深水氣井測試管柱內水合物沉積動態研究

2019-07-26 09:36:48任冠龍孟文波

特種油氣藏 2019年3期

任冠龍，張崇，董釗，孟文波，吳江

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057)

0 引言

南海深水氣田測試過程中，海底低溫是測試作業面臨的主要問題之一。由于管柱內流體處于低溫高壓環境，存在溫差交變大的特點，在深水氣井測試過程中，管柱內極易生成水合物，堵塞管柱，影響測試作業[1-4]。目前，對于深水氣井測試過程中的水合物研究側重于水合物生成機理，但水合物生成后會隨氣流繼續流動，部分水合物顆粒在受到氣流湍動能等因素的作用下會發生徑向運動，并在黏附力的作用下附著在管柱壁面上，形成具有一定厚度的水合物層；而另一部分水合物顆粒則由于受到氣核的高速攜帶作用，會隨氣核一起運移較長的距離，因此，研究水合物沉積機理及其對測試作業的影響程度十分重要[5-6]。根據深水氣井測試管柱內水合物生成及動態沉積計算模型，進行了不同工況下水合物動態沉積定量預測，并結合實驗及現場作業情況進行了驗證，研究結果可為其他深水氣井測試管柱內天然氣水合物的沉積預測及防治提供借鑒。

1 水合物生成風險區域預測

常規深水氣井測試過程中，溫度場呈現三段式特點：①從井底到海床位置，井筒溫度場隨地層溫度的降低緩慢下降；②由于深水海床溫度低，海水溫度場擾動影響嚴重，隔水管與油管間的測試液隔熱性能差，熱量散失快，導致井筒溫度在泥線附近位置出現快速下降；③海床至井口位置長達1 000 m以上的海水段會對油氣進行緩慢升溫，且井口溫度不會隨著測試產量變化有較大的提升[7-10]。

將水合物相態曲線與不同測試產量下的井筒溫度場相結合，將水合物相平衡時的溫度-壓力點轉換至井筒條件下的溫度-深度點，將井筒內的溫度-井深曲線和水合物相態曲線進行對比，可以得到井筒內的水合物生成區域[11-13]，當水合物相態曲線在井筒溫度曲線右側時，兩曲線所包圍的區域即為水合物的生成區域(圖1)。該區域在縱向上長度越大，則水合物的生成區域越大；若在橫向上寬度越大，則水合物的生成過冷度越大，水合物更容易生成，且水合物生成速率越快。

圖1 深水氣井管柱內水合物生成風險預測示意圖

2 水合物生成及動態沉積計算模型

2.1 水合物生成計算模型

2.1.1 環霧流條件下水合物生成計算模型

水合物的生成速率受多種因素的影響，深水井筒多相流動及傳熱特征復雜，水合物生成速率的確定需與井筒多相流動規律密切結合[14-15]。深水氣井測試過程中，管柱內是以氣相為主的系統，井筒中呈現的流型為環霧流流型，氣相在井筒中心形成高速流動的氣體核心，液相有一部分沿管柱內壁形成環狀液體薄膜，另一部分液相則以分散液滴的形式分散在氣體核心中(圖2)。

圖2 氣井管柱內環霧流示意圖

根據Di Lorenzo等[16]開展的環霧流條件下的環路實驗研究結果，構建如下水合物生成速率計算公式：

(1)

式中：rhf為水合物生成速率，kg/(m2·s)；ΔTsub為過冷度，K；Tf為流體溫度，K；As為氣液接觸面積，m2；μ為液相的黏度，Pa·s；k1、k2為本征動力學參數，通過水合物生成實驗數據回歸得到，在該實驗中忽略了傳質和傳熱作用對水合物生成的約束，k1=2.608×1016kg/(m2·K·s)，k2=-13 600 K。

氣液接觸面積是影響水合物生成速率的一個決定因素。管內壁上液膜的表面積主要受管內徑和液膜厚度影響，而管內徑則隨管內壁上的水合物層的生長一直變化。在管內徑較大時，液膜厚度對計算的液膜表面積的影響可以忽略，但當管內徑較小時，該值的忽略可能會產生較大的誤差。

