一种井场节流方法及井场节流系统
技术领域
本申请涉及天然气节流集输技术领域，特别涉及一种井场节流方法及井场节流系统。
背景技术
天然气水合物是在一定压力和温度(高于水的冰点温度)的条件下，天然气中水与烃类气体构成的结晶状的复合物。天然气水合物形成有一个最高温度，即临界温度，若超过这个温度，再高的压力也不会形成水合物。水合物的形成会堵塞井筒或采气管线，影响气井的正常生产。
气田生产过程中，根据地面开发模式的特点，常会采用降压生产方式。在降压生产中井筒和地面节流过程有可能形成水合物，造成管道堵塞而给气井生产带来严重危害。
常用的防治水合物的方法有：井下节流工艺，防冻剂注入法、地面加热法三种方式。
井下节流工艺，是将井下节流器置于生产管柱某一适当位置，实现在井筒内节流降压，将地面节流过程转移至井筒之中，充分利用地热加热，使节流后气流温度高于节流后压力条件下的水合物形成最高温度，同时将地面集气管线埋至冻土层下，这样在井筒内、井口和地面管线不会形成水合物堵塞，该工艺存在的问题是：节流器在地层以下，作业和打捞成本较高，且地下数据采集不方便，难以真实了解地下采气参数。
防冻剂注入法，是指在部分气井及集气管线生产运行过程中，注入甲醇防冻剂，降低水合物形成的温度点，达到防止水合物形成的目的，该工艺存在问题是：甲醇防冻剂本身成本较高，增加注醇设备和作业管线。
地面加热节流工艺，在地面增加加热炉，先将介质加热到一定温度，再采用节流阀进行节流，节流产生的降温通过加热方式补偿，该工艺存在问题是：加热炉运行成本较高，且加热炉需要一直维护。
因此需要一种节流工艺解决井下节流器作业困难、成本高的问题，还可替代地面节流的加热炉和节流阀，亦可替代注醇装置，简化天然气采气井场集输工艺流程。
发明内容
本申请的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种井场节流方法及井场节流系统。
为实现上述目的，本申请采用了如下技术方案：
一种井场节流方法，包括以下步骤：
S1、将来自于天然气井口的天然气输送至地面节流装置；
S2、通过所述地面节流装置对天然气进行多级降压和节流，得到符合井口管输压力的天然气，并且控制所述天然气的温度始终位于天然气水合物临界温度之上，其中，所述地面节流装置包括节流装置本体，所述节流装置本体包括多个节流孔板，所述节流孔板之间以预定距离间隔设置，在每个所述节流孔板上设有节流孔；
S3、将所述符合井口管输压力的天然气通过低压外输管线输送至下游管线可选的，将来自于天然气井口的天然气输送至地面节流装置，包括：
获取来自于天然气井口的采气树的天然气；
将天然气通过紧急切断阀后输送至地面节流装置。
可选的，通过所述地面节流装置对天然气进行多级降压和节流，包括：
通过所述节流装置本体中的多个节流孔板对天然气进行多级降压和节流。
可选的，将所述符合井口管输压力的天然气通过低压外输管线输送至下游管线，包括：
获取来自于所述地面节流装置的天然气；
将天然气通过流量计进行流量检测后通过低压外输管线输送至下游管线。
可选的，井场节流方法还包括：
在所述采气树与所述紧急切断阀之间设置有放空管线；
所述放空管线用于在天然气压力异常的情况下通过关断所述紧急切断阀使天然气放空。
可选的，井场节流方法还包括：
在所述流量计的两端形成所述流量计的旁通支路；
所述旁通支路用于在更换所述流量计时使天然气从所述旁通支路到达低压外输管线。
本申请还提供一种井场节流系统，包括采气树、地面节流装置及低压外输管线，所述地面节流装置的输入端通过管道与所述采气树相连接，所述地面节流装置的输出端通过管道与所述低压外输管线相连接，其中，所述地面节流装置包括节流装置本体，所述节流装置本体对流经所述节流装置本体的天然气进行节流和降压，并保证天然气的温度始终位于天然气水合物临界温度之上，所述节流装置本体包括多个节流孔板，所述节流孔板之间以预定距离间隔设置，在每个所述节流孔板上设有节流孔。
可选的，井场节流系统还包括：
紧急切断阀，所述紧急切断阀的输入端通过管道与所述采气树相连接，所述紧急切断阀的输出端通过管道与所述地面节流装置的输入端相连接；
流量计，所述流量计的输入端通过管道与所述地面节流装置的输出端相连接，所述流量计的输出端通过管道与所述低压外输管线相连接。
可选的，井场节流系统还包括：
第一球阀，所述第一球阀设置在所述地面节流装置与所述流量计之间，所述第一球阀的输入端通过管道与所述地面节流装置的输出端相连接，所述第一球阀的输出端通过管道与所述流量计的输入端相连接；
第二球阀，所述第二球阀设置在所述流量计与所述低压外输管线之间，所述第二球阀的输入端通过管道与所述流量计的输出端相连接，所述第二球阀的输出端通过管道与所述低压外输管线相连接。
可选的，井场节流系统还包括：
