CN111581851A

CN111581851A - 一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法

Info

Publication number: CN111581851A
Application number: CN202010462357.7A
Authority: CN
Inventors: 刘煌; 图孟格勒; 王超祥; 张森林; 郭平; 汪周华; 杜建芬; 李瑞景
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2040-05-27
Also published as: CN111581851B

Abstract

本发明涉及一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法，包括：第一步：采用带活塞、体积为V ₁的高压钢瓶基于保压取样法，在现场取得高压天然气样品；第二步：对取得天然气样品的钢瓶进行升温，让其温度达到现场气源温度T ₁甚至更高，获得原料天然气组成实验值y _i1；第三步：将钢瓶温度降低至现场低温处理装置温度T ₂，获得平衡气相组成实验值y _i2；第四步：进行天然气闪蒸模拟计算，最终确定出参数xx(1)、xx(2)、xx(3)、液化分率e、平衡气相组成计算值y _i3和平衡液相组成计算值x _i3；第五步：计算T ₂温度下钢瓶中天然气的实际产液烃量；第六步：求得T ₂温度下单位体积天然气的冷凝液量。本发明原理可靠，操作简便，能够为天然气流体的地面处理和运输提供理论依据。

Description

一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法

技术领域

本发明属于油气储运领域，涉及一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法。

背景技术

作为一种高效、清洁、优质的高价值能源，天然气采出后通常要经过脱水、脱烃等工艺处理环节才能外输。脱水、脱烃一方面能改善外输天然气的输送能力，另一方面也能获得高价值的低碳液体轻烃。低温处理装置是获得液体轻烃的主要场所，不同地区天然气中轻烃含量不一样，低温下产液烃的量也不一样，对于干气和湿气，低温下单位体积气体产轻烃量很小，而对于凝析气，低温下单位体积气体产轻烃能力就较大。因此掌握不同类型天然气低温下产液烃能力对低温处理装置设计以及运行工艺参数设定非常重要。对于液烃含量很高的凝析气，现有的相态装置在低温条件下可以较准确地确定出液烃量，但是对于干气、湿气和重烃含量较低的凝析气，由于低温下液烃产量少，再加上现有相态分析装置体积有限，采用常规实验无法准确得出液烃量。针对这些类型的天然气低温下产液烃能力，目前主要采用闪蒸计算模型进行估算(朱刚,顾安忠,石玉美.天然气液化流程中的闪蒸计算.能源技术,2000.3：138-141)，基于计算结果来指导生产。流体闪蒸计算数学模型的准确性通常需要实验数据来进行校正，如果缺乏相应实验数据，模型的计算精度将大打折扣。

建立可靠的评价干气、湿气和重烃含量较低的凝析气在低温下析出液体轻烃量的方法，对相关流体的处理和运输具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法，该方法原理可靠，操作简便，在整个实验过程中样品的温度、压力变化与现场处理站操作工况完全一致，同时采用实验和理论计算相结合的方式，确保了结果的可靠性，应用前景广阔，能够为天然气流体的地面处理和运输提供重要的关键参数和理论依据。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

本发明将实验分析和理论计算有效结合起来，首先通过实验获得设定温度、压力下天然气相平衡数据，然后基于实验数据建立高精度天然气闪蒸计算数学模型，最后基于模型预测天然气低温产液烃量，从而准确评价不同类型天然气在低温下产液烃的能力。

一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法，依次包括以下步骤：

第一步：采用带活塞、体积为V₁的高压钢瓶基于保压取样法，在现场取得高压天然气样品，将其置于高低温试验箱中。

第二步：利用高低温试验箱对取得天然气样品的钢瓶进行升温，让其温度达到现场气源温度T₁甚至更高，待钢瓶中温度T₁、压力P₁稳定后，采用色谱仪对天然气样品进行全组分分析，获得原料天然气组成实验值y_i1(原料天然气i组分的摩尔分数)。

第三步：调节高低温试验箱温度，将钢瓶温度降低至现场低温处理装置温度T₂，待钢瓶中温度T₂、压力P₂稳定后，再次采用色谱仪对钢瓶上部的平衡气相进行全组分分析，获得平衡气相组成实验值y_i2(平衡气相i组分的摩尔分数)。

第四步：进行天然气闪蒸模拟计算(郭天民，多元气-液平衡与精馏，石油工业出版社，2002)，过程如下：

(1)按照下式计算天然气i组分的初始相平衡常数E_i ⁰：

T_r＝T₂/T_c (2)

P_r＝P₂/P_c (3)