液滴和氣體的接觸面積與液滴數量(含量)及液滴粒徑相關，液滴數量可以通過液滴夾帶率計算得到。液滴夾帶率是指被氣體以小液滴的形式攜帶的液相占總液相的比例，可以由下述經驗公式來計算：

(2)

(3)

式中：FE為液滴夾帶率，%；M為液滴含量，%；WeSG為氣相表觀韋伯數；FrSG為氣相表觀Froude數；ReSL為液相表觀雷諾數；ReSG為氣相表觀雷諾數；ρL為液相密度，kg/m3；ρG為氣相密度，kg/m3；μL為液相黏度，Pa·s；μG為氣相黏度，Pa·s。

2.1.2 冷凝水生成水合物計算模型

隨著井筒中流體和周圍環境的熱量傳遞以及測試工況的變化，井筒中氣體溫度會逐漸降低。溫度降低導致氣體的含水飽和度降低，不斷析出冷凝水，冷凝水在一定溫度壓力條件下會生成水合物。隨著溫度和壓力環境的變化，天然氣中的含水飽和度也會隨之變化，不同時刻井筒中不同位置處天然氣中的含水量可由下式計算：

(4)

式中：W為天然氣的含水量，kg/m3；μw為水的相對分子質量；μg為干天然氣的相對分子質量；p0為水的飽和蒸氣壓，Pa；p為濕氣的總壓力，Pa；φ為天然氣的相對濕度；ρg為干天然氣的密度，kg/m3。

根據質量守恒定律，有：

(5)

式中：Δz為步長，m；ri為水合物生長后管柱內徑，m；rw為管柱內徑，m；hm為傳質系數，m/s；CB為無水合物生成時管柱內天然氣含水飽和度，kg/m3；Ci(Ti)為水合物生成后管柱中天然氣中含水飽和度，kg/m3；ρs為水合物的密度，kg/m3。

2.2 水合物沉積預測模型

微機械力測量實驗表明，當管壁上存在自由水相(液膜)時，直接在管壁液膜上生成的水合物顆粒受到的黏附力較強(如圖3中①和②所示)，因此，這部分水合物顆粒傾向于直接在管壁上沉積，而不會被氣體和液體攜帶走。對于在氣相中由小液滴轉化生成的水合物顆粒(如圖3中③所示)，由于水合物顆粒與液滴密度相近，因此，小液滴與其所生成的水合物顆粒大小相近，這些水合物顆粒仍將像小液滴一樣被氣體攜帶并隨氣體一起運動，即使水合物顆粒運移至水合物膜上的液膜附近處，由于液膜表面與氣體接觸，也會有水合物生成，阻礙了由小液滴所形成的水合物顆粒與自由水相的直接接觸，導致其受到的壁面黏附力較小，難以沉積附著在管壁上[17-19]。同時，單水合物顆粒的沉積行為實驗研究表明，水合物顆粒運動狀態受氣體流速的影響較大，當氣體流速較高時，水合物顆粒不易發生沉積，而是更傾向于隨氣體一起運動。

在環霧流中，管壁被液膜潤濕，液膜沿管壁流動的過程中，溫度不斷降低，當溫度壓力滿足水合物生成條件時，會生成水合物。由于氣液界面處于波動狀態，氣體與液膜傳質傳熱作用較強，液膜中不斷生成水合物。由于液膜流速較小，遠低于氣核流速，液膜中生成水合物后，流動阻力會進一步增大，更不利于液膜的流動。同時，液膜中生成的水合物所受的黏附力較大，容易直接沉積，形成水合物膜，因此，由液膜生成的水合物在管壁上形成水合物膜，該水合物膜不斷生長形成水合物層[20]。

綜上所述，在管壁液膜上生成的水合物顆粒由于受到較強的黏附力作用，水合物顆粒會直接沉積附著到管壁上并形成水合物層，導致有效過流面積減小。而在氣核液滴中所生成的水合物顆粒，則更傾向于被氣流攜帶，不直接沉積在管壁上。因此，井筒中的水合物沉積速率近似等于管壁液膜中水合物的生成速率，單位長度管線中水合物顆粒沉積速率為：