第三球阀，所述第三球阀的输入端和输出端分别通过管道与所述流量计的两端相连接，从而形成所述流量计的旁通支路。
可选的，井场节流系统还包括：
第四球阀，所述第四球阀的输入端通过管道与所述采气树相连接，所述第四球阀的输出端通过管道与放空管线相连接。
可选的，所述节流孔的孔径沿所述节流装置本体的节流方向逐渐递减。
本申请的井场节流方法通过将来自于天然气井口的天然气输送至地面节流装置，通过所述地面节流装置对天然气进行多级降压和节流，得到符合井口管输压力的天然气，并且控制所述天然气的温度始终位于天然气水合物临界温度之上，之后将所述符合井口管输压力的天然气通过低压外输管线输送至下游管线，实现了使天然气井口的高压天然气在通过地面节流装置后达到节流同时保证温度不低于天然气水合物形成温度、不产生天然气水合物的情况下到达低压外输管线，作业简单、成本低、并且简化天然气井场集输工艺流程。
附图说明
图1是本申请实施例的井场节流系统的整体结构示意图；
图2是本申请实施例的井场节流系统中的地面节流装置的结构示意图；
图3是地面节流装置中的节流孔板之间的扩散段的示意图；
图4是多级孔板的轴向截面的质量流量平均温度分布图的示意图；
图5是多级孔板的轴向截面的压力分布图的示意图；
图6是图2的地面节流装置中的多级孔板的几何模型示意图；
图7是本申请实施例的多级孔板中的每个孔板的几何模型示意图；
图8是本申请实施例的井场节流方法的流程图。
附图标记
101-紧急切断阀，102-地面节流装置，103-第四球阀，104-第一球阀，105-流量计，106-第三球阀，107-第二球阀，108-采气树，109-放空管线，110-低压外输管线，201-节流装置本体，202-第五球阀，203-第一压力表，204-第一温度计，205-节流孔板，206-节流孔板，207-节流孔板，208-节流孔板，209-第二压力表，210-第二温度计，211-流量计。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式进行描述。
在本文中，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等仅用于表示相关部分之间的相对位置关系，而非限定这些相关部分的绝对位置。
在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。
在本文中，“相等”、“相同”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。
除非另有说明，本文中的数值范围不仅包括其两个端点内的整个范围，也包括含于其中的若干子范围。
本申请提供一种井场节流系统，如图1所示，井场节流系统包括采气树108、地面节流装置102及低压外输管线110，所述地面节流装置102的输入端通过管道与所述采气树108相连接，所述地面节流装置102的输出端通过管道与所述低压外输管线110相连接，其中，所述地面节流装置102包括节流装置本体201，所述节流装置本体201对流经所述节流装置本体201的天然气进行节流和降压，并保证天然气的温度始终位于天然气水合物临界温度之上。
具体地，所述地面节流装置102的输入端通过管道与采气树108相连接，用于获取来自于天然气井口的高压天然气，所述地面节流装置102用于将高压的天然气进行节流和降压，以得到符合传输要求或生产要求的低压的天然气，所述地面节流装置102的输出端通过管道与所述低压外输管线110相连接，用于将低压的天然气进行外输至下游管线。
天然气水合物是指由主体分子(水)和客体分子(甲烷、乙烷等烃类气体，及氮气、二氧化碳等非烃类气体分子)在低温高压条件下，通过范德华力相互作用，形成的结晶状笼形固体络合物。其中水分子借助氢键形成结晶网格，网格中的孔穴内充满轻烃、重烃或非烃分子。水合物具有极强的储载气体能力，一个单位体积的天然气水合物可储载160至180倍于该体积的气体量。天然气水合物临界温度是天然气水合物形成的一个最高临界温度，若超过这个温度，再高的压力也不会形成水合物，地面节流装置102的节流装置本体201对流经所述节流装置本体201的天然气进行节流和降压，并保证天然气的温度始终位于所述临界温度之上。
本申请提供的井场节流系统可以实现使天然气井口的高压的天然气在通过地面节流装置后达到节流同时保证温度不低于天然气水合物形成温度、不产生天然气水合物的情况下到达低压外输管线，作业简单、成本低、并且简化天然气井场集输工艺流程。
在本申请一实施例中，如图1所示，井场节流系统还包括：紧急切断阀101，所述紧急切断阀101的输入端通过管道与所述采气树108相连接，所述紧急切断阀101的输出端通过管道与所述地面节流装置102的输入端相连接；流量计105，所述流量计105的输入端通过管道与所述地面节流装置102的输出端相连接，所述流量计105的输出端通过管道与所述低压外输管线110相连接。
