深水氣井測(cè)試求產(chǎn)階段管柱內(nèi)天然氣水合物防治方法

李相方 劉文遠(yuǎn) 劉書(shū)杰 胡瑾秋 南宇峰 田 甜 周云健

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院3.中海油研究總院有限責(zé)任公司 4.中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心

0 引言

盡管近幾年來(lái)，我國(guó)對(duì)深水油氣田的開(kāi)發(fā)取得了較大的進(jìn)展，但仍然還有很長(zhǎng)的路要走[1-3]。深水氣井測(cè)試是獲取地層儲(chǔ)集參數(shù)、評(píng)價(jià)氣藏開(kāi)發(fā)潛力的重要方式，但其具有難度高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、測(cè)試成本高的特點(diǎn)[4-8]，天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）在測(cè)試管柱中生成并導(dǎo)致堵塞一直是影響深水氣井安全、高效測(cè)試的難題[9-10]。水合物在測(cè)試管柱內(nèi)壁的大量沉積會(huì)顯著縮小流體的流動(dòng)通道，影響測(cè)試的準(zhǔn)確性，若管柱內(nèi)的流動(dòng)空間完全被水合物堵塞則會(huì)造成測(cè)試過(guò)程終止，甚至?xí)纬杀飰簩?dǎo)致管柱破裂，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[11-17]。

目前，為了預(yù)防與控制水合物生成，人們?cè)跍y(cè)試制度及測(cè)試工藝方面已經(jīng)想出了許多辦法。如在測(cè)試工作制度方面，將測(cè)試產(chǎn)氣量提高到生成水合物的臨界產(chǎn)氣量之上[18]，該措施雖然避免了水合物的產(chǎn)生，但也有可能減小了合理的產(chǎn)氣量測(cè)試范圍；另外，通過(guò)縮短測(cè)試時(shí)間來(lái)減少水合物的生成量，雖然降低了管柱被水合物堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，但過(guò)短的測(cè)試時(shí)間不能保證取全、取準(zhǔn)流體樣品，也不利于測(cè)試流量的穩(wěn)定[19]；在關(guān)井方式方面，已由地面關(guān)井改為井下關(guān)井，由此可避免關(guān)井后井筒中的水合物生成，但增加了施工工藝的復(fù)雜程度和設(shè)備維護(hù)的難度，導(dǎo)致施工成本增加；在測(cè)試流程方面，已由二開(kāi)二關(guān)流程改為一開(kāi)一關(guān)流程[20-21]，避免了初次關(guān)井期間產(chǎn)生的天然氣水合物堵塞管柱而導(dǎo)致氣井二開(kāi)時(shí)不能正常生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，但測(cè)試流程的簡(jiǎn)化會(huì)降低測(cè)試參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性及產(chǎn)能方程求解的準(zhǔn)確性。目前，測(cè)試期間水合物抑制劑的使用仍然是水合物防治的主要手段[22-24]，為最大限度地防止測(cè)試管柱內(nèi)水合物的生成，在測(cè)試過(guò)程中往往需要加入大量甚至過(guò)量的水合物抑制劑，導(dǎo)致了操作時(shí)間和施工成本的顯著增加。

實(shí)際上，在測(cè)試求產(chǎn)階段由于水合物的生成導(dǎo)致測(cè)試管柱內(nèi)出現(xiàn)流動(dòng)障礙與管柱堵塞問(wèn)題是具有差異性的。據(jù)此，筆者通過(guò)分析不同測(cè)試條件下井筒的溫壓場(chǎng)分布，并應(yīng)用水合物生成—沉積和分解計(jì)算方法，評(píng)價(jià)了不同測(cè)試制度下整個(gè)測(cè)試過(guò)程中管柱內(nèi)水合物堵塞程度的變化情況，并基于已有的氣井測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了適合于深水氣井測(cè)試的混序及變測(cè)點(diǎn)數(shù)的測(cè)試工作制度。結(jié)果表明，混序及變測(cè)點(diǎn)數(shù)的測(cè)試工作制度能顯著降低管柱內(nèi)水合物的堵塞程度，配合注入適量的水合物抑制劑并優(yōu)化測(cè)試產(chǎn)氣量、測(cè)試時(shí)間，能有效減小水合物的堵管風(fēng)險(xiǎn)、降低測(cè)試成本，所取得的研究成果可以為深水氣井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試施工提供理論支持。

