深水氣井測(cè)試管柱內(nèi)天然氣水合物堵塞特征與防治新方法

王志遠(yuǎn) 趙 陽(yáng) 孫寶江 于 璟

中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

0 引言

近年來(lái)我國(guó)深水油氣的勘探開(kāi)發(fā)取得了突破性的進(jìn)展，在荔灣、陵水等區(qū)塊相繼發(fā)現(xiàn)了高產(chǎn)氣田。氣井的測(cè)試作為認(rèn)識(shí)油氣儲(chǔ)層、評(píng)價(jià)儲(chǔ)層優(yōu)劣的重要作業(yè)環(huán)節(jié)，在深水油氣的勘探開(kāi)發(fā)中具有不可或缺的作用。但在深水測(cè)試作業(yè)過(guò)程中測(cè)試管柱（以下簡(jiǎn)稱(chēng)管柱）內(nèi)會(huì)生成天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱(chēng)水合物），堵塞管柱，危及作業(yè)安全[1-4]。目前常用的方法是向管柱內(nèi)注入過(guò)量的水合物抑制劑（甲醇/乙二醇），以防止水合物的生成[2,5-9]。當(dāng)前水合物的堵塞理論和防治技術(shù)存在著以下問(wèn)題：

1）依據(jù)水合物生成的相平衡理論，僅能初步判斷水合物的生成位置[4,7]，不能確定水合物的生成速率，且不能預(yù)測(cè)經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間后管柱會(huì)發(fā)生堵塞。

2）通常認(rèn)為在井筒中滿(mǎn)足水合物生成條件的位置就會(huì)發(fā)生堵塞，而未考慮生成的水合物在井筒內(nèi)被攜帶運(yùn)移的情況，無(wú)法描述所生成的水合物在管柱內(nèi)的運(yùn)移沉積動(dòng)態(tài)[10-12]，所預(yù)測(cè)的發(fā)生水合物堵塞的位置與實(shí)際情況不符。

3）基于傳統(tǒng)預(yù)測(cè)理論的水合物防治措施存在著過(guò)度使用水合物抑制劑的不足[13]，抑制劑利用效率較低。

為解決上述問(wèn)題，筆者針對(duì)多相流，在水合物生成動(dòng)力學(xué)、水合物顆粒運(yùn)移沉積動(dòng)力學(xué)等方面展開(kāi)了一系列研究[10-13]。著重探討深水氣井井筒中針對(duì)環(huán)霧流的水合物流動(dòng)障礙形成特征，在此基礎(chǔ)上，提出不發(fā)生水合物堵塞的安全作業(yè)時(shí)間窗口概念，進(jìn)而建立基于拓展安全作業(yè)時(shí)間窗口的水合物堵塞防治新方法。該方法能夠顯著降低水合物抑制劑的用量，降低水合物抑制劑注入量及其對(duì)儲(chǔ)存設(shè)備的要求。

1 水合物沉積堵塞模型

測(cè)試時(shí)，在管柱內(nèi)某位置，當(dāng)溫度、壓力滿(mǎn)足水合物的生成條件時(shí)，即會(huì)生成水合物，該位置即為水合物生成區(qū)域。所生成的水合物會(huì)被高速氣流攜帶，一部分水合物會(huì)在管壁上沉積形成水合物沉積層，造成井筒內(nèi)有效過(guò)流面積減小、壓降增大。隨著水合物層的厚度不斷增大，管柱逐漸被堵塞，這就是水合物導(dǎo)致流動(dòng)障礙的原因。

管柱內(nèi)常出現(xiàn)環(huán)霧流流動(dòng)，一部分液體以分散的小液滴形式被氣流攜帶，隨氣體一起運(yùn)移，另一部分液體沿管壁流動(dòng)，形成液膜[14-15]。水合物在液滴和液膜中都會(huì)生成 ，如圖1所示。管壁液膜和氣體中夾帶的液滴，與氣體間的接觸關(guān)系及傳質(zhì)傳熱特征均存在顯著的差異。本文在Turner等[16]建立的水合物生成速率模型的基礎(chǔ)上，引入表征傳質(zhì)傳熱強(qiáng)度的系數(shù)，管柱內(nèi)水合物生成速率為：

式中Rhf表示管柱內(nèi)水合物生成速率，kg/(s·m)；kt表示表征傳質(zhì)傳熱強(qiáng)度的系數(shù)[17-18]，無(wú)因次；As表示氣液接觸面積[12]，m2；k1表示本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)[16,19]，取值為 2.608×1016kg·m?2·K·s?1；Mh表示水合物摩爾質(zhì)量，kg/mol；Mg表示天然氣混合摩爾質(zhì)量，kg/mol；k2表示本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)[16,19]，取值為13 600 K；Tf表示管柱內(nèi)流體溫度，K；?Tsub表示過(guò)冷度，K，即水合物生成溫度與流體溫度的差值，是水合物生成的驅(qū)動(dòng)力。

