淺談高壓、低溫氣井工藝參數(shù)控制與研究

吳有明　李國漢　楊文忠

摘 要：隨著地質(zhì)勘探、鉆井與氣井完整性管理等技術(shù)不斷提升，近幾年在地層深部陸續(xù)發(fā)現(xiàn)、開采了很多高壓、高產(chǎn)、高溫的“三高”氣井，天然氣產(chǎn)量大幅度增長。然而，并不是所有的都是“三高”氣井，在氣藏邊緣，受地質(zhì)因素及儲層改造等原因，出現(xiàn)了高壓、低滲井，這些井具有高壓、低產(chǎn)、低溫的特點(diǎn)，在生產(chǎn)過程中因節(jié)流、降壓容易生成水合物，造成地面工藝管線凍堵，回壓升高，引發(fā)聯(lián)鎖關(guān)井，甚至有爆管的可能，給安全生產(chǎn)帶來了重大隱患，降低了氣田整體開發(fā)水平。在現(xiàn)有的條件下，如何調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)及措施就變得成為重要。

關(guān)鍵詞：高壓;低溫;水合物;凍堵

1 背景介紹

近幾年，隨著地質(zhì)勘探、鉆探技術(shù)不斷提高，在深層構(gòu)造中不斷發(fā)現(xiàn)了高壓油氣藏，井深達(dá)5000m以上，多數(shù)采氣單井具有“三高”氣井的特點(diǎn)，但部分單井受物性條件、儲層改造措施影響，關(guān)井油壓70MPa以上，無阻流量在20-30×104m3之間，出現(xiàn)了高壓、低孔、低滲特征油氣藏，為了科學(xué)開發(fā)氣田，作為氣藏邊緣井，加大采氣速度的同時、考慮了疏松的地層結(jié)構(gòu)與合理的井底流動壓差，單井配產(chǎn)在10-15×104m3/d左右。因井深、產(chǎn)氣量低，無法將井底高溫帶至井口，井口溫度在25℃左右，導(dǎo)致氣井高壓、低溫。

單井井場生產(chǎn)工藝通過三級節(jié)流將70MPa以上的油壓降壓至12.00MPa左右的系統(tǒng)壓力生產(chǎn)。大幅度節(jié)流、降壓后，因熵變，溫度急劇降低，水合物析出，與生產(chǎn)出來的雜質(zhì)溶合在一起，造成井場地面工藝管線回壓升高，頻繁關(guān)井，影響氣井正常生產(chǎn)。

2 分析原因

2.1 氣井中產(chǎn)出的天然氣中為什么會有水

①區(qū)塊為層狀邊水?dāng)啾承毙蜐駳鈿獠?，且處在氣藏邊?

②溫度低，且低于各井的水合物形成溫度。

2.2 成分及有利用生成水合物的條件：

2.2.1 汞元素

在構(gòu)造中含有大量的汞元素，在高溫下汞為氣體，常溫狀態(tài)下銀白色重質(zhì)液體，可自然揮發(fā)，低溫下為液態(tài)汞。

2.2.2 砂、蠟等雜質(zhì)

因加大開采力度，造成輕微出砂，含蠟，析蠟溫度在7℃～25℃之間。

2.2.3 成核/晶體

途經(jīng)閥門、三通、彎頭、焊接處等產(chǎn)生的阻力，有利于水合物成核/晶體。

2.2.4 水合物形成溫度

在系統(tǒng)壓力下，水合物形成為18℃左右（表1），因節(jié)流導(dǎo)致溫度下降，二級節(jié)流后溫度一般在5-10℃之間，個別單井在0℃以下。

2.2.5 流動狀態(tài)

井口出來的介質(zhì)在兩級節(jié)流后進(jìn)入管線，因高速流、方向、壓力變化造成的攪動，會使密度大的砂、蠟、液態(tài)汞等雜質(zhì)與水合物結(jié)合在一起，在有阻力的地方沉積。