1 深水氣井測(cè)試流程與方法

1.1 測(cè)試流程

深水氣井測(cè)試管柱的結(jié)構(gòu)如圖1所示，泥線以上的測(cè)試管柱位于隔水管內(nèi)部，通過(guò)隔水管與海水相分隔，泥線以下的測(cè)試管柱被套管包圍，從而與地層相隔，上下兩部分測(cè)試管柱通過(guò)泥線處的水下測(cè)試樹(shù)相接。接近儲(chǔ)層的測(cè)試管柱上設(shè)置有關(guān)井閥，泥線以下測(cè)試管柱的某一位置設(shè)置有水合物抑制劑注入閥。

圖1 深水氣井測(cè)試管柱結(jié)構(gòu)圖

目前深水氣井的測(cè)試一般采用“快速清井、低速取樣、調(diào)產(chǎn)緩變、關(guān)井恢復(fù)”的新型一開(kāi)一關(guān)測(cè)試流程[25]，本文針對(duì)該流程開(kāi)展研究。一開(kāi)一關(guān)測(cè)試流程可分為3個(gè)階段：開(kāi)井后的清井流動(dòng)階段、求產(chǎn)流動(dòng)階段及關(guān)井后的壓力恢復(fù)階段[7]。開(kāi)井流動(dòng)階段一般需要用可調(diào)油嘴控制流動(dòng)，記錄流體返出量，監(jiān)測(cè)氣井產(chǎn)出氣的H2S及CO2含量，監(jiān)測(cè)地層是否出砂，并對(duì)出砂量進(jìn)行控制，根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行氣體PVT取樣；關(guān)井階段則主要為了獲取地層的壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)，計(jì)算儲(chǔ)層參數(shù)。

1.2 測(cè)試方法

測(cè)試求產(chǎn)階段是在高產(chǎn)氣量下完成清井返排后通過(guò)降低產(chǎn)氣量開(kāi)始的，對(duì)于一開(kāi)一關(guān)測(cè)試流程，在測(cè)試求產(chǎn)初期，首先要進(jìn)行低流量取樣，目的是保證取好、取準(zhǔn)流體樣品。取樣過(guò)程包括井下取樣與分離器取樣，而高氣流量下不利于取樣操作，同時(shí)，要達(dá)到取樣目的必然要求流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，根據(jù)實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，高產(chǎn)氣井開(kāi)井后2～4 h內(nèi)流動(dòng)能達(dá)到穩(wěn)定，低滲透氣藏低產(chǎn)氣井流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定則需要8 h以上，而通過(guò)分離器取得一組樣品的時(shí)間約需要1 h[7]。通常低產(chǎn)氣量階段井筒流溫相對(duì)較低，低溫將加劇水合物的生成而導(dǎo)致井筒內(nèi)的流動(dòng)障礙。

在取樣階段完成之后為變流量求產(chǎn)階段，一方面是評(píng)價(jià)測(cè)試的產(chǎn)量，另一方面是建立產(chǎn)能方程，同時(shí)還通過(guò)壓力恢復(fù)測(cè)試獲取儲(chǔ)層參數(shù)。同時(shí)，為了保證取樣成功，還可能在此階段增加分離器取樣以完成樣品備份，測(cè)試中同樣要求在不同氣體流量下達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)[7]?；诂F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)能試井通常要求至少測(cè)量4個(gè)點(diǎn)，因而除了為取樣階段設(shè)置的低流量外，往往還需要設(shè)置3個(gè)不同的測(cè)試氣量，而每個(gè)測(cè)試氣量下需要達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)。因此，變流量流動(dòng)階段需要較長(zhǎng)時(shí)間，這還依賴于儲(chǔ)層孔滲特征。

通常，測(cè)試方式分為正序和反序。正序測(cè)試時(shí)測(cè)試流量由小到大依次改變，反序測(cè)試則按從大到小的順序進(jìn)行。由于氣井流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定且穩(wěn)定持續(xù)的時(shí)間基本相同，所以兩種測(cè)點(diǎn)順序的選擇基本不影響測(cè)試時(shí)長(zhǎng)。