圖1 管柱內(nèi)水合物的生成與沉積示意圖

管柱內(nèi)生成的水合物有一部分隨氣體一起運(yùn)移，另一部分水合物會(huì)沉積附著到管壁上[10,12]。在環(huán)霧流條件下，由于受到較強(qiáng)的管柱內(nèi)壁的黏附力作用[20-21]，在液膜處生成的水合物會(huì)直接附著到管壁上，而在氣體夾帶的液滴處生成的水合物，由于受到氣體的高速攜帶作用，將運(yùn)移較長(zhǎng)的距離[22]，相比于海底管線井筒管柱內(nèi)水合物的生成范圍較小，則可以忽略液滴處生成的水合物顆粒在管壁上的沉積，因此液膜處生成的水合物在管壁上沉積是造成管柱堵塞的主要原因。水合物沉積速率計(jì)算公式如下[11]：

式中Rhd表示水合物沉積速率，kg/(s·m)；rf表示隨水合物沉積不斷縮小的管徑（有效管徑），m。

水合物在管壁上沉積附著，形成一層不斷增厚的水合物層[10-12,23-24]。忽略水合物沉積物的孔隙，假設(shè)水合物在管柱的同一橫截面內(nèi)沿徑向方向均勻沉積，即水合物層在徑向方向上是均勻分布的，但由于過(guò)冷度等因素的不同，水合物層厚度沿管柱軸線方向是非均勻分布的。在管壁上所形成的水合物層的厚度通過(guò)式（3）進(jìn)行計(jì)算，在一個(gè)微元段內(nèi)，假定水合物層厚度是均勻的。即

式中δh表示水合物層厚度，m；rti表示管柱原始內(nèi)徑，m；t表示時(shí)間，s；ρh表示水合物的密度，kg/m3。

引入無(wú)因次水合物層厚度（δD），表述為：

水合物的生成是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，且所生成的水合物大部分會(huì)被高速氣流攜帶，因此即使管柱內(nèi)某些區(qū)域的溫度壓力滿(mǎn)足水合物的生成條件，也不會(huì)立即形成堵塞。采用上述公式，可預(yù)測(cè)出水合物沉積層厚度的分布，進(jìn)而采取適當(dāng)?shù)姆乐未胧?，確保管柱內(nèi)不發(fā)生堵塞。

2 不發(fā)生水合物堵塞的安全作業(yè)時(shí)間窗口

隨著水合物在管壁上不斷沉積，管壁粗糙度增大，管徑減小，造成管柱內(nèi)壓降增大[24-26]，壓降與水合物沉積層厚度之間的關(guān)系如圖2所示[11]，?p表示有水合物生成時(shí)管柱內(nèi)壓降（MPa），?p0表示沒(méi)有水合物生成時(shí)管柱內(nèi)壓降（MPa）。當(dāng)無(wú)因次水合物層厚度增大，且介于0.45～0.55范圍時(shí)，?p/?p0顯著增加，這是水合物在管壁上非均勻沉積產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)造成的。在不同氣體流速、溫度、壓力以及截面含氣率（小于10%）情況下，均會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象，本文取0.5作為無(wú)因次臨界水合物層厚度，以此判斷水合物堵塞的發(fā)生，該值也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行選取。當(dāng)水合物層厚度增大到臨界值時(shí)，水合物的生成與沉積將對(duì)測(cè)試作業(yè)產(chǎn)生顯著影響。筆者把從測(cè)試作業(yè)開(kāi)始至管柱內(nèi)水合物層厚度達(dá)到臨界值所需的時(shí)間定義為不發(fā)生水合物堵塞的安全作業(yè)時(shí)間窗口（Hydrate Blockage Free Window，HBFW）。

圖2 壓降與水合物沉積層厚度的關(guān)系圖

應(yīng)用水合物沉積堵塞模型，可以確定HBFW，其步驟如下所述。

1）計(jì)算井筒的溫度壓力場(chǎng)，結(jié)合水合物生成的相平衡條件，確定管柱內(nèi)水合物生成的區(qū)域。

井筒溫度低于水合物生成相平衡溫度的區(qū)域即為水合物生成區(qū)域[7,9,27]。由于地層出水等因素的影響，井筒內(nèi)往往是以氣相為主的氣液兩相流，一般為環(huán)霧流[15]，本文采用氣液兩相流模型計(jì)算井筒內(nèi)的溫度壓力場(chǎng)[15]。

2）根據(jù)水合物生成速率公式（1）和沉積速率公式（2），計(jì)算水合物生成速率和沉積速率。

3）由水合物層厚度計(jì)算公式（3）、（4），得到管壁上不同深度處水合物層厚度隨時(shí)間的增長(zhǎng)情況，即可知曉管柱內(nèi)水合物的堵塞狀況，確定HBFW。