2.3 水合物的處理方式

2.3.1 脫水

利用設(shè)備將天然氣中的水去除。目前采氣單井不具備脫水條件，增加脫水裝置也意味著開采成本的增加。

2.3.2 加熱

如果天然氣從井底、井筒帶上來的溫度足夠高， 氣體水合物也會融化。根據(jù)區(qū)塊各單井井場工藝流程，高壓、低產(chǎn)井都安裝了真空加熱爐。遺憾的是真空加熱爐安裝在二級節(jié)流后，主要解決三級節(jié)流后采氣支線進(jìn)站管線凍、堵問題。目前主要矛盾集中在二級節(jié)流后至真空加熱爐入口的管線。

2.3.3 降壓

如果節(jié)流后壓力足夠低，會降低水合物形成。作為西氣東輸?shù)脑搭^，結(jié)合整個氣田的運(yùn)行，降低系統(tǒng)壓力生產(chǎn)基無可能。

通過以上節(jié)點(diǎn)分析，生產(chǎn)出來的天然氣，經(jīng)井口兩級籠套式節(jié)流閥節(jié)流、降壓，在進(jìn)入真空加熱爐前，因熵變使溫度下降，當(dāng)溫度低于水露點(diǎn)時水合物析出，在節(jié)流閥、彎頭、焊接處因阻力增大，造成水合物與砂、蠟、汞等雜質(zhì)一起沉積下來，形成一種非化合物性質(zhì)的冰水混合物，導(dǎo)致回壓升高。

增加脫水裝置成本太高，要解決問題只能從現(xiàn)有工藝、技術(shù)上去做調(diào)整。精細(xì)化調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)或增加其他輔助措施，確保二級節(jié)流后的采氣支線不發(fā)生凍堵，達(dá)到單井平穩(wěn)生產(chǎn)。

3 措施及方法

高壓氣體節(jié)流主要產(chǎn)生焦耳--湯姆遜膨脹，即較高壓力下的氣體經(jīng)節(jié)流后向較低壓力方向絕熱膨脹過程。節(jié)流后產(chǎn)生低溫效應(yīng)，再結(jié)合單井產(chǎn)出游離水，在管道內(nèi)形成以水合物、砂、蠟、汞等結(jié)晶的混合物，造成工藝管線凍堵。

3.1 如何調(diào)整井口參數(shù)

生產(chǎn)穩(wěn)定后，當(dāng)井口油壓P1保持不變，節(jié)流后壓力P2降低，瞬間產(chǎn)氣量會增大，當(dāng)P2的壓力降低到某值PC時，產(chǎn)氣量 qsc將達(dá)到最大值，即臨界流量;在此狀態(tài)下，若油壓不變，P2進(jìn)一步降低，流量也不再進(jìn)增加;當(dāng)P2上升但不超過油壓，短暫時間過后，流量也不會減少;兩種狀態(tài)臨界的壓力比值為：

P_C/P₁=（2/（K+1））^{sqrt（K/（K-1））}

按大北區(qū)塊天然氣相對密度為0.6，K值取1.3，此時的臨界比為PC/P1=0.546。在此情況下，保持一級籠套式節(jié)流閥開度，確保油壓、產(chǎn)氣量不變;增大P2，緩解因壓力降低導(dǎo)致的溫度損失，即可上提介質(zhì)溫度。

3.2 為什么上調(diào)節(jié)流后壓力會提高溫度

節(jié)流閥節(jié)流主要產(chǎn)生焦耳--湯姆遜膨脹效應(yīng)，即熵變。在氣井井場工藝流程系統(tǒng)中，介質(zhì)與外界無物質(zhì)和能量的交換，這種反應(yīng)遵守熵增加原理，直到反應(yīng)達(dá)到平衡。天然氣從節(jié)流前P1、T1的狀態(tài)，經(jīng)節(jié)流后變化為P2、T2的狀態(tài)，根據(jù)能量守恒定律，P2值越小，T2值越小，為提高單井節(jié)流后的溫度，增大P2的壓力值，在不影響產(chǎn)量的情況下，P2值越接近PC值，效果越好。

