塔里木油田高壓氣井井下節(jié)流防治水合物技術(shù)

宋中華, 張士誠, 王騰飛, 沈建新, 段玉明, 劉蘭英

(1.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油塔里木油田分公司開發(fā)事業(yè)部，新疆庫爾勒 841000；3.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

塔里木油田油氣分布廣，占地面積大。其中，天然氣是塔里木油田產(chǎn)量的重要組成部分，也是油田開發(fā)的重點(diǎn)。塔里木氣藏巖石孔隙度0.32%～7.44%，平均1.16%；滲透率0.007～27.160 mD，平均0.312 mD。氣藏屬于正常的溫度壓力系統(tǒng)，地層壓力59.48 MPa，地層壓力系數(shù)1.07～1.13。開發(fā)初期產(chǎn)氣量高，油壓大，生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)水合物堵塞管道的情況，嚴(yán)重影響了氣井的正常生產(chǎn)。針對水合物的生成和堵塞問題，國內(nèi)外開展了大量的技術(shù)理論和應(yīng)用研究[1-4]，針對不同的氣井生產(chǎn)情況，提出了不同的水合物防治技術(shù)。井下節(jié)流技術(shù)已經(jīng)在新疆、四川、長慶等多個(gè)油氣田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，均取得了較好的應(yīng)用效果。筆者對水合物防治技術(shù)進(jìn)行了適應(yīng)性研究，并結(jié)合塔里木輪南油田的實(shí)際情況，開展了井下節(jié)流技術(shù)的研究與應(yīng)用，給出了適用于塔里木高壓氣井的井下節(jié)流設(shè)計(jì)方法。

1 井下水合物形成原因分析

1.1 氣井井下水合物形成情況統(tǒng)計(jì)

塔里木輪南油田氣井為高壓氣井，生產(chǎn)過程中易在井筒及油嘴處形成水合物阻塞。該區(qū)有44口氣井開井生產(chǎn)，近3年有15口井在井筒及氣嘴處出現(xiàn)水合物堵塞，關(guān)井解堵耗時(shí)長，嚴(yán)重影響了氣井的正常生產(chǎn)。如DH12井每天機(jī)械清理水合物2次，由于清理不及時(shí)，關(guān)井15 d，開井時(shí)率僅32%；LN4-2C 井井口油嘴被水合物堵塞，每天需關(guān)井清理水合物1次，影響了氣井平穩(wěn)生產(chǎn)，易造成地層激動(dòng)和反凝析；LN422井形成的水合物堵塞氣嘴和輸氣管線，關(guān)井解堵耗時(shí)42 d。

1.2 形成原因分析

在氣井生產(chǎn)過程中，氣體由井底流向井口時(shí)，體積不斷膨脹，氣流壓力和溫度不斷降低，當(dāng)其溫度低于水合物的生成臨界溫度時(shí)，天然氣中的自由水便與烴類氣體結(jié)合生成水合物，造成堵塞。影響天然氣水合物形成的因素主要有[5-6]：

1) 天然氣中存在自由水，且天然氣的溫度不高于體系中水的露點(diǎn)溫度；

2) 對于一定組分的天然氣，在一定的壓力條件下，流體溫度低于水合物生成溫度；

3) 氣流速度越高，經(jīng)過管線和設(shè)備時(shí)的攪動(dòng)越厲害， 因此氣流速度越高，越容易生成水合物；

4) H2S等酸性氣體在水中的溶解度遠(yuǎn)高于甲烷等烴類氣體，因此當(dāng)天然氣中存在酸性氣體時(shí)，會促進(jìn)水合物的生成。

塔里木油田的氣井井深一般在5 000 m左右，井內(nèi)氣體處于高壓狀態(tài)，易于生成水合物；在生產(chǎn)過程中，多數(shù)氣井會有H2S等酸性氣體產(chǎn)生，且塔里木氣田屬于凝析氣田，C3和C4組分含量高，更容易生成水合物。

2 高壓氣井水合物生成預(yù)測

2.1 水合物生成溫度預(yù)測

相平衡理論是統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)模型的基礎(chǔ)[7]，在水合物體系中同時(shí)存在水合物相、氣相以及富水相3種相態(tài)。由相平衡理論可知，當(dāng)體系達(dá)到平衡時(shí)，天然氣水合物體系中同一組分在不同相中的化學(xué)位相等。例如，對水組分，當(dāng)體系達(dá)到平衡時(shí)，水組分在水合物相(H相)和富水相(W相)中的化學(xué)位應(yīng)該相等，則水合物的生成過程中達(dá)到平衡時(shí)有：

