深水鉆完井作業(yè)水合物的防治

劉少權(quán)，鄭偉，喬純上(中海油能源發(fā)展工程技術(shù)深圳分公司鉆完井技術(shù)中心，廣東 深圳 518067)

0 引言

深水作業(yè)環(huán)境下的流動(dòng)安全保障措施是深水油氣田開發(fā)生產(chǎn)作業(yè)中不可缺少的組成部分，直接關(guān)系到油氣井壽命和油氣田開發(fā)效率。流動(dòng)安全保障內(nèi)容中比較重要的就是涉及水合物生成預(yù)測(cè)、預(yù)防及堵塞處理、系統(tǒng)完整性保障等方面。

1 水合物的定義和分子結(jié)構(gòu)

天然氣水合物是流動(dòng)安全保障中最重要的問題，在大部分深水完井作業(yè)中，海底環(huán)境低溫是導(dǎo)致井筒內(nèi)形成水合物的主要因素，主要靠預(yù)防加以控制。天然氣水合物是由甲烷、乙烷和丙烷等1種或幾種氣體的混合物，它的生成是在一定的溫度、壓力條件下和水三者共同作用的結(jié)果。天然氣水合物的分子結(jié)構(gòu)一般是籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體，如圖1所示。

圖1 水合物結(jié)構(gòu)

2 水合物生成條件

一般在低溫和高壓條件下就會(huì)生成水合物。在深水鉆完井作業(yè)過程中，水合物通常在泥線附近、油嘴節(jié)流管匯處、分離器處、流動(dòng)通道變徑處等常見部位形成，因?yàn)檫@些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)滿足水合物的形成條件。一般情況下，水合物的形成需要滿足以下4個(gè)條件：

(1)水合物生成的首要條件是含有液態(tài)水。典型的水合物成分甲、丁烷，還有CO2、N2和H2S。水合物中的水來(lái)自生產(chǎn)儲(chǔ)層里的自由水、碳?xì)浠衔锢鋮s產(chǎn)生的濃縮水或者水基鉆井液。

(2)低溫是形成水合物的另外一個(gè)重要條件。天然氣的溫度必須等于或低于天然氣中水汽的露點(diǎn)。水合物中水的摩爾百分比濃度是85 mol%，系統(tǒng)溫度并不需要降至0 ℃(冰點(diǎn))來(lái)生成冰狀固體。海上水深大約914.4 m以下，泥線處的溫度明顯降到3.3～4.4 ℃，從井口到泥線的幾公里管線內(nèi)的氣體在這一溫度下很容易冷卻，這樣水合物在管線(以及井內(nèi))高壓下很容易形成[1]。

(3)高壓通常加快了水合物的生成。在3.3 ℃，通常天然氣會(huì)在0.7 MPa的低壓下形成水合物；在10.3 MPa壓力下，天然氣在18.9 ℃形成水合物。深水鉆井是在水深1 828.8～3 048 m作業(yè)，這樣的深度形成了低溫和高壓的良好環(huán)境。墨西哥灣水溫隨著水深變化的曲線圖如圖2所示。曲線顯示，76.2 m水深時(shí)溫度高達(dá)21.1 ℃，水深超過914.4 m時(shí)，海底溫度全都大約在4.4 ℃[2]。

圖2 墨西哥灣水溫隨著水深變化的曲線圖

(4)其他條件。壓力的波動(dòng)、氣流方向改變及微小水化晶的存在也會(huì)導(dǎo)致水合物的形成。

3 實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中的水合物危害

3.1 水合物對(duì)井控風(fēng)險(xiǎn)非常大

水合物對(duì)深水鉆井、測(cè)試和完井的危害巨大，主要體現(xiàn)在以下6個(gè)方面：

(1)水合物會(huì)堵塞節(jié)流壓井管線，無(wú)法建立循環(huán)，使壓井作業(yè)失敗；

(2)水合物會(huì)堵塞防噴器或防噴器以下的空間，防噴器之下壓力無(wú)法檢測(cè)，同時(shí)水合物也會(huì)在鉆具與防噴器之間形成堵塞，使防噴器在需要關(guān)閉的時(shí)刻失效，防噴器連接器和井口連接器處形成水合物，會(huì)影響防噴器的解脫，在緊急時(shí)刻可能無(wú)法解脫BOP和LMRP；

(3)水合物也會(huì)堵塞隔水管、防噴器或套管與完井管柱的環(huán)空，進(jìn)而在作業(yè)過程中無(wú)法移動(dòng)完井管柱；

(4)當(dāng)溫度和壓力發(fā)生變化時(shí)氣體水合物會(huì)逐漸分解，釋放出的氣體會(huì)導(dǎo)致井漏、井噴、套管和隔水管損壞等事故；

(5)井下工具的控制管線內(nèi)形成水合物，導(dǎo)致井下工具失效；

(6)在清井返排時(shí)，井下安全閥以上、油嘴阻流管匯易形成水合物，造成清井返排失敗。

3.2 影響鉆井液性能

(1)水合物的生成和分解屬化學(xué)變化，其中伴隨著熱量的變化，其分解會(huì)降低鉆井液密度，使整個(gè)環(huán)空液柱壓力降低。

(2)生產(chǎn)水合物的過程中會(huì)消耗鉆井液中水的含量，進(jìn)而會(huì)改變鉆井液流變性能，此外，水合物的形成也會(huì)使得鉆井液失水，讓鉆完井液比重加重，進(jìn)而壓漏地層發(fā)生井漏等復(fù)雜情況。

