頁巖氣井下節(jié)流工藝技術(shù)的應(yīng)用研究

周慧敏

摘要：為解決頁巖氣開采時經(jīng)常遇到的有水合物生成的問題，本文提出一種在井下放入節(jié)流器的解決方法，對這項技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析介紹，并通過對比驗證了該技術(shù)的有效性與可行性，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：頁巖氣開采;水合物;井下節(jié)流

如今，天然氣逐漸成為我國主要能源類型，頁巖氣開采作為獲取天然氣的重要方式，隨著開采的不斷進(jìn)行，逐漸暴露出一些問題，其中最棘手也是影響最大的就是井下水合物產(chǎn)生。因此，有必要針對該問題探討有效的解決方法。目前針對該問題應(yīng)用最多的方法為井下節(jié)流技術(shù)。

1生產(chǎn)特點及現(xiàn)實問題

我國頁巖氣不斷開采，對過度依賴傳統(tǒng)煤炭能源有很大的扭轉(zhuǎn)作用，還能降低對外依存度。就目前來看，頁巖氣井逐步形成了對外出口的能力。然而，在實際的開采過程當(dāng)中，井筒筒內(nèi)高壓氣流一旦含水，將導(dǎo)致水合物生成，使井筒發(fā)生凍堵。針對這一實際問題，若在地面采用加熱爐與節(jié)流降壓管路，雖然能實現(xiàn)對水合物生成的有效控制，但需要很大的投資，且設(shè)備的占地面積很大。

2水合物生成

當(dāng)溫度與壓力一定時，天然氣和液態(tài)水之間將形成白色晶體，此白色晶體極不穩(wěn)定，俗稱水合物，其密度比水小，在0.90g/cm3左右。在水合物當(dāng)中，和一個氣體分子相結(jié)合的水分子數(shù)量并不是固定的[1]。

當(dāng)天然氣的溫度比水的冰點溫度高時，受壓力作用會產(chǎn)生晶體，水合物生成溫度可簡稱為水合溫度。水合物生成需滿足以下必要條件：首先，天然氣當(dāng)中有游離態(tài)的水存在，并且溫度不能比天然氣所含水蒸氣對應(yīng)的露點溫度高;其次，壓力和天然氣的組分一定，天然氣的實際溫度不能比水合溫度高;最后，當(dāng)操作壓力相對較高時，水合溫度將升高至可操作溫度。對于相對密度保持恒定的天然氣，當(dāng)壓力發(fā)生變化時，其水合溫度也將發(fā)生變化。此外，在氣體溫度升高至一定程度后，無論壓力如何都不會有水合物繼續(xù)生成，該溫度即為臨界溫度，不同氣體的臨界溫度不同，如甲烷的臨界溫度為21.5℃、乙烷的臨界溫度為14.5℃、丙烷的臨界溫度為5.5℃、異丁烷的臨界溫度為2.5℃、正丁烷的臨界溫度為1.0℃、二氧化碳的臨界溫度為10.0℃、硫化氫氣體的臨界溫度為29.0℃[2]。

3節(jié)流技術(shù)應(yīng)用

井下節(jié)流是指利用節(jié)流氣嘴進(jìn)行節(jié)流降壓，同時充分利用地?zé)徇M(jìn)行加熱，以此在減小氣流壓力的基礎(chǔ)上，對水合物實際生成條件予以改善，避免水合物凍堵。對配產(chǎn)準(zhǔn)確率有直接影響的因素包括以下兩個：第一，井底流壓。生產(chǎn)時，井底流壓發(fā)生變化，伴隨產(chǎn)能不斷降低，井底流壓開始下降，氣嘴下部壓力對產(chǎn)量計算結(jié)果有直接影響。第二，氣液兩相流。前期壓裂液需要很長的時間才能完成返排，其返排率相對較低，如果此時采用單相流進(jìn)行計算，則必然產(chǎn)生很大的誤差[3]。

在下入節(jié)流器時，具體的下入深度需要以避免水合物生成為根本目的選擇和控制。以某頁巖氣井為例，根據(jù)現(xiàn)有溫度與壓力資料，在1500m的垂直深度，井筒的溫度在54℃-67℃范圍內(nèi)，壓力在17-30MPa范圍內(nèi)。此時節(jié)流器的實際下入深度應(yīng)確保在此溫壓條件下氣流經(jīng)節(jié)流器的節(jié)流之后，溫度比水合溫度高。節(jié)流嘴的出口位置溫度降到最低值，地層和氣流之間實現(xiàn)熱傳導(dǎo)，使氣流的溫度開始回升，按照相關(guān)經(jīng)驗公式，溫度降低了25℃左右，氣流溫度不低于27.5℃。以水合溫度與壓力之間的關(guān)系為依據(jù)，當(dāng)井筒的壓力為30MPa，且井筒的溫度超過27℃時，若深度為1500m，則基本不會產(chǎn)生水合物[4]。

由于自然產(chǎn)能逐漸遞減，所以將節(jié)流器下入之后10d采集的數(shù)據(jù)的平均值用于分析。通過對比可知，適應(yīng)性良好，具體如表1所示。

在井下設(shè)置節(jié)流器后，能良好滿足高壓生產(chǎn)各項要求，采用鋼絲作業(yè)的方法能在不更改井筒實際生產(chǎn)狀態(tài)的條件下完成作業(yè)，同時及時以配產(chǎn)需求為依據(jù)對氣嘴進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，表現(xiàn)出良好的地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)與時效優(yōu)勢。另外，在過去的氣田開發(fā)過程中，利用高壓集氣，并通過集中注醇或?qū)谶M(jìn)行加熱來解決水合物的問題。以上工藝在實施過程中，為有效防止水合物的生成，生產(chǎn)時需要用到很多抑制劑，不僅投資巨大，而且靈活性也很差，后期需要大量的資金用于維護(hù)。但在采用節(jié)流技術(shù)以后，能直接利用地?zé)徇M(jìn)行加熱，取代傳統(tǒng)的水套爐，使井下壓力降低，但溫度保持不變，為地面常壓輸氣奠定良好基礎(chǔ)，減少地面設(shè)施的數(shù)量與占地。

4結(jié)語

綜上所述，通過對井下節(jié)流技術(shù)的應(yīng)用，能減小井口與管道輸送壓力，使不同的采氣平臺均能實現(xiàn)管線集氣，減少高壓管線設(shè)備投入，并降低相應(yīng)的安全風(fēng)險。另外，井下節(jié)流還能徹底取消傳統(tǒng)的加熱爐，并減少地面設(shè)施，為設(shè)備管理與維護(hù)工作都創(chuàng)造更好的條件，這對推動頁巖氣開采有重要作用和意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李小益.涪陵頁巖氣井出砂機(jī)理研究及合理工作制度確定[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2020，40（11）：153-154.

[2]金強(qiáng)，李加明，黃天朋.頁巖氣井下節(jié)流工藝技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2020，40（02）：243-244.