具体地，所述紧急切断阀101的输入端通过管道与所述采气树108相连接，用于获取来自于天然气井口的高压天然气，所述紧急切断阀101的输出端通过管道与所述地面节流装置102的输入端相连接，用于在有紧急事故或天然气压力异常时能够及时切断，以避免高压天然气进入地面节流装置102，对装置造成破坏，流量计105用于对通过的流量进行计量。
在本申请一实施例中，如图1所示，井场节流系统还包括：第一球阀104，所述第一球阀104设置在所述地面节流装置102与所述流量计105之间，所述第一球阀104的输入端通过管道与所述地面节流装置102的输出端相连接，所述第一球阀104的输出端通过管道与所述流量计105的输入端相连接；第二球阀107，所述第二球阀107设置在所述流量计105与所述低压外输管线110之间，所述第二球阀107的输入端通过管道与所述流量计105的输出端相连接，所述第二球阀107的输出端通过管道与所述低压外输管线110相连接。
实际应用中，低压天然气通过管道从地面节流装置102的输出端到达第一球阀104的输入端，从第一球阀104的输出端到达流量计105的输入端，经过流量计105后，通过管道从流量计105的输出端到达第二球阀107的输入端，从第二球阀107的输出端到达低压外输管线110。
在本申请一实施例中，如图1所示，井场节流系统还包括：第三球阀106，第三球阀106的输入端和输出端分别通过管道与流量计105的两端相连接，从而形成流量计105的旁通支路。在更换流量计105时，打开第三球阀106，来自地面节流装置102的低压的天然气通过管道到达第三球阀106的输入端，通过管道从第三球阀106的输出端到达低压外输管线110。
在本申请一实施例中，井场节流系统还包括：第四球阀103，所述第四球阀103的输入端通过管道与所述采气树108相连接，所述第四球阀103的输出端通过管道与放空管线109相连接。在实际应用中，在天然气压力异常时，关断紧急切断阀101，天然气通过管道从采集树到达球阀的输入端，通过管道从所述球阀的输出端到达放空管线109，实现天然气放空。
在本申请一实施例中，如图2所示，除节流装置本体201之外，地面节流装置102还包括：第五球阀202、第一压力表203、第一温度计204、第二压力表209、第二温度计210、流量计211，其中，所述球阀的输入端用于与天然气井口相连接以获得天然气，所述球阀的输出端通过管道与所述第一压力表203的输入端相连接，所述第一压力表203的输出端与所述第一温度计204的输入端相连接，所述第一温度计204的输出端与所述节流装置本体201的输入端相连接，所述节流装置本体201的输出端与所述第二压力表209的输入端相连接，所述第二压力表209的输出端与所述第二温度计210的输入端相连接，所述第二温度计210的输出端与流量计211的输入端相连接，流量计211的输出端用于与低压外输管线110相连接以输出降压后的天然气，流量计211用于对通过的流量进行计量。
第一压力表203与第一温度计204连接顺序可以调换，第二压力表209与第二温度计210连接顺序可以调换。
下文对节流装置本体201的具体结构进行说明。在本申请一实施例中，如图2所示，所述节流装置本体201包括多个节流孔板205至208，所述节流孔板之间以预定距离间隔设置，所述预定距离形成扩散段，用于保证天然气的温度始终位于天然气水合物临界温度之上。在每个所述节流孔板上设有节流孔，所述节流孔的孔径沿所述节流装置本体201的节流方向逐渐递减，即所述节流装置本体201中的每个节流孔板可以具有不同孔径大小，孔径大小根据所述节流装置本体201两端之间的压力差大小经过计算获得。
如图3所示，气体经过节流孔板的节流孔以后，到达扩散段，得到充分发展，温度恢复到节流前初始温度。图4示出了轴向截面质量流量平均温度分布图，如图4所示，经过节流孔板的节流孔之后，在扩散段天然气的温度会恢复到节流前初始温度，基本没有降低，温度始终保持在位于天然气水合物临界温度之上。在经过节流孔之后，天然气压力呈现如图5所示的阶梯下降，经过N级孔板之后最终实现对天然气进行降压。
节流装置本体201中包括的节流孔板级数与初始压力和最终压力、介质、初始温度等条件有关。图6中的D表示节流孔板的直径，p1表示多级节流孔板介质进口压力(MPa)，p2表示多级节流孔板介质出口压力(MPa)，qm表示介质单位时间内的流量。各级孔径大小可以被确定成使得每个节流孔板的节流孔处不形成水合物且不形成阻塞流。
在本申请一实施例中，所述节流装置本体201中的节流孔板可以采用以下结构，如图7所示，每个节流孔板的靠近管道侧壁的孔板宽度大于节流孔端的孔板宽度，D是节流孔板的直径、d是节流孔径大小、E是孔板宽度、e是节流喉颈宽度、θ是喉颈扩散角，其中e小于E。