下面通過(guò)實(shí)例分析來(lái)闡述安全作業(yè)時(shí)間窗口在水合物堵塞防治中的應(yīng)用，為了使算例具有代表性，筆者通過(guò)查閱我國(guó)南海實(shí)鉆深水油氣井資料[6,28-29]，得到深水氣井關(guān)鍵參數(shù)范圍（表1），進(jìn)而確定出算例井的基本參數(shù)（表2）。

不同水深和產(chǎn)氣量條件下安全作業(yè)時(shí)間窗口如圖3和表3所示。隨著水深增大，海底溫度降低，造成井筒內(nèi)流體溫度降低，水合物生成區(qū)域增大，同時(shí)，過(guò)冷度?Tsub增大，從式（1）、式（2）和式（3）可以看出，水合物生成速率和沉積速率加快，水合物層生長(zhǎng)速率加快，從而加劇堵塞的形成，安全作業(yè)時(shí)間窗口變窄。從圖3-a和表3可以看出氣井產(chǎn)氣量為40×104m3/d時(shí)，隨著水深增大，水合物堵塞能夠更迅速地形成，安全作業(yè)時(shí)間窗口變窄，水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)高。如水深為1 455 m時(shí)，安全作業(yè)時(shí)間窗口為31.2 h；而水深增大到2 000 m時(shí)，安全作業(yè)時(shí)間窗口減小為26.4 h；當(dāng)水深進(jìn)一步增大到2 500 m時(shí)，安全作業(yè)時(shí)間窗口則進(jìn)一步減小為22.3 h。

表1 南海已鉆深水氣井關(guān)鍵參數(shù)范圍統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)產(chǎn)氣量增大時(shí)，井筒溫度升高，井筒內(nèi)水合物生成區(qū)域減小，同時(shí)，過(guò)冷度?Tsub減小，水合物生成速率和沉積速率降低，使得形成堵塞所需的時(shí)間增加，安全作業(yè)時(shí)間窗口變寬。從圖3-b和表3中可以看出水深為1 455 m時(shí)，隨著產(chǎn)氣量增大，安全作業(yè)時(shí)間窗口變寬，形成堵塞所需要的時(shí)間增加，當(dāng)產(chǎn)氣量增大到某一值后，管柱內(nèi)將不再生成水合物，該值為無(wú)水合物生成的臨界流量，對(duì)于后續(xù)確定氣井合理生產(chǎn)參數(shù)具有重要意義[30]。低產(chǎn)氣量條件下，安全作業(yè)時(shí)間窗口窄，水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)高。如當(dāng)產(chǎn)氣量為50×104m3/d，安全作業(yè)窗口為34.4 h；而當(dāng)產(chǎn)氣量為15×104m3/d時(shí)，安全作業(yè)時(shí)間窗口減小為25.6 h。

水深和產(chǎn)氣量也會(huì)影響易發(fā)生水合物堵塞的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的位置分布。從表3中可以看出，隨水深增大，易發(fā)生堵塞的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)深度增大；產(chǎn)氣量較低時(shí)，堵塞高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布位置較深。這一特點(diǎn)可作為優(yōu)化水合物抑制劑注入位置的參考。

3 基于拓展安全作業(yè)時(shí)間窗口的水合物堵塞防治新方法

圖3 安全作業(yè)時(shí)間窗口計(jì)算結(jié)果圖

上述案例的模擬結(jié)果表明，安全作業(yè)時(shí)間窗口一般為數(shù)十小時(shí)，即水合物堵塞的形成需要數(shù)十小時(shí)。另一方面，較之于生產(chǎn)作業(yè)，測(cè)試作業(yè)是相對(duì)短暫的過(guò)程。目前，深水氣井測(cè)試作業(yè)中水合物防治工作普遍存在過(guò)度使用水合物抑制劑的現(xiàn)象[5,13]。本文基于上述案例，以甲醇為例，應(yīng)用所建立的水合物沉積堵塞模型，計(jì)算不同抑制劑濃度條件下的安全作業(yè)時(shí)間窗口。氣井產(chǎn)氣量為40×104m3/d，水深為1 455 m。首先計(jì)算不同抑制劑濃度條件下的水合物生成區(qū)域（圖4）。不加入水合物抑制劑時(shí)（案例4），水合物生成區(qū)域?yàn)榫?～1 045 m，加入水合物抑制劑后，水合物生成溫度降低，水合物相態(tài)曲線左移，水合物生成區(qū)域減小，當(dāng)水合物抑制劑質(zhì)量濃度達(dá)到30%以上時(shí)，井筒內(nèi)不再生成水合物，而采用傳統(tǒng)的防治方法，水合物抑制劑濃度至少在30%以上。

