氣井井筒內天然氣水合物形成預測及預防措施研究

張 錕，江厚順，張紅偉，孫宏亮 （長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100）

氣井井筒內天然氣水合物形成預測及預防措施研究

張 錕，江厚順，張紅偉，孫宏亮 （長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100）

天然氣水合物是由水和天然氣組成的結晶化合物。在氣井降壓生產的過程中，井筒中通常容易形成水合物，這些水合物一旦形成，會導致井底積液，對氣井的正常生產帶來很大的危害。因此了解井筒中水合物形成的條件，預測和預防水合物的形成就顯的尤為重要。計算了XX區塊M4井不同油管尺寸、不同日配氣量、不同井底流壓下井筒水合物形成的溫度和壓力，通過分析計算結果，歸納了影響水合物形成的因素，最后針對區塊氣井提出了井筒水合物的預防措施。

天然氣水合物；井筒水合物預測；井筒水合物預防

天然氣水合物也稱做水化物，在一定的條件 （溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、pH值）下由天然氣中飽和水［1］和天然氣組成的類似冰的、非化學計量的、籠形結晶化合物。可用M·nH2O來表示，M代表水合物中的氣體分子，n為水合指數。

天然氣水合物的形成與分布主要受烴類氣體來源和一定的溫度、壓力條件控制，天然氣水合物的形成除高壓、低溫條件以外，還必須擁有充足的天然氣來源和含水介質。形成天然氣水合物的基本條件主要包括：①天然氣溫度等于或低于天然氣中水汽的露點，組分中有自由水的存在；②低溫，達到了水合物生成的溫度點；③高壓，水合物存在的最高溫度稱為水合物生成的臨界溫度，如果高于此溫度，在任何壓力下都不會形成水合物；④水合物形成的其他條件，如高流速、壓力波動，氣流受干擾、酸性氣體（硫化氫和二氧化碳）的存在、微小水化晶核的誘導等。

1 天然氣水合物的主要危害

①周壁上如果形成水合物，會使光滑的管壁變成粗糙管壁。部分混合流體通過這段管壁，而另一部分液體在管壁上滑脫。②水合物在管壁內會形成不致密的網狀塞子，在混合液舉升過程中，氣體穿過不致密的塞子，部分液體碰上這個塞子自動滑脫，使井底的積液越來越多，最終使氣井過早停噴。③水合物會在油管內形成致密的塞子，完全把油管橫截面堵死，使氣井再也無法正常生產。

2 水合物預測方法選擇

目前，確定天然氣水合物生成條件 （溫度和壓力）的方法可歸納為相平衡計算法、圖版法、波諾馬列夫方法和統計熱力學法［2］。前3種方法比較簡便實用，但其誤差可達20%；統計熱力學方法是根據系統理論，將天然氣水合物宏觀相態行為與其分子間的相互作用聯系起來，引入配分函數來描述氣體水合物生成條件。理論基礎嚴密，通用性強，便于運用計算機在較寬的范圍內對水合物生成的溫度、壓力條件進行連續求解。統計熱力學法是以Vander Waalshe和Platteuw的統計熱力學為基礎，研究水合物晶格中的化學勢，根據熱力學位勢能平衡理論，得到一非線性方程，并采用牛頓迭代法求解，該方法得到的結果精確度較高。

3 水合物形成的溫度、壓力平衡條件差異性分析

在一定的壓力下，生成水合物的溫度稱為水化溫度。因為必須要有自由水存在才有可能形成水合物，所以水化溫度總是低于天然氣的露點溫度。天然氣水合物生成的壓力、溫度主要與天然氣的組成有關，以XX區塊氣藏的M4井天然氣組分為例 （如表1所示），在地層壓力為33MPa，井底溫度為120℃的情況下進行閃蒸計算（使用Pipesim軟件），計算結果如圖1所示。

天然氣水合物形成的基本條件中，低溫條件比高壓條件更具控制作用。利用天然氣水合溫度－壓力平衡圖可以得出：①當正常生產的溫度和壓力曲線與水合物的溫度－壓力平衡相圖相交時，這時候會形成水合物；當生產的溫度、壓力曲線與水合物的平衡相圖沒有交點時，則不會形成水合物。②水合物的溫度和壓力的平衡具有明顯的過程差異性。

分析計算結果可以看出，當溫度T≤－53℃時，臨界分解壓力僅為0.08MPa，低于大氣壓，說明當水合物溫度低于－53℃時，在常壓下也不會分解；當－53℃≤T≤0℃時，水合物的臨界分解壓力由0.09MPa增加到1.23MPa。即每降低1℃需要增加0.0215MPa的壓力，就可以使水合物不分解；當水合物溫度在0℃以上時，隨著溫度的升高，每降低1℃需要增加更多的壓力才能保證水合物不分解。

表1 M4井天然氣組分

以上溫度和壓力平衡的過程差異性表明，在低溫條件下時，天然氣水合物穩定性好，對壓力條件要求低，但在非低溫條件下時，天然氣水合物很不穩定，而且對壓力條件要求高。

圖1 水合物溫度－壓力平衡相圖

4 井筒內水合物形成預測

對于氣井來講，井口溫度的大小主要受氣井產氣量和采氣管柱結構的影響，一般而言，產氣量越高井口溫度越高；產氣量一定時，采氣油管尺寸越大氣井井口溫度越低。這里以XX區塊的M4井計算為例，通過使用Pipesim軟件建立井模型，預測了不同油管尺寸、不同井底流壓、不同產氣量下井筒水合物生成情況［3－4］。計算的過程中沒有考慮井下是否存在節流降溫。

