C185．487C70．042C28．823甲基環(huán)己烷0．012C32．951甲苯0．005i?C40．606C+8①0．030n?C40．585 注：①冷鏡面法需一定量的液烴形成液滴才能判定烴露點(diǎn)出現(xiàn)，C+8含量極少，比對預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值，認(rèn)為可將C8以上烴類統(tǒng)一歸入C+8。

表2 不同壓力下天然氣烴露點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值對比表Table2 Experimentalandpredictedhydrocarbondewpointofnaturalgasunderdifferentpressure壓力/MPa烴露點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值/℃PR方程預(yù)測值/℃SRK方程預(yù)測值/℃PR絕對偏差/℃SRK絕對偏差/℃PR相對偏差①/%SRK相對偏差①/%9．30-9．4-13．1-5．53．73．91．391．489．16-5．2-9．8-3．54．61．71．730．658．88-3．4-5．6-0．22．23．20．801．188．62-2．8-2．72．20．15．00．051．848．50-2．7-1．53．21．25．90．442．178．21-2．00．95．32．97．31．082．687．850．23．47．53．27．31．192．667．573．85．19．01．35．20．481．867．223．27．010．63．87．41．362．676．925．08．311．83．36．81．202．446．634．69．512．84．98．21．772．966．405．210．313．55．18．31．853．006．205．811．014．15．28．31．862．985．936．011．814．85．88．82．073．155．686．212．415．46．29．22．233．285．406．613．115．96．59．32．313．315．156．813．516．26．79．42．403．374．967．013．816．56．89．52．443．384．757．014．116．77．19．72．533．454．566．614．316．87．710．22．753．644．176．414．516．98．110．52．903．763．796．214．516．88．310．62．973．793．455．814．316．58．510．73．053．823．165．114．016．08．910．93．183．933．025．013．715．88．710．83．133．872．714．613．015．08．410．43．043．74

續(xù)表2壓力/MPa烴露點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值/℃PR方程預(yù)測值/℃SRK方程預(yù)測值/℃PR絕對偏差/℃SRK絕對偏差/℃PR相對偏差/%SRK相對偏差/%2．453．812．314．28．510．43．053．742．121．611．012．89．411．23．414．081．72-1．28．810．510．011．73．674．321．42-2．46．68．39．010．73．313．941．15-4．63．95．68．510．23．183．800．75-12．6-1．70．010．912．64．184．820．41②-22．0-10．0-8．212．013．84．795．490．20②-41．0-19．6-17．721．423．39．2210．05偏差平均值6．79．22．53．4 注：①相對偏差以烴露點(diǎn)開氏溫度為基礎(chǔ)計(jì)算；②低壓下測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較差，可能導(dǎo)致預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值偏差較大，不計(jì)入此兩點(diǎn)數(shù)據(jù)，PR、SRK方程預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的平均絕對偏差分別為6．1℃、8．6℃。

由于模型單一，目前國內(nèi)對復(fù)雜氣質(zhì)的天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測精度差，不能有效地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和裝置運(yùn)行。隨著近年來國內(nèi)復(fù)雜氣田資源開發(fā)利用的增加(如塔里木油田、長慶油田、西南油氣田等公司均有較多的凝析氣田進(jìn)入開發(fā)周期)，以及日趨復(fù)雜的多氣源天然氣管網(wǎng)運(yùn)營狀況，在天然氣開發(fā)、生產(chǎn)、管網(wǎng)運(yùn)營環(huán)節(jié)，都需要完善的天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測模型的指導(dǎo)。

4 結(jié) 語

(1) 在對天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測方法及其應(yīng)用進(jìn)行綜述對比的基礎(chǔ)上，通過對不同天然氣體系特點(diǎn)的分析，提出了以GE-EOS模型法開展天然氣處理廠天然氣的烴露點(diǎn)預(yù)測，以改進(jìn)的SRK或PR方程開展長輸管道天然氣的烴露點(diǎn)預(yù)測，以SRK或PR方程開展商品天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測的研究思路。

(2) 國內(nèi)常用烴露點(diǎn)模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值偏差較大，SRK與PR方程的平均預(yù)測偏差分別可達(dá)9.2 ℃、6.7 ℃。目前，常用預(yù)測模型對我國氣質(zhì)的適應(yīng)性較差，不能有效地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和裝置運(yùn)行。

(3) 結(jié)合天然氣開發(fā)生產(chǎn)的實(shí)際需求，進(jìn)一步指出針對不同天然氣體系開發(fā)不同預(yù)測模型，形成系統(tǒng)化天然氣烴露點(diǎn)預(yù)測研究成果的必要性。

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Research progress of natural gas hydrocarbon dew point prediction

Zhou Li1,2, Zhang Pu2, Cai Li2, Guo Kaihua1, Qiao Chuan3

1.SchoolofEngineering,SunYat-SenUniversity,Guangzhou,Guangdong,China; 2.ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOilandGasfieldCompany,Chengdu,Sichuan,China;3.SouthernSichuanGasDistrict,PetroChinaSouthwestOilandGasfieldCompany,Luzhou,Sichuan,China

To obtain accurate hydrocarbon dew point data of natural gas is crucial for development of natural gas mining，processing and transporting, which are all the key aspects of natural gas industry. Prediction method is a kind of important factor to promote the development of natural gas industry because it can predict a relative precise hydrocarbon dew point as quick as possible. Firstly, this paper reviewed the development and application of three major natural gas hydrocarbon dew point prediction models, which are empirical correlations model, equation of state model and Gibbs excess energy-equation of state (GE-EOS) model, respectively. Secondly, based on the complexity analysis of different natural gas system, the research idea utilizing vary model to predict the hydrocarbon dew point of different natural gas system is proposed. In further, through the experimental validation, we found there was big deviation between the experimental and predicted dew points temperature. When the common PR and SRK model in domestic was used, the average absolute deviation could achieve 6.7 ℃ and 9.2 ℃ accordingly, which demonstrated that the common models used in domestic were not suitable for guiding the engineering design and plant operation. At last, this paper pointed out the necessity as well as urgency to start the systematic research on natural gas hydrocarbon dew point prediction.

hydrocarbon dew point prediction, cubic equation of state, GE-EOS model, phase equilibrium, natural gas system

周理(1981-)，男，高級工程師，現(xiàn)就職于中國石油西南油氣田公司天然氣研究院檢測所，任副所長，國際標(biāo)準(zhǔn)制定工作組(ISO/TC 193/SC1/W22)召集人，主要從事天然氣分析測試及標(biāo)準(zhǔn)化方面的研究工作。E-mail：zhou.li@petrochina.com.cn

郭開華(1956-)，男，教授、博士研究生導(dǎo)師，中山大學(xué)-BP液化天然氣中心主任，主要從事能源及液化天然氣技術(shù)方面的研究工作。E-mail：guokaih@mail.sysu.edu.cn

TE648

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.04.017

2017-03-14；

2017-06-02；編輯：鐘國利