高壓高氣油比自噴井水合物凍堵解除及防治

覃 勇，張世棟，邢廷瑞，劉建東，張 軍

(中國石油新疆油田公司陸梁油田作業區，新疆克拉瑪依 834000)

在高壓高氣油比自噴井生產過程中，在一定條件下液態水與天然氣中的某些組分就會在某些部位形成冰雪狀復合物，通常稱之為天然氣水合物。這些水合物能堵塞井筒、閥門、管線和設備，降低油井產能，影響正常生產，情況嚴重時甚至會造成油氣井停產。凍堵發生后若處理不當，又有可能傷害操作人員和損壞相關設備，造成安全事故和經濟損失[1-2]。因此，水合物凍堵解除及防治是多年來困擾生產的一個突出問題。

針對上述問題，本文從水合物的生成條件及影響因素入手，對水合物凍堵解除及防治技術進行研究，并成功對因水合物凍堵被迫關井近一年半的陸梁油田SN6320井進行解堵和防治，實現了該井的復活并維持其正常生產。

1 水合物的生成條件及影響因素

要想研究水合物凍堵解除及防治的有效方法，須對水合物的生成條件有所了解。它的生成除與天然氣的組分及組成和游離水含量有關外，還需要一定的熱力學條件，即壓力和溫度。水合物的生成需要以下條件[3]，其中兩個必要條件是：①天然氣中含有足夠的水分，以形成孔穴結構；②具有一定的溫度和壓力條件，如高壓和低溫。另外的輔助條件是：①氣體處于脈動紊流等激烈擾動中；②硫化氫、二氧化碳等酸性氣體的存在；③微小水合晶核的誘導以及晶核停留的特定物理位置如彎頭、孔板、閥門和粗糙的管壁等。

水合物的生成過程，實際上是水合物-溶液-天然氣三相平衡變化的過程，任何能影響相平衡的因素均能影響水合物的生成和分解過程。水合物相平衡的影響因素主要有[1]：①天然氣的組分及組成：它是決定是否生成水合物的內因，其酸性組分可促進水合物的形成，而非水合物生成組分則抑制水合物的形成；②壓力和溫度：降低溫度和升高壓力均有利于水合物生成，且壓力越高，生成水合物的臨界溫度也越高；③含水飽和度：氣體被水蒸氣飽和是水合物生成的基本因素之一；④離子濃度：水溶液中離子濃度越高，水合物形成溫度越低。

焦耳-湯姆遜效應，又稱節流效應，是描述氣體或液體在絕熱條件下通過閥門或多孔塞等節流裝置前后溫度發生變化的現象。除氫氣、氦氣和氖氣等少數氣體外，大多數氣體在室溫常壓下節流時均為冷效應。在正常生產過程中，當油氣流經油嘴時，產生節流膨脹效應，使得油嘴后體系溫度降低，當溫度降至水合物生成的臨界溫度時，就有可能開始生成水合物；在氣液混合物從井底流向井口的多相管流中，沿程壓力和溫度均逐漸降低，當溫度降低到水合物生成溫度時，有可能形成水合物[4-5]。

2 水合物凍堵解除

SN6320井于2010年11月壓裂后自噴生產，日產原油3 t、天然氣5000 m3，生產氣油比高達1666 m3/t，含水率為2%，井口壓力高達17 MPa。由于井口壓力高、溫度低，地面油嘴處產生水合物較多，導致井筒上部、地面管線和生產閘門等部件結冰霜嚴重，造成油井清蠟困難，閘門開關緊澀，且影響油井產量，存在堵管和爆管安全隱患，故井口工藝流程不能滿足油井安全生產和配產要求，亟需采取相關措施解決。鑒于引進一套高氣井防凍堵裝置經濟效益不高，而井下節流技術具有成本較低、技術成熟的優勢，故采用安裝井下油嘴解決。但在安裝過程中井筒遇阻，油嘴下不到預定位置，使得該井開井生產僅一月井筒就完全凍堵，被迫關井。因此，安全高效地解除水合物凍堵并防止水合物再生成是該油井成功復活和維持正常生產的關鍵。

關井期間，曾先后采用三種方法對水合物解堵[6-7]，但只有最后一種方法成功，下面分別簡述這三種方法并分析其成敗原因。

(1)注化學劑法。從采油樹防噴管間斷灌入少量乙二醇，利用水合物與油管壁之間的毛細管，逐步向下滲透，促使井筒上部水合物解凍。但由于乙二醇與井筒水合物接觸面積較小，解堵速度非常緩慢，達不到解堵效果。