式中T_c、P_c分别为天然气i组分的临界温度、临界压力，查表得到；

ω_i为天然气i组分的偏心因子，查表得到。

假设T₂、P₂下天然气的初始液化分率e(析出液烃的摩尔数与总原料气摩尔数的比值)为0.1，定义如下函数关系式：

式中c为天然气中气体组分总数。

判断|F(e)'|≤10^-4是否成立，如果成立，e为0.1；如果不成立，计算

的数值，将

的计算结果重新赋值给e，重复公式(4)-(5)计算过程，直至满足|F(e)'|≤10^-4，确定e的数值。并计算得到平衡气相组成计算值y_i3、平衡液相组成计算值x_i3：

(2)选择PR状态方程，天然气中任一组分满足下式：

对于平衡气相：

结合真实气体状态方程，将体积V用偏差因子Z_g表示，公式(9)变形为：

采用Van der Walls混合规则计算T₂、P₂条件下平衡气相的状态方程参数a_m和b_m：

a_ij＝(a_ia_j)^0.5(1-k_i-j) (12)

式中i、j为天然气组分；

k_i-j为天然气i组分与j组分之间的二元交互作用系数。

通过下式计算天然气i组分的状态方程参数a_i、b_i：

a_c＝xx(1)R²T_c ²/P_c (15)

b_i＝xx(2)RT_c/P_c (16)

由于除了CH₄外，其余组分之间二元交互作用系数k_i-j均为0，则有：

k_i-j＝k_CH4-j＝xx(3)(ω_j ^0.5-ω_CH4 ^0.5) (18)

式中k_CH4-j为CH₄与其余组分的二元交互作用系数；

ω_CH4为CH₄的偏心因子；

ω_j为其余组分的偏心因子。

对未知参数xx(1)、xx(2)和xx(3)均设初值为0.001，求解公式(10)，得到T₂、P₂条件下平衡气相的偏差因子Z_g。

采用下式计算平衡气相i组分的逸度系数f_ig：

对于平衡液相，用x_i3代替y_i3、x_j3代替y_j3，同理求得平衡液相的状态方程参数a_m、b_m以及平衡液相的偏差因子Z_l、平衡液相i组分的逸度系数f_il。

计算此时天然气i组分的平衡常数E_i：

判断目标函数：

∑|y_i2-y_i3|≤10^-3 (21)

如果式∑|y_i2-y_i3|≤10^-3成立，直接确定xx(1)、xx(2)、xx(3)、e、y_i3和x_i3。

如果∑|y_i2-y_i3|≤10^-3不成立，基于最小二乘法重新给参数xx(1)、xx(2)和xx(3)设初值，用计算得到的E_i代替E_i ⁰，重新进行天然气闪蒸模拟计算，即再次完成式(4)至式(21)之间的计算过程，直至∑|y_i2-y_i3|≤10^-3成立为止。最终确定出参数xx(1)、xx(2)、xx(3)、液化分率e、平衡气相组成计算值y_i3和平衡液相组成计算值x_i3。

第五步：基于模拟计算结果和取样钢瓶中原始的总气体量等参数，计算T₂温度下钢瓶中天然气的实际产液烃量m_L(g)。计算具体实现步骤如下：

P₁V₁＝n₁Z₁RT₁ (22)

P_sV_s＝n_sZ_sRT_s (23)

上式中，P₁、T₁、V₁、Z₁和n₁分别为原料气压力、温度、取样钢瓶体积、偏差因子和物质的量；P_s、T_s、V_s、Z_s和n_s分别为标准条件下压力(0.1013MPa)、温度(293.15K)、原料气体积、偏差因子、物质的量。其中Z₁采用肖香娇等(肖香娇,闫柯乐,王海应,刘煌,孙晓辉,孙长宇.一种预测超高压气藏压缩因子的新方法.天然气工业,2012,32,42-46)提出的经验公式求得，标准条件下天然气偏差因子Z_s取值1。

根据n₁＝n_s，结合式(23)和式(24)，可得：

最后可得钢瓶中T₂温度下的析出液烃量m_L：

m_L＝e·n₁·M_L (25)

式中：m_L为T₂温度下取样钢瓶中析出液烃质量，g；M_L为T₂温度下平衡液相的摩尔质量，g/mol；M_i为T₂温度下平衡液相中i组分的摩尔质量，g/mol，查表得到。

第六步：求得T₂温度下单位体积天然气的冷凝液量为：m_L/V_s。

所述第一步中，保压取样法是指钢瓶取样前活塞被推到容器一端且注满水，取样时往钢瓶中放入天然气让气体驱替活塞将另一侧的水置换出来，控制出水速率，让取样钢瓶中压力始终与气源压力一致。

