海洋鉆井平臺壓井管匯注乙二醇參數(shù)優(yōu)化

霍宏博，張啟龍，李金澤，張磊，王文

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 西南石油大學(xué)（四川 成都610500）

2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津300459）

0 引言

天然氣水合物在低溫、高壓狀態(tài)下生成，也叫可燃冰，它在陸地凍土區(qū)與深海區(qū)被視為一種新型清潔能源[1-3]，近期中國的成功開發(fā)已引起世界石油行業(yè)重視，但天然氣水合物堵塞節(jié)流壓井管匯將對鉆井安全產(chǎn)生嚴重的負面影響[4-8]。

天然氣井發(fā)生溢流關(guān)井后放噴時，氣體膨脹對外界做功吸收熱量，使周圍溫度降低，低溫高壓狀態(tài)使天然氣水合物容易在節(jié)流管匯中形成并逐漸積累[9]，堵塞放噴通道。

雖然目前渤海油田鉆井中并沒有發(fā)生過因水合物堵塞節(jié)流壓井管匯案例，但陸地油田管輸過程中曾因水合物堵塞引發(fā)嚴重事故[10～12]。目前學(xué)者研究主要針對天然氣管輸過程中以及氣井開發(fā)生產(chǎn)過程中水合物堵塞管道，例如，Solan 主要優(yōu)選了水合物抑制劑[13]；Davies 研究了水合物顆粒成長的條件[14]。

對于在井噴放噴過程中管匯的堵塞研究較少，然而在井控過程中的天然氣水合物堵塞存在高風險，墨西哥灣曾發(fā)生過鉆井液中形成天然氣水合物的險情[15]。抑制天然氣水合物形成的方法主要有：脫水、提高溫度、降低壓力、化學(xué)抑制方法等。海洋鉆井平臺預(yù)防水合物形成的方法為注入乙二醇[16]，結(jié)合鉆井現(xiàn)場特點，本文主要針對向節(jié)流壓井管匯添加乙二醇抑制水合物方法，研究乙二醇注入時機、注入速度、注入量，保證在管匯中的乙二醇濃度以抑制水合物形成，防止管匯堵塞，為乙二醇注入提供了參數(shù)控制依據(jù)，為井控安全提供保證。

1 乙二醇對水合物抑制的實驗分析

1.1 水合物形成條件實驗設(shè)計

烴類組分與水分在適當?shù)臏囟?、壓力條件下可形成半穩(wěn)態(tài)固體化合物，水分子借氫鍵形成籠形結(jié)晶，氣體分子受范德華力被包圍在晶格中。不同組分天然氣形成可燃冰的溫度壓力條件不同，一般來說，相同壓力下天然氣中甲烷含量越高，其形成天然氣水合物的溫度越低[17]。低濃度水合物顆粒間作用力小，黏度較低，可視做牛頓流體，隨著水合物形成而濃度增加，水合物顆粒距離減小，轉(zhuǎn)化為非牛頓流體狀態(tài)。實驗氣體為X 油田氣樣，氣體成分如表1所示。

表1 X油田氣體成分

天然氣水合物形成條件可通過實驗室模擬得到[18-20]，通過實驗對該井天然氣樣品的水合物形成模擬，設(shè)備示意如圖1所示，可通過自動泵調(diào)節(jié)氣體組分及液體組分的比例，高低溫烘箱調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，并由傳感器采集設(shè)備環(huán)境參數(shù)傳輸至計算機進行跟蹤分析。在該實驗中，氣體體積分數(shù)為80%，溫度保持-10 ℃，逐漸增加容器壓力，至天然氣水合物形成停止加壓并記錄，泄壓；溫度提高至-5 ℃，逐漸增加容器壓力，至天然氣水合物形成停止加壓并記錄，按照每次增加5 ℃的速度，重復(fù)實驗過程至溫度增加至25 ℃。將水合物形成的溫度、壓力繪制在坐標軸上可得到水合物形成的條件，如圖2所示，該曲線上部區(qū)域可達到天然氣水合物生成條件，曲線下方未達到水合物形成條件。

1.2 乙二醇對水合物抑制的實驗分析

前人研究已將乙二醇作為海洋鉆井平臺管匯抑制天然氣水合物形成的添加劑，可通過氫鍵吸收水分子從而除去引起水合物生成的水分子來抑制水合物，本研究針對不同成分乙二醇對水合物抑制作用進行優(yōu)化選擇。

圖1 PVT實驗設(shè)備

圖2 天然氣水合物形成環(huán)境

調(diào)整液體室成分，使乙二醇在液相組分中體積分數(shù)為：0、10%、20%、30%、40%，在不同體積分數(shù)下生產(chǎn)天然氣水合物條件如圖3所示，添加乙二醇后，可抑制天然氣水合物形成，節(jié)流壓井管匯中乙二醇體積分數(shù)越高，天然氣水合物形成可能性降低。

圖3 不同體積分數(shù)乙二醇對天然氣水合物的抑制

2 天然氣水合物在節(jié)流壓井管匯中的形成條件

氣體溢流關(guān)井后，為避免憋漏地層及井口設(shè)備破壞，需放噴降低井口套壓。節(jié)流閥前壓力、溫度較高，放噴時，氣體通過縮小的斷面（閥門）產(chǎn)生強烈的渦流使壓力降低，壓縮氣體經(jīng)過節(jié)流閥體積膨脹做功吸熱導(dǎo)致管匯內(nèi)溫度降低[21]。根據(jù)能量平衡方程[22]，節(jié)流前后的壓力與流量的關(guān)系可由桑赫爾－克拉弗公式計算，見公式（1）。