根據(jù)前述測(cè)試方法可知，每一組流量下持續(xù)測(cè)試的時(shí)間均需要數(shù)小時(shí)甚至更長(zhǎng)，對(duì)于求產(chǎn)流動(dòng)階段的低流量流動(dòng)過(guò)程，往往會(huì)因?yàn)榫矁?nèi)的高壓低溫環(huán)境而存在水合物生成區(qū)域，且該區(qū)域的長(zhǎng)度有時(shí)可達(dá)數(shù)千米[26]。當(dāng)水合物生成的溫壓條件滿足后，在一定的持續(xù)時(shí)間下，水合物會(huì)經(jīng)歷生成—生長(zhǎng)—沉積—堵塞的演變過(guò)程，最終，管壁水合物膜及顆粒的沉積將導(dǎo)致管柱縮徑，甚至完全堵管。因此，分析評(píng)價(jià)不同測(cè)試制度下井筒溫壓分布特征，據(jù)此給出抑制水合物沉積與堵塞的對(duì)策至關(guān)重要。

2 深水氣井井筒溫壓場(chǎng)分布與水合物生成—沉積及分解

2.1 井筒溫壓場(chǎng)分布

深水氣井測(cè)試過(guò)程中測(cè)試產(chǎn)氣量的變化將直接影響測(cè)試管柱內(nèi)的溫度及壓力場(chǎng)分布。較小的水氣比使得管柱內(nèi)的氣液相往往呈現(xiàn)為環(huán)霧狀流型，水相中的一部分以液膜的形式沿管壁上升，另一部分以液滴的形式被管內(nèi)高速流動(dòng)的氣芯所攜帶，在環(huán)霧流型下，溫度、壓力對(duì)水合物的生成—沉積和分解將起到關(guān)鍵影響作用。因此，由于不同的測(cè)試氣量對(duì)應(yīng)著不同的溫壓場(chǎng)分布，將使水合物堵管的風(fēng)險(xiǎn)存在差異。

以我國(guó)南海一口深水氣井A井（直井）為例，該氣井的基本參數(shù)如表1所示。根據(jù)當(dāng)前常用的適于深水氣井測(cè)試期間的井筒溫壓場(chǎng)計(jì)算方法[27-28]，計(jì)算得到不同測(cè)試產(chǎn)氣量下井筒的溫壓場(chǎng)分布。

表1 深水氣井A井基本參數(shù)表

如圖2、3所示，隨氣體流量的增加，井筒中的流壓減小，但從井底至井口的整體壓降隨產(chǎn)氣量變化不大。不同氣體流量下管柱內(nèi)的流溫分布差別也較大，產(chǎn)氣量越小，井筒內(nèi)溫度整體越低，且在泥線附近井筒的溫度下降明顯，當(dāng)溫度降至水合物生成的溫度以下時(shí)，水合物開(kāi)始生成，若水合物持續(xù)生成則將造成管堵。因此，較長(zhǎng)時(shí)間的低氣量測(cè)試導(dǎo)致管堵的風(fēng)險(xiǎn)很大，這是測(cè)試求產(chǎn)期間水合物防治的關(guān)鍵階段。該深水氣井不生成水合物的臨界測(cè)試產(chǎn)氣量為 58×104m3/d。

圖2 不同測(cè)試產(chǎn)氣量下的井筒溫度場(chǎng)分布圖

圖3 不同測(cè)試產(chǎn)氣量下的井筒壓力場(chǎng)分布圖

2.2 水合物生成—沉積及分解

高壓、低溫條件將利于水合物生成，一定組成的天然氣具有與其對(duì)應(yīng)的水合物相平衡曲線，并且對(duì)于不同組成的天然氣，其水合物相平衡曲線與溫壓的關(guān)系是相似的。圖4為某組成天然氣的水合物相平衡曲線圖，在曲線左側(cè)為水合物生成區(qū)，在深水氣井測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)測(cè)試管柱內(nèi)的同一區(qū)域始終滿足水合物的生成條件，則水合物不斷生成和沉積，管徑不斷縮小，最終導(dǎo)致管柱完全被堵塞。但是，測(cè)試過(guò)程中不同氣流量下的流動(dòng)時(shí)間是有限制的，當(dāng)測(cè)試氣量增大后，管內(nèi)溫壓條件會(huì)移至水合物相平衡曲線的右側(cè)，此時(shí)不但不再有水合物生成，并且已形成的水合物還將發(fā)生分解。因此，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試管柱內(nèi)流體的流動(dòng)空間是隨測(cè)試時(shí)間變化的，研究中將水合物沉積所造成的管柱橫截面積縮小值與管柱初始橫截面積的比值定義為管柱堵塞程度，用于定量描述水合物造成的流動(dòng)障礙。下面將研究水合物生成—沉積及分解過(guò)程對(duì)測(cè)試過(guò)程中管柱堵塞程度的影響。