所述第二步中，室内对高压天然气取样钢瓶进行升温时，温度至少要达到现场气源温度，优选高于现场气源温度10℃。

所述第三步中，给取样钢瓶降温过程每个温度下稳定的时间3-5小时，优选5小时。

所述气相色谱仪至少能有效分析出天然气中C1-C10组分的含量甚至分析更多组分。

所述闪蒸计算数学模型中状态方程可选择SRK、PR、PT或其改进型方程中的一个，优选PR状态方程。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：采用保压取样法保证了天然气样品的代表性；室内对天然气样品先升温再降温处理保证了与现场工况变化一致，使得实验结果完全具备代表性；基于实验结果对状态方程中参数进行校正，保证的闪蒸预测结果的可靠性，能够准确测定不同类型天然气在不同低温环境下的液烃产量。

附图说明

图1是天然气低温下产液烃量方法流程中实验测定部分示意图。

图中：1为保压取样钢瓶；2为活塞；3为高低温试验箱；4为减压阀；5为色谱分析仪；6、7为阀门；8为加热带。

具体实施方式

下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权力要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参看图1。

带有活塞2的保压取样钢瓶1位于高低温试验箱3中，并通过减压阀4连接色谱分析仪5。取样钢瓶的连接管路上还设有加热带8。

实施例1

一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法，包括以下步骤：

第一步：采用带活塞高压钢瓶1(体积V₁＝1083mL)基于保压取样法在现场取得高压天然气样品。现场取样压力为10MPa，气源温度为373.15K。

第二步：在实验室利用高低温试验箱3对取得天然气样品的钢瓶1进行升温，设定实验温度为373.15K，待钢瓶中温度(T₁)、压力(P₁)稳定后，记录T₁＝373.15K，P₁＝10MPa。再采用气相色谱仪5对天然气样品进行全组分分析，获得原料气组成(y_i1)，见表1。

第三步：调节高低温试验箱3的温度，将钢瓶1内的温度降低至现场低温处理装置温度(253.15K)，再次待钢瓶中温度(T₂)、压力(P₂)稳定后，记录T₂＝253.15K，P₂＝5.6MPa。取钢瓶上部的平衡气相样品进行色谱全组分分析，获得平衡气相组成实验值(y_i2)，见表2。

第四步：进行天然气在T₂(253.15K)、P₂(5.6MPa)下的闪蒸模拟计算。

首先设定天然气在T₂(253.15K)、P₂(5.6MPa)下的初始液化分率e为0.1，基于方程式(1)-(7)，计算出T₂和P₂下的平衡气相组成的计算值y_i3、平衡液相组成的计算值x_i3。

然后选择PR状态方程，给未知参数xx(1)、xx(2)和xx(3)均设初值为0.001，基于式(8)-(19)计算出平衡气相i组分的逸度系数f_ig和平衡液相i组分的逸度系数f_il。

再基于式(20)计算出此时天然气i组分的平衡常数E_i。

判定目标函数式(21)，发现∑|y_i2-y_i3|≤10^-3不成立，基于最小二乘法重新给参数xx(1)、xx(2)和xx(3)设初值，用计算得到的E_i代替E_i ⁰，再一次进行式(4)至式(21)之间的计算。当∑|y_i2-y_i3|≤10^-3成立后，确定出参数xx(1)，xx(2)和xx(3)的数值分别为：0.440235，0.07796和0.185；液化分率e为1.99％；平衡气相组成y_i3(见表2)；平衡液相组成x_i3(见表3)。

第五步：基于模拟计算结果和实验参数，采用式(22)-(24)计算出钢瓶中原始天然气在标准条件下的体积V_s为0.08271m³；再基于式(22)-(27)计算出T₂(253.15K)温度下钢瓶中天然气析出液烃质量m_L等于3.3g。

第六步：最后得到T₂(253.15K)温度下单位体积天然气的冷凝液量为：m_L/V_s＝39.9g/m³。

表1原料气组成(y_i1)

组分	y<sub>i1</sub>，(mol％)
		C1	86.4754
C2	8.0571
		C3	1.6481
C4	0.4410
		C5	1.4298
C6	0.9440
		C7	0.7344
C8	0.2693

表2 253.15K下平衡气相组成实验值(y_i2)和计算值(y_i3)对比

表3 253.15K下平衡液相组成计算值(x_i3)

表4给出了T₂(253.15K)温度下原料气的冷凝液量计算值，并与现场实际数据进行了对比。可以看出，平衡气相组成模拟值与实验值吻合良好，冷凝液量计算值与现场实际数据同样吻合良好，证明了所建方法的可靠性。