μH=μW

(1)

式中：μH為水合物相中水組分的化學(xué)位；μW為富水相中水組分的化學(xué)位。

若以完全空的水合物相β的化學(xué)位μβ為基準(zhǔn)，則有：

ΔμH=ΔμW

(2)

其中ΔμH=μβ-μH

(3)

ΔμW=μβ-μW

(4)

式中：ΔμH為水在水合物相中的化學(xué)位差；ΔμW為水在富水相中的化學(xué)位差。

水在水合物相的化學(xué)位差ΔμH的計(jì)算式為：

(5)

(6)

式中：R為通用氣體常數(shù)，R=0.008 314 kJ/(mol·K)；υi為i型空腔占整個(gè)空腔的比例；θij為j組分分子在i類孔隙中的占據(jù)率：fj(T,p)為j組分在溫度T、壓力p下的逸度；Cij為i類孔隙中j組分的Langmuir氣體吸附常數(shù)；T為溫度，K；p為壓力，MPa。

ΔμW的計(jì)算式為：

式中：ΔhW為摩爾焓差，J/mol；ΔVW為摩爾體積差,m3/mol；aW為水在富水液相中的活度，在不含抑制劑的情況下，水在富水液相中的活度近似等于富水液相中水的摩爾分?jǐn)?shù)。

利用以上關(guān)系式進(jìn)行迭代計(jì)算，即可求得天然氣在不同壓力條件下的生成溫度。塔里木油田高壓氣井LN422井的水合物生成溫度和壓力預(yù)測曲線如圖1所示。

圖1 LN422井水合物生成壓力溫度預(yù)測曲線Fig.1 Hydrate formation pressure-temperature prediction curve for Well LN422

由圖1可知，壓力較高時(shí)，水合物生成臨界溫度很高。例如，壓力為20和30 MPa時(shí)，水合物生成臨界溫度分別為26.8和30.0 ℃。因此，若不采取水合物防治措施，氣井生產(chǎn)過程中很容易生成水合物，阻塞井筒。

2.2 水合物生成位置預(yù)測

2.2.1 井筒溫度預(yù)測模型

氣井井筒溫度預(yù)測模型為：

(8)

(9)

式中：M0為地溫梯度，K/m；y為井深，m；b為折算地表溫度，K；H為氣藏深度，m；WC為熱流當(dāng)量，W/K；λb為地層傳熱系數(shù)，W/(m·K)；μ為從油管內(nèi)壁到套管外壁的傳熱系數(shù)，W/(m·K)；d為油管直徑，m。

2.2.2 井筒壓力預(yù)測模型

已知地層溫度變化，將整個(gè)井筒分成若干段，每一段長度為Δh。在每一段內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，得每段壓力降計(jì)算式為：

(10)

(11)

E2=3.484×10-3γg

(12)

(13)

(14)

式中：qsc為產(chǎn)氣量，m3/d；γg為氣體相對分子質(zhì)量；Zin，Zout分別為計(jì)算段入口、出口的氣體壓縮因子；pin，pout分別為計(jì)算段入口、出口的壓力，MPa；Tin，Tout分別為計(jì)算段入口、出口的溫度，K；f為摩阻系數(shù)；Δh為計(jì)算段的高度，m。

根據(jù)井筒溫度、壓力分布預(yù)測模型可預(yù)測井筒中的溫度壓力分布，然后根據(jù)水合物生成溫度判斷是否生成水合物以及生成水合物的位置。如LN422井深5 200 m，節(jié)流前產(chǎn)氣量40 023 m3/d，井底溫度125.0 ℃，井口溫度21.0 ℃，井底壓力50.0 MPa，井口壓力29.2 MPa，氣體相對密度0.63，井筒流動(dòng)壓力和流動(dòng)溫度如圖2所示。

圖2 LN422井井筒壓力和溫度分布曲線Fig.2 Wellbore pressure and temperature distribution of Well LN422