圖4 某組成天然氣水合物相平衡曲線圖

對(duì)于天然氣水合物生成—沉積的計(jì)算，已有學(xué)者做了大量研究，針對(duì)管柱內(nèi)的氣液兩相環(huán)霧流型，Turner等[29]建立的水合物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型具有較高的精度，如式（1）所示。

式中Vh表示生成水合物的體積，m3；t表示生成水合物的時(shí)間，s；Fk表示經(jīng)驗(yàn)速率常數(shù)，取34.2；C表示水合物生成時(shí)的活化溫度，K，取值為13 600 K；T表示環(huán)境溫度，K；Mg表示天然氣的平均摩爾質(zhì)量，kg/mol，取 17.8 kg/mol；ρgh表示水合物中氣體的摩爾密度，mol/m3，取值為 7 540 mol/m3；Tsub表示過(guò)冷度，K；As表示水合物生成時(shí)的氣液接觸面積，m2。

在測(cè)試求產(chǎn)過(guò)程中，還需要考慮已生成水合物在管壁的沉積，根據(jù)王志遠(yuǎn)等[30]的分析，管柱內(nèi)生成的水合物來(lái)源于管壁的液膜和氣芯中的液滴，已生成的水合物中只有一部分能沉積在管壁上進(jìn)而導(dǎo)致管柱縮徑。對(duì)于水合物生成后沉積的分析，借鑒王志遠(yuǎn)等的研究，其中水合物沉積速率的具體計(jì)算見(jiàn)本文參考文獻(xiàn)[28]。

生成的水合物將附著在測(cè)試管柱內(nèi)壁上，在高溫低壓下將發(fā)生分解。對(duì)于水合物的分解，前人已做了很多研究[31-32]，普遍認(rèn)為在分子水平上水合物的分解由兩步構(gòu)成：①水合物晶胞的分解；②吸附氣由水合物表面向氣相中的擴(kuò)散[33]。Goel等[34]、孫長(zhǎng)宇等[35]基于該微觀機(jī)理曾提出了穩(wěn)定溫壓條件下的水合物分解動(dòng)力學(xué)模型。此次，為了描述水合物的分解體積，在Goel等[34]提出的模型基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出式（2），其中三相線逸度和氣體逸度均由SRK方程計(jì)算得到。

式中Vh'表示水合物分解后的剩余體積，m3，也可用剩余水合物中甲烷的物質(zhì)的量（mol）來(lái)表示；Kd表示本征動(dòng)力學(xué)反應(yīng)常數(shù)，mol/(m2·MPa·min)；feq表示三相線逸度，Pa；f0表示氣相逸度，Pa；As'表示水合物分解表面積，m2；n表示經(jīng)驗(yàn)指數(shù)；k'表示表觀分解動(dòng)力學(xué)常數(shù)，min－1。

不同的測(cè)試流動(dòng)條件決定了水合物的生成—沉積速率和分解速率，為了對(duì)管柱內(nèi)水合物的生成—沉積和分解特征進(jìn)行描述，基于上述水合物生成—沉積和分解的計(jì)算方法，分別得到了水合物沉積速率曲線和水合物分解剩余體積分?jǐn)?shù)曲線，水合物的生成—沉積主要受過(guò)冷度和氣相表觀流速的影響，過(guò)冷度越大，水合物生成的驅(qū)動(dòng)力越大，水合物沉積速率越快（圖5）；氣相表觀流速越高，氣芯中夾帶的液滴越多，則越多的液滴將形成水合物顆粒并黏附在管壁水合物膜上，從而導(dǎo)致水合物沉積速率越快。水合物分解速率則主要受表觀分解動(dòng)力學(xué)常數(shù)的影響，該常數(shù)主要與分解溫度、壓力、水合物沉積層及水合物顆粒的形態(tài)有關(guān)。表觀分解動(dòng)力學(xué)常數(shù)（k'）越大，水合物分解剩余體積分?jǐn)?shù)越大，水合物分解的速率則越快（圖6），水合物分解的速率要顯著快于水合物生成的速率。