表4低温下产液烃量计算值(m_L/V_s)和现场实际值对比

温度	计算值，g/m<sup>3</sup>	实际值，g/m<sup>3</sup>
			253.15K	39.9	38.7

本发明并不限于上述实施方式，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变更。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法，依次包括以下步骤：

第一步：采用带活塞、体积为V₁的高压钢瓶基于保压取样法，在现场取得高压天然气样品，将其置于高低温试验箱中；

第二步：利用高低温试验箱对取得天然气样品的钢瓶进行升温，让其温度达到现场气源温度T₁甚至更高，待钢瓶中温度T₁、压力P₁稳定后，采用色谱仪对天然气样品进行全组分分析，获得原料天然气组成实验值y_i1；

第三步：调节高低温试验箱温度，将钢瓶温度降低至现场低温处理装置温度T₂，待钢瓶中温度T₂、压力P₂稳定后，再次采用色谱仪对钢瓶上部的平衡气相进行全组分分析，获得平衡气相组成实验值y_i2；

第四步：进行天然气闪蒸模拟计算，过程如下：

(1)按照下式计算天然气i组分的初始相平衡常数E_i ⁰：

T_r＝T₂/T_c

P_r＝P₂/P_c

式中T_c、P_c分别为天然气i组分的临界温度、临界压力；

ω_i为天然气i组分的偏心因子；

假设T₂、P₂下天然气的初始液化分率e为0.1，定义如下函数关系式：

式中c为天然气中气体组分总数；

的数值，将

的计算结果重新赋值给e，重复以上计算过程，直至满足|F(e)'|≤10^-4，确定e的数值，并计算得到平衡气相组成计算值y_i3、平衡液相组成计算值x_i3：

(2)对于平衡气相，选择PR状态方程，结合真实气体状态方程，有：

a_ij＝(a_ia_j)^0.5(1-k_i-j)

a_c＝xx(1)R²T_c ²/P_c

b_i＝xx(2)RT_c/P_c

m＝0.37464+1.54226ω_i-0.26992ω_i ²

k_i-j＝k_CH4-j＝xx(3)(ω_j ^0.5-ω_CH4 ^0.5)

式中i、j为天然气组分；

k_i-j为天然气i组分与j组分之间的二元交互作用系数；

k_CH4-j为CH₄与其余组分的二元交互作用系数；

ω_CH4为CH₄的偏心因子；

ω_j为其余组分的偏心因子；

对未知参数xx(1)、xx(2)和xx(3)均设初值为0.001，求解得到T₂、P₂条件下平衡气相的偏差因子Z_g，采用下式计算平衡气相i组分的逸度系数f_ig：

同理求得平衡液相的偏差因子Z_l、平衡液相i组分的逸度系数f_il；

计算此时天然气i组分的平衡常数E_i：

如果式∑|y_i2-y_i3|≤10^-3成立，直接确定xx(1)、xx(2)、xx(3)、e、y_i3和x_i3；

如果∑|y_i2-y_i3|≤10^-3不成立，基于最小二乘法重新给参数xx(1)、xx(2)和xx(3)设初值，用计算得到的E_i代替E_i ⁰，重新进行天然气闪蒸模拟计算，直至∑|y_i2-y_i3|≤10^-3成立为止，确定xx(1)、xx(2)、xx(3)、e、y_i3和x_i3；

第五步：计算T₂温度下钢瓶中天然气的产液烃量m_L：

m_L＝e·n₁·M_L

式中：P₁、T₁、V₁、Z₁和n₁分别为原料气压力、温度、取样钢瓶体积、偏差因子和物质的量；

P_s、T_s、V_s分别为标准条件下压力、温度、原料气体积；

M_L为T₂温度下平衡液相的摩尔质量，g/mol；

M_i为T₂温度下平衡液相中i组分的摩尔质量，g/mol；

第六步：求得T₂温度下单位体积天然气的冷凝液量为m_L/V_s。

2.如权利要求1所述的一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法，其特征在于，所述第一步中，保压取样法是指钢瓶取样前活塞被推到容器一端且注满水，取样时往钢瓶中放入天然气让气体驱替活塞将另一侧的水置换出来，控制出水速率，让取样钢瓶中压力始终与气源压力一致。

3.如权利要求1所述的一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法，其特征在于，所述第二步中，对高压天然气取样钢瓶进行升温时，温度高于现场气源温度10℃。

4.如权利要求1所述的一种确定采出天然气降温过程冷凝液量的方法，其特征在于，所述第三步中，给取样钢瓶降温过程中，每个温度下稳定的时间3-5小时。