海洋鉆井平臺(tái)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(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)（四川 成都610500）

2.中海石油（中國(guó)）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(guó)的成功開(kāi)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(duì)鉆井安全產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響[4-8]。

天然氣井發(fā)生溢流關(guān)井后放噴時(shí)，氣體膨脹對(duì)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(méi)有發(fā)生過(guò)因水合物堵塞節(jié)流壓井管匯案例，但陸地油田管輸過(guò)程中曾因水合物堵塞引發(fā)嚴(yán)重事故[10～12]。目前學(xué)者研究主要針對(duì)天然氣管輸過(guò)程中以及氣井開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)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(zhǎng)的條件[14]。

對(duì)于在井噴放噴過(guò)程中管匯的堵塞研究較少，然而在井控過(guò)程中的天然氣水合物堵塞存在高風(fēng)險(xiǎn)，墨西哥灣曾發(fā)生過(guò)鉆井液中形成天然氣水合物的險(xiǎn)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(tái)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(chǎng)特點(diǎn)，本文主要針對(duì)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(shí)機(jī)、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(duì)水合物抑制的實(shí)驗(yàn)分析

1.1 水合物形成條件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

烴類組分與水分在適當(dāng)?shù)臏囟取毫l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(lái)說(shuō)，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(shí)驗(yàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬得到[18-20]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(guò)自動(dòng)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(jì)算機(jī)進(jìn)行跟蹤分析。在該實(shí)驗(yàn)中，氣體體積分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)過(guò)程至溫度增加至25 ℃。將水合物形成的溫度、壓力繪制在坐標(biāo)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(dá)到天然氣水合物生成條件，曲線下方未達(dá)到水合物形成條件。

1.2 乙二醇對(duì)水合物抑制的實(shí)驗(yàn)分析

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

圖1 PVT實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)為：0、10%、20%、30%、40%，在不同體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)越高，天然氣水合物形成可能性降低。

圖3 不同體積分?jǐn)?shù)乙二醇對(duì)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(shí)，氣體通過(guò)縮小的斷面（閥門）產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流使壓力降低，壓縮氣體經(jīng)過(guò)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(jì)算，見(jiàn)公式（1）。

流體通過(guò)閥件，動(dòng)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(jiǎn)化為等熵絕熱膨脹。假設(shè)單相氣體一維穩(wěn)定流動(dòng)，井筒內(nèi)傳熱為穩(wěn)定傳熱，節(jié)流后天然氣經(jīng)地?zé)峒訜幔捎霉剑?）、（3）作為計(jì)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(duì)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(wú)因次時(shí)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(jìn)海洋鉆井平臺(tái)及國(guó)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(guò)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(chǎng)資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算，天然氣井在關(guān)井以及進(jìn)行節(jié)流放噴作業(yè)過(guò)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(huì)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(kāi)始具備天然氣形成的條件，但當(dāng)管匯中液體組分乙二醇含量超過(guò)20%，就不會(huì)形成天然氣水合物；放噴后，管匯內(nèi)經(jīng)過(guò)節(jié)流的流體溫度、壓力均較低，天然氣水合物形成，當(dāng)管匯中液體組分乙二醇含量超過(guò)30%，就不會(huì)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(jì)，壓井過(guò)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(guò)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(guó)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(shí)，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(shí)通過(guò)節(jié)流閥的液量為20 L∕s，乙二醇注入量4 L∕s 就可以達(dá)到排出液體體積分?jǐn)?shù)20%，當(dāng)管匯壓力較高時(shí)，設(shè)備注入量有限，無(wú)法保證乙二醇的有效添加，此時(shí)應(yīng)按照設(shè)備可以達(dá)到的最大排量注入。

根據(jù)不同的放噴量，按照?qǐng)D5 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(shí)，按照固定排量注入，當(dāng)達(dá)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(shí)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(shí)際應(yīng)用中還有以下建議：

1）自然環(huán)境對(duì)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(duì)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(wú)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(dá)到的最大排量注入，放噴泄壓后關(guān)井，還需按照?qǐng)D版向管匯內(nèi)注入，使乙二醇形成一定的體積分?jǐn)?shù)。