圖5 水合物沉積速率曲線圖

圖6 水合物分解剩余體積分?jǐn)?shù)曲線圖

3 測(cè)試求產(chǎn)期間的水合物防治

目前，對(duì)于氣井井筒水合物的防治已有很多方法，如管柱內(nèi)表面涂厭水層法[36]，通過(guò)減弱水相對(duì)管壁的潤(rùn)濕來(lái)減少水合物層的附著；隔熱保溫法[37]，在管壁涂敷隔熱層或在環(huán)形空間充填絕熱層，減少流體散熱從而避免水合物生成；井下氣嘴節(jié)流法[38]，通過(guò)安裝井下節(jié)流氣嘴，縮短或消除井筒內(nèi)的水合物生成區(qū)；注水合物抑制劑法，通過(guò)向井內(nèi)注入大量水合物抑制劑，改變水合物生成的溫壓條件，從而抑制水合物的生成。

以上幾種方法均能對(duì)水合物防治起到一定作用，但前3種方法會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)操作施工的復(fù)雜化，且使用后造成設(shè)備維護(hù)困難，增加了施工成本，而對(duì)于水合物抑制劑的使用，現(xiàn)場(chǎng)往往需要將其大量注入才能起到抑制效果，這無(wú)疑大大增加了深水測(cè)試成本。因此，從安全、經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，通過(guò)優(yōu)化測(cè)試制度來(lái)達(dá)到防治水合物的目的，同時(shí)只需在測(cè)試時(shí)配合注入適量的抑制劑，可大大減少抑制劑的使用量。

3.1 混序測(cè)試制度

測(cè)試求產(chǎn)階段需通過(guò)開(kāi)展產(chǎn)能試井得到相關(guān)數(shù)據(jù)，而產(chǎn)能試井一般要求至少得到4個(gè)測(cè)點(diǎn)下的穩(wěn)定生產(chǎn)數(shù)據(jù)，取樣時(shí)的低流量為第1個(gè)測(cè)點(diǎn)。為使測(cè)試得到的數(shù)據(jù)分布合理，4個(gè)測(cè)點(diǎn)下的產(chǎn)氣量分布不能太集中，且應(yīng)涵蓋高、中、低不同級(jí)別的產(chǎn)氣量，尤其對(duì)于環(huán)空為水基完井液的深水氣井，管柱內(nèi)流體向外界傳熱性能好，管柱內(nèi)流溫很低，往往會(huì)出現(xiàn)至少2個(gè)測(cè)點(diǎn)下的產(chǎn)氣量低于生成水合物的臨界產(chǎn)氣量的情況。目前主要采用的測(cè)試順序?yàn)檎蚺c反序。

對(duì)于正序和反序測(cè)試，由于建立產(chǎn)能方程的需要或者儲(chǔ)層條件的約束，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中低產(chǎn)氣量測(cè)試點(diǎn)往往使得井筒內(nèi)滿足水合物生成條件。另外，盡管測(cè)試要求每個(gè)測(cè)點(diǎn)下的產(chǎn)氣量均要達(dá)到穩(wěn)定，而深水氣井鉆遇的儲(chǔ)層主要為高孔—特高孔、高滲—特高滲儲(chǔ)層，流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間很短，調(diào)整測(cè)試順序?qū)偟臏y(cè)試時(shí)長(zhǎng)影響很小。因此，這里推薦使用混序測(cè)試制度，如圖7所示。