所述节流装置本体201中的每个节流孔板通过法兰连接设置在所述地面节流装置102中的管道中。所述地面节流装置102设置有保温层，保温层采用保温岩棉，保证在降压节流过程中不产生温度损耗，不受环境影响。
本申请提供一种井场节流方法，如图8所示，包括以下步骤：
S1、将来自于天然气井口的天然气输送至地面节流装置102；
S2、通过所述地面节流装置102对天然气进行多级降压和节流，得到符合井口管输压力的天然气，并且控制所述天然气的温度始终位于天然气水合物临界温度之上，其中，所述地面节流装置102包括节流装置本体201，所述节流装置本体201包括多个节流孔板，所述节流孔板之间以预定距离间隔设置，在每个所述节流孔板上设有节流孔；
S3、将所述符合井口管输压力的天然气通过低压外输管线110输送至下游管线。
具体地，参照图1，来自于天然气井口的高压的天然气通过管道到达地面节流装置102进行多级降压和节流后形成低压的天然气，低压的天然气通过管道从地面节流装置102的输出端到达低压外输管线110，其中，地面节流装置102的输入端通过管道与天然气井口相连接，用于获取来自于天然气井口的高压天然气，所述地面节流装置102用于将高压天然气进行节流和降压，得到符合传输要求或生产要求的低压的天然气，所述地面节流装置102的输出端通过管道与所述低压外输管线110相连接，用于将低压的天然气进行外输至下游管线。
本申请提供的井场节流方法可以实现使天然气井口的高压的天然气在通过地面节流装置后达到节流同时保证温度不低于天然气水合物形成温度、不产生天然气水合物的情况下到达低压外输管线，作业简单、成本低、并且简化天然气井场集输工艺流程。
在本申请一实施例中，将来自于天然气井口的天然气输送至地面节流装置102，包括：
获取来自于天然气井口的采气树108的天然气；
将天然气通过紧急切断阀101后输送至地面节流装置102。
具体地，高压的天然气通过管道从紧急切断阀101的输出端到达地面节流装置102的输入端，在地面节流装置102中进行多级节流和降压后，低压的天然气通过管道从地面节流装置102的输出端到达低压外输管线110，其中，紧急切断阀101的输入端通过管道与采气树108相连接，用于获取来自于天然气井口的高压天然气，所述紧急切断阀101的输出端通过管道与所述地面节流装置102的输入端相连接，用于在有紧急事故或天然气压力异常时能够及时切断，以避免高压天然气进入地面节流装置102，对装置造成破坏。
在本申请一实施例中，通过所述地面节流装置102对天然气进行多级降压和节流，包括：
通过所述节流装置本体201中的多个节流孔板对天然气进行多级降压和节流。
在本申请一实施例中，将所述符合井口管输压力的天然气通过低压外输管线110输送至下游管线，包括：
获取来自于所述地面节流装置102的天然气；
将天然气通过流量计105进行流量检测后通过低压外输管线110输送至下游管线。
具体地，来自于地面节流装置102的低压的天然气通过管道从地面节流装置102的输出端到达流量计105的输入端，通过流量计105进行流量检测之后通过管道从流量计105的输出端到达低压外输管线110，通过低压外输管线110输送至下游管线，其中，流量计105用于对通过的流量进行计量，流量计105的输入端通过管道与地面节流装置102的输出端相连接，流量计105的输出端通过管道与低压外输管线110相连接。
在本申请一实施例中，井场节流方法还包括：在所述采气树108与所述紧急切断阀101之间设置有放空管线109；所述放空管线109用于在天然气压力异常的情况下通过关断所述紧急切断阀101使天然气放空。
具体地，放空管线109可以具有第四球阀，第四球阀的输入端通过管道与采气树108相连接，球阀的输出端通过管道与放空管线109相连接，从而在天然气压力异常时，关断紧急切断阀101，天然气通过管道从采集树到达球阀的输入端，通过管道从所述球阀的输出端到达放空管线109，实现天然气放空。
在本申请一实施例中，井场节流方法还包括：在所述流量计105的两端形成所述流量计105的旁通支路；所述旁通支路用于在更换所述流量计105时使天然气从所述旁通支路到达低压外输管线110。
具体地，旁通支路可以具有第三球阀106，第三球阀106的输入端和输出端分别通过管道与流量计105的两端相连接，从而形成流量计105的旁通支路。在更换流量计105时，打开第三球阀106，来自地面节流装置102的低压的天然气通过管道到达第三球阀106的输入端，通过管道从第三球阀106的输出端到达低压外输管线110。
上面结合附图对本申请优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请构思的前提下做出各种变化。