4.1 不同油管尺寸下井筒內水合物形成預測

在預測M4井不同油管尺寸下水合物的生成情況時，模型的入口壓力取系統試井提供的目前情況下井底流壓，以23/8in、27/8in、31/2in、4in油管尺寸作為敏感參數，計算了氣井產量為1×104m3／d時的水合物生成情況，計算結果如圖2所示。通過上面的計算結果可以看出，對于M4井，在產氣量比較低的情況下 （產氣量設置為1×104m3／d），采用31/2in、4in油管生產井筒內有水合物生成，采用23/8in、27/8in油管生產井筒內沒有水合物生成。

目前區塊氣井的產量較低，因此建議區塊氣井采用23/8in、27/8in小尺寸油管，可以有效防止水合物的生成。

4.2 不同井底流壓下井筒內水合物形成預測

由于XX區塊采用衰竭式的方式進行開采，隨著開采的進行，井底流壓越來越低，井筒內的溫度也會降低。取M4產量為2×104m3／d，油管尺寸選擇23/8in，對不同井底流壓下井筒水合物的生成進行了預測，計算結果如圖3所示。通過計算結果可以看出，井底流壓在17MPa以上時，井筒中沒有水合物生成；當井底流壓降到17MPa以下，井口的溫度、壓力都隨之降低，這時水合物曲線和生產P-T曲線有交點，說明井筒中有水合物生成。

4.3 不同產氣量下井筒內水合物形成預測

以產氣量作為敏感性參數，以M4井為例，計算了不同產氣量下水合物的生成情況，計算結果如圖4所示。通過上面的計算結果可以看出，對于M4井，當產氣量為1×104m3／d和2×104m3／d時，井筒沒有水合物生成；當產氣量為4×104m3／d時，生產P-T曲線與水合物相圖相交，井筒中有水合物生成。

圖2 M4井產氣量為1×104 m3／d的水合物預測曲線

圖3 M4井不同井底流壓下水合物形成預測

5 井筒內水合物形成預防

筆者提出的預防水合物的措施［5－6］主要有以下幾個方面：①從上面的分析可以看出，氣井的井筒溫度隨產量的增大而升高，因此可以通過調節氣井產量的方法預防水合物的形成。在開發初期，在地層壓力比較高時可以適當提高區塊氣井的產量來預防水合物的形成；在開發的中、后期，可以采取部分井關井等措施，避免氣井在特低產情況下生產，從而預防水合物的形成。②在產量固定的情況下，氣井水合物的形成與油管的尺寸有關。油管直徑越大，越容易形成水合物。因此針對目前區塊單井產量普遍較低的情況，建議采用尺寸較小的油管進行生產。③要保持比較平穩的工作制度：氣井生產工作制度波動大，會造成氣井的壓力波動過大，易形成水合物。

圖4 M4井不同產氣量下井筒水合物生成預測

6 結論及認識

（1）水合物溫度和壓力平衡的過程差異性表明，在低溫條件下時，天然氣水合物穩定性好，對壓力條件要求低；但在非低溫條件下時，天然氣水合物很不穩定，而且對壓力條件要求高。

（2）對于XX區塊的M4井，在產氣量一定的情況下，通過分析可以看出，采用小尺寸油管尺寸可以有效預防水合物生成；在油管尺寸一定的情況下，選擇較低的日配氣量可以有效預防水合物的形成。

［1］欒春芳，董娟 .計算飽和天然氣中含水量的新方法 ［J］.國外油田工程，2006，19（7）：38-40.

［2］楊繼盛 .采氣工藝基礎 ［M］.北京：石油工業出版社，1992：247-257.

［3］杜含彬 .天然氣水化物形成條件及預測方法 ［J］.科技致富向導，2011（21）：203-207.

［4］李安星，天然氣水合物形成速度的影響因素 ［J］.油氣田地面工程，2008，27（7）：8-10.

［5］王樊科，張積峰 .采輸氣工程中水化物的形成、預測及防止分析 ［J］.天然氣與石油，2000，18（4）：16-19.

［6］張亮，馬認琦，蘇杰，等 .天然氣水合物形成機理及有效清除 ［J］.石油鉆采工藝，2010，32（3）：35-36.

Prediction and Measures for Natural Hydrate Formation in Gas Wellbore

ZHANGKun，JIANG Hou-shun，ZHANG Hong-wei，SUN Hong－liang（Yangtze University，Wuhan430100）

Gashydrate is a kind of crystalline compounds composed of water and gas.In the process of depressurized producting of gas well，it is easy to form hydrate in the wellbore.Once these hydrate is formed，it could lead to bottom effusion and bring great harm to the normal production of gas well.So it is particularly important to predict and prevent the formation of hydrate while understanding the formation conditions of the hydrate.The paper calculates the different tubing sizes，the different gas daily output，and the temperature and pressure for forming the wellbore hydrate under different bottom-hole flowing pressures of M4Well in XX Block.Through analysis on the calculation results，the paper summarizes the factors that has influence on the formation of hydrate.Finally it puts forward preventive measures of preventing wellbore hydrate for the gas well in this block.

hydrate；wellbore hydrate forecast；wellbore hydrate prevention

TE311

A

1673-1409（2013）20-0094-03

2013-03-12

張錕 （1986-），男，碩士生，現主要從事采油工程方面的研究工作。

［編輯］ 洪云飛