圖7 深水氣井混序測(cè)試制度示意圖

在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)測(cè)試產(chǎn)氣量低于水合物生成的臨界產(chǎn)氣量，測(cè)試管柱內(nèi)徑將由于水合物生成—沉積而不斷縮小。理論與經(jīng)驗(yàn)表明測(cè)試管柱內(nèi)最大堵塞點(diǎn)處的管堵程度低于30%時(shí)對(duì)測(cè)試過(guò)程的影響可以忽略，在水合物生成的初期，測(cè)試管徑的縮小對(duì)測(cè)試過(guò)程影響并不大?；诖?，當(dāng)采用q1、q4、q2、q3（q1＜q2＜q3＜q4）的混序測(cè)試順序時(shí)，在q1下，由于產(chǎn)氣量小而使井筒內(nèi)存在較大范圍的水合物生成區(qū)域，水合物將在管柱內(nèi)生成并逐漸沉積，生成—沉積速率與產(chǎn)氣速率及對(duì)應(yīng)的流動(dòng)時(shí)間有關(guān)；在q4下測(cè)試時(shí)，井筒內(nèi)的溫度升高，井筒內(nèi)水合物生成區(qū)域逐漸縮小甚至消失，同時(shí)在較低壓力、較高溫度條件下，管壁處的水合物將發(fā)生分解，分解速率也與產(chǎn)氣速率及對(duì)應(yīng)的流動(dòng)時(shí)間有關(guān)；在q2、q3下同理。因此，采用混序測(cè)試制度可以明顯降低測(cè)試管柱內(nèi)水合物堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，不改變測(cè)點(diǎn)產(chǎn)氣量大小，僅僅改變測(cè)點(diǎn)的順序，對(duì)于測(cè)試時(shí)長(zhǎng)及各測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)下流動(dòng)資料的獲取影響很小，且不需要額外的人力、物力投入，更不增加施工操作難度。因此，該方法在理論上和實(shí)際應(yīng)用中均可行。

3.2 正序、反序與混序測(cè)試制度下的管柱堵塞程度

針對(duì)前述A氣井進(jìn)行研究，分析其在測(cè)試過(guò)程中的水合物管堵情況。該井總的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)設(shè)計(jì)為30 h，測(cè)試內(nèi)容如表2所示。

表2 A氣井測(cè)試內(nèi)容統(tǒng)計(jì)表

如圖2所示，A氣井恰好不生成水合物的產(chǎn)氣量 為 58×104m3/d，在 20×104m3/d 與 40×104m3/d的低產(chǎn)氣量下管柱內(nèi)將持續(xù)生成水合物，最大水合物生成區(qū)域長(zhǎng)度可達(dá) 1 400 m 左右，而在 80×104m3/d與120×104m3/d的高產(chǎn)氣量下，由于井筒內(nèi)流溫普遍很高，則會(huì)發(fā)生水合物的分解。結(jié)合井筒溫壓場(chǎng)分布，利用前述水合物生成—沉積和分解的計(jì)算方法，得到了3種測(cè)試順序下在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的水合物堵管情況，如圖8所示。從保證測(cè)試安全的角度出發(fā)，筆者取30%作為管柱最大允許堵塞程度。

圖8 正序、反序和混序測(cè)試制度下管堵程度變化曲線圖

如圖8所示，正序、反序測(cè)試下測(cè)試管柱的最大堵塞程度均達(dá)到35.84%，超過(guò)30%；正序測(cè)試制度下管柱最大堵塞程度在測(cè)試求產(chǎn)階段開(kāi)始9 h后達(dá)到，隨后在較大測(cè)試氣量下水合物逐步分解，測(cè)試求產(chǎn)階段結(jié)束后管堵情況完全消除；反序測(cè)試制度下，在求產(chǎn)流動(dòng)階段結(jié)束后達(dá)最大管堵程度，而測(cè)試求產(chǎn)結(jié)束后將進(jìn)入關(guān)井壓力恢復(fù)階段，因此必須在投產(chǎn)前增加復(fù)雜的清管作業(yè)。而在混序測(cè)試制度下整個(gè)測(cè)試過(guò)程中將發(fā)生兩次水合物的生成與分解，但全過(guò)程中最大管堵程度為26.09%，較正序、反序測(cè)試的最大管堵程度減輕了27.2%，測(cè)試管柱中的流動(dòng)障礙問(wèn)題明顯減弱，降低了測(cè)試期間水合物的管堵風(fēng)險(xiǎn)，且對(duì)后續(xù)測(cè)試及生產(chǎn)無(wú)影響。

基于上述分析，從規(guī)避水合物管堵風(fēng)險(xiǎn)的角度考慮，反序測(cè)試制度是最不利的，該測(cè)試制度下將形成較高的管堵程度且已沉積的水合物不能及時(shí)被清除；正序測(cè)試是應(yīng)用最普遍的測(cè)試制度，盡管測(cè)試求產(chǎn)階段結(jié)束后已沉積的水合物能被清除，但測(cè)試過(guò)程中往往不能保證將最大管堵程度控制在安全范圍內(nèi)；相比之下，混序測(cè)試制度是深水氣井測(cè)試的最優(yōu)選擇，能夠最大化降低管堵程度，避免管堵風(fēng)險(xiǎn)，在保證測(cè)試安全的同時(shí)，也提高了深水氣井測(cè)試數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和可靠性。