流體通過閥件，動量守恒、質(zhì)量守恒、能量守恒，高流速下，可忽略與外界的熱交換，簡化為等熵絕熱膨脹。假設(shè)單相氣體一維穩(wěn)定流動，井筒內(nèi)傳熱為穩(wěn)定傳熱，節(jié)流后天然氣經(jīng)地熱加熱，采用公式（2）、（3）作為計算節(jié)流后溫度（T）、壓力（P）模型：

式中：Qg為流體流量，km3∕d；Ap1為閥件節(jié)流截面積，m2；T1為節(jié)流前溫度，℃；Cd為流量系數(shù)；Z1為氣體壓縮因子；k為絕熱指數(shù)；γ為天然氣相對密度；g 為重力加速度，m∕s2；v 為氣體流速，m∕s；β為節(jié)流前后壓力比；ρ 為氣體密度，kg∕m3；cp為氣體熱容，kJ∕（kg∕℃）；αj為導(dǎo)熱率，m2∕h；vsg為氣體表觀流速，m∕s；Uto為總傳熱系數(shù)，W∕（m·℃）；rti，rto為管匯內(nèi)、外徑，m；ke為管匯傳熱系數(shù)，W∕（m·℃）；Tei為地層原始溫度，K；f（tD）為無因次時間函數(shù)；ωt為總質(zhì)量流量，kg∕s；z 為氣體位置，m。

將乙二醇注入節(jié)流管匯可預(yù)防天然氣水合物形成或清除已生成的天然氣水合物[23-24]，目前較先進海洋鉆井平臺及國外多數(shù)天然氣井的鉆井設(shè)備的節(jié)流管匯都配備了乙二醇注入裝置。

以額定工作壓力700 bar的節(jié)流壓井管匯為例，節(jié)流后通過除氣器工作壓力不大于10.5 bar，據(jù)公式（1）～（3），并參考環(huán)境條件及現(xiàn)場資料統(tǒng)計計算，天然氣井在關(guān)井以及進行節(jié)流放噴作業(yè)過程中，節(jié)流閥上游、下游的壓力溫度分布如圖4 所示。由圖4可知，關(guān)井后未放噴前，管匯內(nèi)溫度較高，不會形成天然氣水合物；放噴后，溫度下降，壓力下降，管匯內(nèi)節(jié)流閥之前的流體開始具備天然氣形成的條件，但當管匯中液體組分乙二醇含量超過20%，就不會形成天然氣水合物；放噴后，管匯內(nèi)經(jīng)過節(jié)流的流體溫度、壓力均較低，天然氣水合物形成，當管匯中液體組分乙二醇含量超過30%，就不會形成天然氣水合物。

據(jù)此分析，關(guān)井后應(yīng)立即向管匯內(nèi)注入乙二醇，預(yù)防天然氣水合物形成。

3 乙二醇注入?yún)?shù)選擇

按照井控規(guī)范要求，壓井排量為鉆井排量的1∕3～1∕2，經(jīng)統(tǒng)計，壓井過程中控制節(jié)流閥使套壓保持不變，即鉆井泵注入井內(nèi)與通過節(jié)流閥的流量大體相同[23,25]。

圖4 節(jié)流壓井管匯溫度壓力分布

以國外某公司生產(chǎn)的乙二醇注入裝置為例，最大工作壓力1 400 bar 時，其排量為1.9 L∕min，常壓下，最大排量為9.0 L∕min。

例如，若放噴時通過節(jié)流閥的液量為20 L∕s，乙二醇注入量4 L∕s 就可以達到排出液體體積分數(shù)20%，當管匯壓力較高時，設(shè)備注入量有限，無法保證乙二醇的有效添加，此時應(yīng)按照設(shè)備可以達到的最大排量注入。

根據(jù)不同的放噴量，按照圖5 中注入速度向管匯內(nèi)注入乙二醇，可以保證管匯內(nèi)有效含量，放噴時，按照固定排量注入，當達到該排量的額定壓力之后，按照設(shè)備放噴壓力下的最大排量注入。

圖5 乙二醇注入?yún)?shù)推薦

4 結(jié)論和建議

綜合以上分析，海洋天然氣井鉆井放噴時節(jié)流壓井管匯中具備水合物形成的條件，乙二醇注入壓井管匯可以有效預(yù)防天然氣水合物形成，防止凍堵管線，保證壓井暢通。因此有必要考慮水合物形成，并需配置相關(guān)設(shè)備，在實際應(yīng)用中還有以下建議：

1）自然環(huán)境對天然氣水合物也有影響，極寒天氣可增大天然氣水合物形成可能性。

2）需要根據(jù)不同天然氣組分及放噴含液量對乙二醇注入量調(diào)整。

3）雖然關(guān)井后管匯不具備水合物形成條件，為確保放噴期間無水合物形成，氣侵關(guān)井后要向管匯內(nèi)入乙二醇。

4）放噴期間應(yīng)以可達到的最大排量注入，放噴泄壓后關(guān)井，還需按照圖版向管匯內(nèi)注入，使乙二醇形成一定的體積分數(shù)。