由圖2可知，500 m以淺井段，井筒溫度小于水合物生成的臨界溫度，即在該井段極易生成水合物而阻塞井筒。因此，為了穩(wěn)定生產(chǎn)需要對LN422井采取水合物防治措施。

3 水合物防治技術(shù)優(yōu)選

目前，油田現(xiàn)場主要采用除水、加熱降壓、加注化學(xué)抑制劑和安裝井下節(jié)流器等方法來抑制水合物的生成[8]。

塔里木油田氣井多為深井、超深井，除水、加熱、降壓均難以做到，而甲醇等化學(xué)抑制劑價(jià)格較高，且井越深所需注入的化學(xué)抑制劑越多。如 LN4-2C 井注醇深度為700 m，如果注甲醇，每月用量為225.6 kg；如果注乙醇，每月用量為492.3 kg，用量大，成本高。因此，采用注入化學(xué)抑制劑的方法不具有工業(yè)價(jià)值。井下節(jié)流技術(shù)工藝簡單、易于實(shí)施，能夠有效抑制水合物生成，并提高氣井?dāng)y液能力，可以很好地用于超深井，因此選用井下節(jié)流技術(shù)防治塔里木油田高壓氣井的水合物。

井下節(jié)流技術(shù)[9-12]是在井下安裝節(jié)流氣嘴，氣體通過氣嘴時(shí)產(chǎn)生壓力降和溫度降，由于地?zé)釋驳募訜嶙饔?，?jié)流后的氣體的溫度會迅速恢復(fù)，如果節(jié)流嘴直徑和節(jié)流嘴安裝位置恰當(dāng)，天然氣氣流通過節(jié)流氣嘴后的溫度將高于該處的水合物生成溫度，從而避免水合物的生成，達(dá)到防治水合物堵塞的目的。

4 井下節(jié)流關(guān)鍵技術(shù)

4.1 井下節(jié)流氣嘴下入深度設(shè)計(jì)

為了保證井下節(jié)流技術(shù)的有效性,必須使節(jié)流后的天然氣溫度高于節(jié)流后壓力條件下生成水合物的臨界溫度，而節(jié)流器在井下所處的位置對節(jié)流后天然氣溫度有決定性影響。當(dāng)節(jié)流氣嘴在井下超過某一深度后,節(jié)流后能確保天然氣溫度高于水合物生成的臨界溫度,該深度即為節(jié)流氣嘴下入的最小深度[13]：

式中:Lmin為不生成水合物的節(jié)流氣嘴最小下入深度,m；th為水合物形成溫度(由水合物預(yù)測曲線求得),℃；t0為地面平均溫度,℃；βk為臨界壓力比，取0.546;k為天然氣的絕熱系數(shù)，取1.3；Z為節(jié)流器入口處氣體偏差因子。

4.2 井下節(jié)流氣嘴直徑設(shè)計(jì)

井下節(jié)流器氣嘴的直徑與天然氣井的產(chǎn)量密切相關(guān)，因此根據(jù)配產(chǎn)要求設(shè)計(jì)節(jié)流氣嘴尺寸。在臨界流狀態(tài)下,節(jié)流氣嘴處的流速趨近聲速，下游壓力即節(jié)流氣嘴后壓力的波動(dòng)不會穿越氣嘴影響到節(jié)流氣嘴前的壓力,從而使通過節(jié)流氣嘴的天然氣流量達(dá)到最大值[14-15]。達(dá)到臨界流狀態(tài)時(shí)的氣井天然氣產(chǎn)量計(jì)算式為:

(16)

式中：qmax為臨界流狀態(tài)下的最大流量，m3/d；d為氣嘴直徑，mm；p1為氣嘴入口處的壓力，MPa；γg為天然氣相對密度，一般取0.65；T1為氣嘴入口處的溫度，K；Z1為在氣嘴入口處的氣體偏差因子。

由式(16)可得井下節(jié)流氣嘴直徑計(jì)算式:

(17)

水合物的生成主要與壓力和溫度有關(guān)，而溫度又和氣嘴下深有關(guān)。從防止水合物生成角度出發(fā)，由式(15)可得到井下節(jié)流氣嘴在井筒中的上限位置；考慮井下節(jié)流氣嘴的工作壽命，投放位置越深，其工作環(huán)境溫度越高，承受的壓力也越大，對井下節(jié)流氣嘴工作壽命影響越大。根據(jù)實(shí)際工藝需要，井下節(jié)流氣嘴的適用深度為1 800～2 500 m。