對(duì)于某些深水氣井，若采用混序測(cè)試制度仍不能保證將管堵程度降至安全范圍內(nèi)，最常用的方式便是注水合物抑制劑。目前，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，水合物抑制劑注入量的確定均是以徹底避免管內(nèi)水合物生成為目的，事實(shí)上，少量水合物的生成及管壁附著對(duì)測(cè)試過(guò)程的影響很小，沒(méi)有必要對(duì)其進(jìn)行徹底抑制，只需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)注入適量抑制劑將管堵程度控制在測(cè)試安全范圍內(nèi)即可。

為保證測(cè)試過(guò)程中水合物的防治效果，除上述措施外，在測(cè)試允許的前提下，可以調(diào)整不同測(cè)點(diǎn)的測(cè)試氣量及流動(dòng)時(shí)間。如表3、4所示，在采用混序測(cè)試制度，根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況，適當(dāng)增大測(cè)試氣量或縮短小測(cè)試氣量下的流動(dòng)時(shí)間也能起到減小管柱水合物堵塞程度的作用。因此，在進(jìn)行測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況盡量提高小產(chǎn)氣量測(cè)點(diǎn)下的產(chǎn)氣量值，并盡量縮短流動(dòng)時(shí)間，最大限度地保證測(cè)試管柱內(nèi)的流動(dòng)安全。

3.3 變測(cè)點(diǎn)數(shù)測(cè)試制度下的管柱堵塞程度

基于現(xiàn)行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)內(nèi)習(xí)慣于開(kāi)展四點(diǎn)測(cè)試，而基于產(chǎn)能試井原理，大多數(shù)深水氣井的測(cè)試完全可以采用三點(diǎn)或二點(diǎn)測(cè)試。

3.3.1 三點(diǎn)測(cè)試法及其適應(yīng)性

氣井產(chǎn)能測(cè)試采用四點(diǎn)測(cè)試法的主要目的是如果測(cè)試點(diǎn)偏離了直線，可以采用最小二乘法擬合一條曲線，從而得到一個(gè)產(chǎn)能方程，壓力平方形式的氣井二項(xiàng)式產(chǎn)能方程如式（3）所示?？梢钥闯觯绻鸄與B為常數(shù)，4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的連線是嚴(yán)格的一條直線；由A的計(jì)算式可以看出，若能保持滲透率（K）與表皮系數(shù)（S）是常數(shù)，A才是常數(shù)。然而，由于實(shí)際氣井在測(cè)試過(guò)程中，由于出砂、產(chǎn)水、反凝析、應(yīng)力敏感等現(xiàn)象的發(fā)生，K將發(fā)生變化，同時(shí)由于清井對(duì)完井過(guò)程中在近井地帶造成的儲(chǔ)層傷害有解除的作用，S也非常數(shù)。因此，要保證獲得的4個(gè)測(cè)試點(diǎn)位于一條直線難度很大。然而，若獲得的4個(gè)點(diǎn)偏離直線較小，采用其中的3個(gè)點(diǎn)來(lái)建立產(chǎn)能方程，結(jié)果差異很小。對(duì)于無(wú)出砂、不產(chǎn)水的氣井，采用三點(diǎn)測(cè)試法是可行的。

式中A表示達(dá)西流動(dòng)系數(shù)；qsc表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下產(chǎn)氣量，m3/d；B表示非達(dá)西流動(dòng)系數(shù)；T表示地層溫度，K；μ表示氣體黏度，mPa·s；Z表示氣體偏差系數(shù)；K表示儲(chǔ)層滲透率，mD；h表示儲(chǔ)層有效厚度，m；re表示供氣半徑，m；rw表示井眼半徑，m；β表示紊流速度系數(shù)，m－1；γg表示氣體相對(duì)密度。

采用三點(diǎn)測(cè)試法，可以將高產(chǎn)氣量點(diǎn)的產(chǎn)氣量增大，同時(shí)將低產(chǎn)氣量點(diǎn)的產(chǎn)氣量也適當(dāng)增大，這樣既可以縮短測(cè)試時(shí)間，也可以減少井筒水合物的沉積與堵塞。如果需取樣，則可以適當(dāng)降低產(chǎn)氣量。