(6)

式中：rhd為水合物沉積速率，kg/(m2·s)；Af為液膜與氣體交界面面積，m2。

圖3 環霧流中水合物沉積示意圖

3 測試工況下水合物動態沉積定量預測

3.1 測試工況下水合物沉積厚度計算

以陵水深水氣田S2井測試期間管柱內壁的水合物沉積為例。該井測試日產氣量低于130×104m3/d情況下，測試管柱內存在水合物生成區域，意味著井筒中將逐漸開始發生水合物沉積，井筒內壁將逐漸出現具有一定厚度的水合物層。對測試工況下管柱內的水合物沉積進行計算，得到了不同測試時間和不同產量下井筒內壁的水合物層生成量(圖4)。由圖4可知：在產量一定條件下，測試管柱內壁的水合物層厚度隨時間逐漸增厚，這主要是因為水合物沉積是一個逐漸積累的過程，隨著水合物不斷沉積，管壁上的水合物層逐漸增厚，測試管柱有效內徑逐漸減小。測試管柱內的水合物沉積受測試產量影響較大，測試產量越低，管壁上的水合物層分布波動越大，且管內壁上的水合物層厚度存在極值點。

圖4 S2井測試期間井筒內壁水合物層生長變化規律

3.2 關井工況下水合物沉積厚度變化計算

圖5為S2井井下關井和地面關井時井筒內壁的水合物層生成曲線。由圖5可知：井下關井30 h時，井筒內水合物沉積厚度達到最大值；而地面關井時，關井時間越長，井筒中不同位置處內壁上的水合物層厚度均越大，這主要是因為井筒內壁的水合物層生長是水合物不斷沉積積累的過程，關井時間越長，井筒內壁上沉積的水合物越多。在相同時間下，井筒中不同位置處的水合物層厚度分布是不均勻的，距離井口越近的位置，井筒內壁的水合物層厚度越大，這主要是因為距離井口位置越近，井筒中的溫度越低，過冷度越大，水合物生成速率越大，導致管壁上的水合物沉積越快，即水合物層厚度越大。

圖5 S2井關井工況下井筒內壁水合物層生長變化規律

4 現場驗證及應用

4.1 模型驗證

文中建立的水合物動態沉積模型主要通過室內環路實驗進行驗證。室內環路實驗基本數據：管線內徑為20.3 mm，管線長度為20 m，氣體流量為169 L/min，液體流量為1.6 L/min，實驗氣體為天然氣。表1為模型計算結果與實驗結果對比。由表1可知，文中建立的水合物生成沉積計算模型計算得到的水合物生成速率與室內環路實驗數據的對比誤差在10%以內。

表1 模型計算水合物生成速率與室內實驗數據對比

4.2 現場驗證

圖6為不同測試時間下的水合物沉積厚度與井口回壓變化情況。由圖6可知：隨著沉積厚度的增加，井筒縮徑率增加，導致井口回壓降低。計算結果表明S2井在測試產量為120×104m3/d時，2h內井筒最大縮徑率為11%，導致井口回壓下降1.78 MPa?，F場測試期間，該井使用19.05 mm油嘴正常放噴，15∶00停止管柱內水合物抑制劑的注入，停止注入前井口壓力約21.38 MPa，停止注入水合物抑制劑后井口壓力緩慢下降，于17∶05井口壓力降至19.52 MPa，即2 h內井口回壓下降約1.86 MPa，與模擬計算結果相差很小，故現場判斷測試管柱內存在水合物的生成并引起了管柱縮徑，17∶10恢復水合物抑制劑的注入后，井口壓力逐漸恢復至21.72 MPa左右并穩定。通過觀察井口回壓判斷井筒水合物生成情況，成功指導了現場測試期間水合物抑制劑注入參數，為氣井測試作業中水合物的防治提供了指導，確保了現場測試作業安全順利進行，最終該井測試日產氣量達到百萬立方米。