4.3 井下節(jié)流設(shè)計(jì)方法

首先進(jìn)行井筒水合物生成預(yù)測，預(yù)測水合物的生成位置及生成溫度，然后根據(jù)式(15)計(jì)算節(jié)流氣嘴最小下入深度和節(jié)流氣嘴入口壓力溫度，再根據(jù)式(17)進(jìn)行節(jié)流氣嘴直徑設(shè)計(jì)，最后計(jì)算出口溫度壓力及節(jié)流氣嘴后溫度壓力分布。如LN422井水合物生成位置在500 m處，水合物生成溫度為31.6 ℃，地溫梯度33.3 m/℃，利用以上數(shù)據(jù)可計(jì)算出節(jié)流氣嘴最小下入深度為1 908.3 m，考慮安全系數(shù)，設(shè)計(jì)下入深度2 000 m，計(jì)算節(jié)流氣嘴直徑3.01 mm，取3.00 mm。

5 應(yīng)用實(shí)例

塔里木輪南油田輪古東地區(qū)氣井在生產(chǎn)時(shí)，井下和地面經(jīng)常產(chǎn)生水合物堵塞。現(xiàn)以該氣田L(fēng)N422井和 LN4-2C 井為例，研究井下節(jié)流技術(shù)的水合物防治效果。LN4-2C 井井深5 680 m，節(jié)流前日產(chǎn)氣量38 041 m3，井底溫度135.0 ℃，井口溫度18.0 ℃，井底壓力55 MPa，井口壓力26.8 MPa。

根據(jù)目前工藝流程要求，井下節(jié)流后井口回壓為8～12 MPa。結(jié)合目前生產(chǎn)情況和LN422井和 LN4-2C 井井下節(jié)流氣嘴設(shè)計(jì)結(jié)果，確定分別下入φ3.0和φ4.0 mm氣嘴，下入深度分別為2 000和2 100 m。2013年2月下入井下節(jié)流氣嘴后，2口井實(shí)測井口壓力分別由29.2和26.8 MPa降至12.0和9.5 MPa,井口溫度分別由21.0和18.0 ℃升至23.7和24.8 ℃，產(chǎn)氣量分別為33 000和45 800 m3/d。節(jié)流前后2口井的生產(chǎn)情況見表1。

在氣井井筒溫度壓力預(yù)測模型基礎(chǔ)上，采用節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析方法，以節(jié)流氣嘴為節(jié)點(diǎn)，預(yù)測節(jié)流后井筒壓力和溫度分布(見圖3和圖4)。

井號節(jié)流情況井口壓力/MPa井口溫度/℃計(jì)算實(shí)測計(jì)算實(shí)測LN422節(jié)流前28.529.222.321.0節(jié)流后11.512.025.023.7LN4-2C節(jié)流前26.126.818.818.0節(jié)流后9.09.525.924.8

圖3 LN422井節(jié)流前后井筒壓力分布Fig.3 Wellbore pressure of Well LN422 down and up throttling

圖4 LN422井節(jié)流前后井筒溫度分布Fig.4 Wellbore temperature of Well LN422 down and up throttling

由圖4可知，節(jié)流前，LN422井在井深0～500 m時(shí)，井筒溫度小于水合物生成的臨界溫度；井下節(jié)流后，井筒中各處的溫度均高于該處節(jié)流后的水合物生成溫度，表明井下節(jié)流技術(shù)可顯著降低氣井生產(chǎn)過程中水合物阻塞井筒的風(fēng)險(xiǎn)。截至目前，該井下節(jié)流器后開井穩(wěn)定生產(chǎn)已達(dá)4個(gè)月，運(yùn)行效果良好。

6 結(jié) 論

1) 在研究水合物形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了水合物生成模型，該模型可以有效預(yù)測氣井生產(chǎn)中水合物的形成趨勢。

2) 分析了塔里木油田高壓氣井的開采特點(diǎn)，確定了采用井下節(jié)流技術(shù)防治水合物的生成和堵塞，給出的計(jì)算模型簡單可靠。

3) 井下節(jié)流技術(shù)可降低井筒壓力、地面管線壓力及水合物的生成風(fēng)險(xiǎn)，可在油氣田現(xiàn)場推廣應(yīng)用。

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