表3 不同測(cè)試產(chǎn)氣量下管柱堵塞程度統(tǒng)計(jì)表

表4 不同流動(dòng)時(shí)間下管柱堵塞程度統(tǒng)計(jì)表

3.3.2 二點(diǎn)測(cè)試法及其適應(yīng)性

同理，如果儲(chǔ)層較理想，即氣井無(wú)出砂、無(wú)應(yīng)力敏感、無(wú)反凝析且不產(chǎn)水，進(jìn)行二點(diǎn)測(cè)試，所建立的產(chǎn)能方程誤差也較小，并且還可以將低產(chǎn)氣量測(cè)試點(diǎn)的產(chǎn)氣量再增大。這樣井筒水合物的沉積與堵塞風(fēng)險(xiǎn)會(huì)進(jìn)一步降低，同時(shí)測(cè)試成本也相應(yīng)降低。

3.3.3 測(cè)試評(píng)價(jià)

以A氣井為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)其采用三點(diǎn)及二點(diǎn)測(cè)試法測(cè)試管柱的堵塞程度，測(cè)試內(nèi)容如表5所示。

表5 A氣井變測(cè)點(diǎn)數(shù)測(cè)試制度下測(cè)試內(nèi)容統(tǒng)計(jì)表

如圖9所示，不同的測(cè)點(diǎn)數(shù)下管堵程度有明顯差異。測(cè)點(diǎn)數(shù)減少縮短了測(cè)試總時(shí)長(zhǎng)，降低了管柱堵塞程度。通過(guò)減少1～2個(gè)測(cè)點(diǎn)后，最大管堵程度可降低為26.09%?？梢?jiàn)，低測(cè)點(diǎn)數(shù)下的測(cè)試對(duì)規(guī)避測(cè)試管柱內(nèi)水合物的堵塞風(fēng)險(xiǎn)有顯著效果。

圖9 變測(cè)點(diǎn)數(shù)測(cè)試制度下管堵程度變化曲線圖

另外，在變測(cè)點(diǎn)數(shù)測(cè)試下，若適當(dāng)縮短測(cè)試時(shí)間或增大產(chǎn)氣量，管柱堵塞程度還將進(jìn)一步降低。以三點(diǎn)測(cè)試為例，不同測(cè)試條件下的管柱堵塞情況如表6、7所示。

4 結(jié)論

1）深水氣井測(cè)試過(guò)程中井筒內(nèi)往往為形成水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)霧流型，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中采取相應(yīng)措施來(lái)防止水合物堵塞比防止水合物生成更加合理。

2）常規(guī)四點(diǎn)測(cè)試法往往需要設(shè)置使得井筒內(nèi)流溫較低的低產(chǎn)氣量測(cè)點(diǎn)，高壓、低溫的井筒環(huán)境往往滿足水合物生成、沉積條件，測(cè)試持續(xù)過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間會(huì)增加測(cè)試管柱的堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

表6 三點(diǎn)測(cè)試時(shí)不同測(cè)試產(chǎn)氣量下管柱堵塞程度統(tǒng)計(jì)表

表7 三點(diǎn)測(cè)試時(shí)不同流動(dòng)時(shí)間下管柱堵塞程度統(tǒng)計(jì)表

3）提出了適合于深水氣井測(cè)試的混序測(cè)試制度，在不改變測(cè)試產(chǎn)量與時(shí)長(zhǎng)的前提下，通過(guò)調(diào)整測(cè)點(diǎn)順序形成的井筒溫度變化使水合物沉積層分解，進(jìn)而降低測(cè)試過(guò)程中測(cè)試管柱的最大堵塞程度。

4）對(duì)于無(wú)出砂、無(wú)應(yīng)力敏感、無(wú)反凝析且不產(chǎn)水的深水氣井推薦使用三點(diǎn)或二點(diǎn)測(cè)試法，相對(duì)于常規(guī)的四點(diǎn)測(cè)試法，測(cè)點(diǎn)的減少及測(cè)試產(chǎn)量的普遍提高能有效降低測(cè)試管柱內(nèi)的水合物沉積、堵塞風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)又能在保證產(chǎn)能方程準(zhǔn)確性的前提下縮短測(cè)試時(shí)間、降低測(cè)試成本。