表3 不同水深和產(chǎn)氣量條件下安全作業(yè)時(shí)間窗口及堵塞高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)數(shù)據(jù)表

圖4 不同水合物抑制劑濃度條件下水合物生成區(qū)域示意圖

進(jìn)一步模擬得到基于案例4情況下，考慮不同抑制劑濃度條件下的安全作業(yè)時(shí)間窗口，如表4所示，在案例4中，若測(cè)試作業(yè)時(shí)間小于30 h，則測(cè)試作業(yè)能夠在安全作業(yè)時(shí)間窗口內(nèi)完成，不必加入水合物抑制劑，雖然管柱內(nèi)會(huì)有少量水合物生成，但是所生成的水合物并不會(huì)造成管柱堵塞，而采用傳統(tǒng)的防治方法，則抑制劑要濃度達(dá)到30%以上，才能完全抑制管柱內(nèi)水合物生成。

由表4可知，隨著水合物抑制劑濃度增大，管柱內(nèi)形成堵塞所需時(shí)間增加，即抑制劑可以延緩堵塞的發(fā)生，從而拓寬安全作業(yè)時(shí)間窗口。造成這一現(xiàn)象的原因是水合物抑制劑可以顯著降低水合物層厚度的增長(zhǎng)速率，如圖5所示，圖5-a為甲醇質(zhì)量濃度為5%時(shí)管柱內(nèi)水合物層厚度分布（案例13），圖5-b為甲醇質(zhì)量濃度為15%時(shí)管柱內(nèi)水合物層厚度分布（案例14）。對(duì)比圖5-a和圖5-b可知，隨著水合物抑制劑濃度增大，水合物層厚度增長(zhǎng)速率顯著降低，從而延緩堵塞的發(fā)生。結(jié)合表4可知，當(dāng)水合物抑制劑濃度從5%增大到15%時(shí)，安全作業(yè)時(shí)間窗口由34.6 h增大到52 h，如果計(jì)劃測(cè)試作業(yè)時(shí)間為40 h，則加入15%的水合物抑制劑即可確保測(cè)試作業(yè)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生堵塞事故，測(cè)試作業(yè)能夠順利安全進(jìn)行，而不必加入30%以上濃度的水合物抑制劑，這樣可以降低水合物抑制劑注入速率和用量達(dá)50%，從而降低對(duì)水合物抑制劑注入設(shè)備及儲(chǔ)備的要求，既節(jié)約大量的水合物抑制劑，又能降低地層產(chǎn)出水中抑制劑（主要為甲醇）的濃度，減少其對(duì)環(huán)境的危害和處理難度。當(dāng)?shù)貙映鏊枯^大時(shí)，若使用傳統(tǒng)方法，則需采用很大的抑制劑注入速率，才能使抑制劑在產(chǎn)出水中達(dá)到較高的濃度，本文所提出的新方法由于顯著降低了所需抑制劑濃度，能夠在較低的注入速率條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)水合物堵塞的防治。

表4 不同抑制劑濃度條件下安全作業(yè)時(shí)間窗口數(shù)據(jù)表

圖5 不同水合物抑制劑濃度條件下水合物層厚度增長(zhǎng)情況及安全作業(yè)時(shí)間窗口示意圖

通過(guò)所建立的水合物沉積堵塞模型，還可以分析在使用其他醇類(lèi)、鹽類(lèi)等不同類(lèi)型抑制劑情況下水合物的堵塞狀況，得到安全作業(yè)時(shí)間窗口及水合物堵塞高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，進(jìn)而對(duì)水合物抑制劑注入位置和注入速率進(jìn)行優(yōu)化，從而為水合物防治方案的制定提供參考。

4 結(jié)論

1）井筒內(nèi)所生成的水合物在管柱內(nèi)壁上沉積附著，形成不斷增厚的水合物層，造成管徑減小。液滴和管壁液膜表面均生成水合物，液膜處生成的水合物在管壁上沉積是造成管柱堵塞的主要原因。

2）隨著水深增大，或產(chǎn)氣量降低，不發(fā)生水合物堵塞的安全作業(yè)時(shí)間窗口變窄，形成堵塞所需時(shí)間變短。注入水合物抑制劑可以延緩堵塞的發(fā)生，拓寬安全作業(yè)時(shí)間窗口。

3）提出了水合物防治方案優(yōu)化新方法，依據(jù)安全作業(yè)時(shí)間窗口優(yōu)選抑制劑濃度，優(yōu)化抑制劑注入速率。該方法可顯著降低所需水合物抑制劑用量和注入速率，在本文算例條件下，可減少抑制劑用量和注入速率達(dá)50%，有效克服了傳統(tǒng)防治方法過(guò)度使用水合物抑制劑的不足。

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