(2)井口加熱法。采用蒸汽車對采油樹及地面管線加熱解凍，效果較差，主要原因在于井筒完全凍堵，只對采油樹及地面管線解凍不能解決問題。

(3)油套環空流體加熱法。考慮到油套環空流體自身溫度較高，套壓高于油壓，通過微開規格化閘門放套氣降低套壓，使油套環空流體液面緩慢上升并對油管均勻加熱，當井筒溫度高于水合物形成的臨界溫度時，水合物與油管就會逐步剝離，待井筒水合物松動跡象明顯后，通過閘門控排，解除井筒水合物凍堵。2012年4月24日發現井筒水合物松動明顯，4月25日上午11點，通過有節奏地開關該井副生產閘門，經過3小時的努力，終于將井筒內部水合物成功排進外排罐車，安全有效地解除了水合物凍堵。

水合物凍堵解除存在一定風險，在備料和操作時必須采取相應的防范措施。在閘門控排過程中，管材和連接方式務必符合安全要求，并且要平穩操作，因為高壓差能迅速將外排水合物的速度提高至聲速，且水合物密度較大，在其流向改變或遇到障礙物時(如管線彎頭、關閉的閥門等)，高動量的水合物存在較強沖擊力，會造成管線破裂，設備損壞，火災發生，甚至人身傷害。在利用油套環空流體對油管加熱時，必須采取措施保證油套環空流體液面緩慢上升，因為若液面上升速度過快，可能導致某些正在分解的水合物段塞中部的氣體壓力急劇增加，從而導致管線破裂。

3 水合物防治

水合物生成的三個必要條件是溫度、壓力和游離態的水，只要控制其中的一個，就可以成功預防水合物的生成。根據對水合物生成條件的研究，防止水合物生成的主要措施有脫水法、升溫法、降壓法、注化學抑制劑法以及上述各種方法的組合。天然氣中含有水分是生成水合物的內在因素，脫除天然氣中的水分是杜絕水合物生成的根本途徑，但對于油井來說較難實現。根據實際情況，SN6320井凍堵解除后主要采取了兩項措施防止水合物再堆積。

3.1 水合物生成位置外移法

對井口工藝流程進行改造，即從副生產閘門處接一根長度為10 m的高壓管線，并在其末端安裝一套標準油嘴套。工藝流程改造后，水合物生成位置外移至地面，從根本上達到防止水合物再堆積的目的。因冬季溫度較低，故冬季時對副生產閘門接出的管線安裝電熱帶并包裹保溫材料，并對油嘴套安裝保溫箱，以便保證正常生產及便于日常維護。

3.2 降低井口壓力

因水合物生成的臨界溫度隨壓力的增加而增加，當井口壓力很高時，即使井口采取保溫措施仍有可能生成水合物。排水采氣是封閉型水驅氣藏開采中常見的工藝措施，因為井筒積液將增加對氣層的回壓，限制氣井的生產能力，嚴重時會使氣井停噴[8]。定期向井筒擠注同層水，采用人工制造井筒積液的方式控制井口壓力，使油壓保持在3～8 MPa之間，從而降低水合物產生的臨界溫度。

對該井采取上述兩項措施后，自2013年4月27日起順利開井生產31天，平均日產油13.87 t、日產氣5 223 m3、含水率為0.75%。6月13日安裝了井下油嘴并恢復正常生產流程，截止2013年11月30日，該井累計生產536天，平均日產油9.07 t、日產氣6 584 m3、含水率為3.52%，生產平穩，并取得了明顯的經濟效益。

4 結論與認識

(1)采取油套環空流體加熱法，安全有效地解決了水合物凍堵問題，使因水合物凍堵被迫關井近一年半的SN6320井成功復活。這對以后此類高壓高氣油比特殊井的凍堵解除具有參考意義。

(2)受現場工藝流程的限制，通過對井口工藝流程進行臨時改造，外移水合物生成位置并控制井口壓力，使該井順利開井生產。

(3)安全生產，重在預防。應加強水合物防治技術的研究，并積極采取相應措施，把水合物凍堵消滅在萌芽中，防止凍堵發生后對油井產能和生產安全造成不利影響。

[1] 郭平，劉士鑫，杜建芬.天然氣水合物氣藏開發[M].北京:石油工業出版社，2006:167-176.

[2] 呂景昶，馬德志，楊朝霞.天然氣井水合物的形成及解決措施[J].天然氣工業，2001,21(增):111-112.

[3] 于洪敏，左景欒，張琪.氣井水合物生成條件預測[J].天然氣地球科學，2010,21(3):522-527.

[4] 劉鴻文，劉德平.井下油嘴節流機理研究及應用[J].天然氣工業，1990,10(5):57-62.

[5] 李文革，尹國君，劉文寶，等.淺談水合物生成預測方法[J].鉆采工藝，2008,31(增):91-93.

[6] 李潁川，王志彬，鐘海全.油套環空放空防止氣井井筒生成水合物技術[J].石油學報，2010,31(2):318-321.

[7] 倪行宇，王德金，劉志煥，等.氣井水合物凍堵防治技術[J].大慶石油地質與開發，2005,24(4):62-63.

[8] 李士倫.天然氣工程[M].北京:石油工業出版社，2008:217-218.