根據(jù)現(xiàn)場工藝流程，通過一級籠套式節(jié)流閥調(diào)控井口油壓、產(chǎn)氣量，二級籠套式節(jié)流閥控制一級節(jié)流后壓力，真空加熱爐出口節(jié)流截止閥控制二級后壓力。參數(shù)調(diào)整過程中，保持一級籠套式節(jié)流閥開度情況下，調(diào)節(jié)二級籠套式節(jié)流閥、真空加熱爐出口調(diào)節(jié)閥，建立合理的差壓梯度，既滿足正常的配產(chǎn)量，也保證各級差壓基本相同，不會因節(jié)流壓差過大導(dǎo)致某級節(jié)流閥損傷;最核心調(diào)整是在真空加熱爐及二級節(jié)流后工藝管線的設(shè)備參數(shù)基礎(chǔ)上，盡可能的上調(diào)二級節(jié)流后壓力、提高溫度，減少或降低水合物形成。下表為壓力調(diào)整后參數(shù)對比表。

3.3 輔助措施

通過現(xiàn)場工藝流程的調(diào)整，仍然不能解決問題，在此基礎(chǔ)上增加其他輔助措施，保證單井平穩(wěn)生產(chǎn)。

3.3.1 保溫設(shè)施

在二級節(jié)流后增加高功率的電伴熱帶，對輕微的凍堵可起到緩解作用。

3.3.2 加入水合物抑制劑及其他藥劑

安裝移動注劑撬，在二級節(jié)流后注入水合物抑制劑，破壞水合物的氫鍵、降低形成溫度，抑制水合物的生成?，F(xiàn)場使用最多、最廣泛的是甲醇和乙二醇。根據(jù)天然氣成分、溫度等因素考慮，采用了甲醇抑制劑，因?yàn)榧状紝囟仁褂梅秶?，注入氣流中后，首先，甲醇會全部或大部分蒸發(fā)到氣相中，并隨水合物蒸氣的冷凝而均勻地溶于水溶液中，有足夠的抑制劑濃度，溶液凝固點(diǎn)低、粘度小，較好起到了抑制作用;其次是甲醇不與凝析油反應(yīng)，不會造成水合物粘度上升。在此基礎(chǔ)上根據(jù)單井含蠟量、析蠟溫度等因素，按一定比例摻入清蠟劑，達(dá)到降低水合物生成、去除蠟結(jié)晶。

同時在生產(chǎn)過程中，根據(jù)壓力、溫度判斷，定期開大三級節(jié)流閥降壓、沖洗，清除管內(nèi)水合物及雜質(zhì)，也可緩解凍、堵現(xiàn)象。

4 結(jié)論與效果

通過精細(xì)化參數(shù)調(diào)整和增加輔助設(shè)備，目前在該區(qū)塊有多口高壓、低溫井保持正常生產(chǎn)，日產(chǎn)氣量達(dá)200× 104m3/d左右，這些處于氣藏邊緣井的正常開采，給氣藏頂部、高點(diǎn)的采氣井延緩了見水時間，為氣田整體開發(fā)提供了有力支持。

目前采氣井地面生產(chǎn)工藝是相對成熟的技術(shù)，特別是通過加入藥劑進(jìn)行防堵、解凍，維持設(shè)備、生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在各氣田廣泛實(shí)施。

通過精細(xì)化調(diào)整高壓、低溫氣井參數(shù)，保時率，促生產(chǎn)，對于指導(dǎo)此類型氣井的生產(chǎn)有重要意義。在其他相類似的氣井進(jìn)行整體設(shè)計(jì)時，可以考慮在井筒內(nèi)安裝井下節(jié)流器，也可在油套管環(huán)形空間增加自控式加熱設(shè)備，以此來提高井口溫度，確保采氣單井平穩(wěn)運(yùn)行，為提高氣田整體開發(fā)水平具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]嚴(yán)明卿.天然氣輸配技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]李椿著.熱學(xué)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2014.

作者簡介：

吳有明（1975- ），男，漢族，籍貫：重慶，采氣高級技師，成人本科，從事石油天然氣開發(fā)專業(yè)，塔里木油田分公司博大油氣開發(fā)部。

李國漢（1981- ），男，漢族，籍貫：甘肅，中級職稱，本科，從事石油天然氣開發(fā)專業(yè)，塔里木油田分公司博大油氣開發(fā)部，油氣田開采，中級職稱。

楊文忠（1970- ），男，漢族，籍貫：四川，石油技校，從事石油天然氣開發(fā)專業(yè)，塔里木油田分公司博大油氣開發(fā)部，采氣工，技師。