4 水合物預(yù)防措施

在設(shè)計(jì)過程中，首先要模擬生產(chǎn)過程中井筒剖面及地面流程的溫度、壓力場(chǎng)分布進(jìn)而預(yù)測(cè)水合物的生成趨勢(shì)，繪制出水合物生成的包絡(luò)線圖版用于指導(dǎo)水合物防治。常見的預(yù)測(cè)方法有：圖解法、經(jīng)驗(yàn)公式法、平衡常數(shù)法和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法等。如果預(yù)測(cè)有形成水合物的風(fēng)險(xiǎn)，就要采取有效的防治措施。例如：在返排前后及過程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)情況調(diào)整水合物抑制劑的注入量[3-4]。在深水完井和測(cè)試作業(yè)過程中，要在泥線、地面井口和油嘴管匯處的溫度壓力數(shù)據(jù)在水合物生成包絡(luò)線以外，亦宜注入水合物抑制劑，同時(shí)也要備用鋼絲及連續(xù)油管設(shè)備，以應(yīng)對(duì)水下完井管柱出現(xiàn)水合物凍堵。

5 清除水合物的案例

國(guó)外某深水油田，水深1 500 m，采用立式采油樹完井。在清井放噴期間，修井隔水管(WOR)中產(chǎn)生水合物，通過鋼絲作業(yè)探到水合物在頂部位置后，下入連續(xù)油管清除水合物。

現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)情況是如下：該井上部完井已結(jié)束，并坐好油管掛，立式采油樹已安裝并測(cè)試合格。地層隔離閥(FIV)處于打開狀態(tài)，鋼絲作業(yè)探水合物頂部位于修井隔水管內(nèi)755 m。生產(chǎn)主閥(PMV)、生產(chǎn)清蠟閥(PSV)、井下安全閥(DHSV)關(guān)閉，修井隔水管/緊急解脫總成(EDP)與水下采油樹未連接，鉆井裝置已移至安全區(qū)。準(zhǔn)備工作做好之后，開始連續(xù)在油管進(jìn)行清除水合物作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)施工程序如下：

(1)吊裝鵝頸頭及注入器至鉆臺(tái)，連接設(shè)備液壓管線并進(jìn)行功能試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后將連續(xù)油管插入鵝頸頭及注入器，上提注入器至適當(dāng)高度，通過固井泵對(duì)連續(xù)油管通水并記錄油管容積。

(2)然后組裝連續(xù)油管工具接頭并按操作要求對(duì)工具接頭進(jìn)行拉力測(cè)試，測(cè)試值為11.3 t(本次作業(yè)使用1.75”連續(xù)油管)。

(3)關(guān)閉地面測(cè)試樹壓井翼閥，打開地面測(cè)試樹清蠟閥，依次連接井下工具串，校0。

(4)連接連續(xù)油管注入器、防噴器、地面測(cè)試樹，打開地面測(cè)試樹主閥，下放工具串至連續(xù)油管防噴器半封位置以下，關(guān)閉半封，對(duì)連續(xù)油管、管線、防噴器半封試壓1.7 MPa,觀察5 min，如未發(fā)現(xiàn)泄漏，增加壓力至34.5 MPa并保持10 min。如果可以穩(wěn)壓，快速?gòu)倪B續(xù)油管單流閥下游泄壓至1.7 MPa并觀察10 min，泄壓為0，然后打開連續(xù)油管防噴器半封。最后對(duì)防噴器本體和防噴盒試壓1.7 MPa,觀察5 min，如未發(fā)現(xiàn)泄漏，增加壓力至34.5 MPa并保持10 min，泄壓為零，試壓結(jié)束。

(5)下入連續(xù)油管，變徑處需緩慢下放，控制好下放速度。水合物面以上適當(dāng)位置，記錄上提下放懸重，繼續(xù)緩慢下放至水合物面，確認(rèn)深度。上提連續(xù)油管2 m，頂替比重為1.39 sg的氯化鈣鹽水至修井隔水管，同時(shí)從地面測(cè)試樹和修井隔水管防噴閥(WOR-LV)的注入點(diǎn)以1 L/min的泵速注入乙二醇，并通過地面測(cè)試管匯油嘴控制返出。

(6)連接甲醇注入泵，以最大排量通過連續(xù)油管泵入1 m3甲醇。下放連續(xù)油管輕探水合物面并通過連續(xù)油管替入1.39 sg的氯化鈣鹽水，等待30 min以使甲醇與水合物反應(yīng)。期間注意觀察地面井口壓力，壓力應(yīng)保持在1.0 MPa。如壓力升高，從油嘴管匯泄壓至緩沖罐。浸泡30 min后，連續(xù)油管下探水合物面。如水合物仍存在，重復(fù)上述甲醇泵入步驟。如水合物被清除，繼續(xù)下放連續(xù)油管至修井隔水管底部，同時(shí)以最大排量循環(huán)1.39 sg的氯化鈣鹽水，并保持以1 L/min的泵速注入乙二醇。

(7)確認(rèn)修井隔水管中的水合物被完全清除后，起出連續(xù)油管，關(guān)閉修井隔水管防噴閥、地面測(cè)試樹主閥、地面測(cè)試樹清蠟閥及地面測(cè)試樹翼閥，最后拆甩連續(xù)油管設(shè)備。

6 結(jié)語(yǔ)

在深水鉆完井作業(yè)中水合物帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)非常巨大，需引起高度重視。對(duì)水合物的防治要從多方面著手，深水石油勘探開發(fā)過程中要提前做好水合物清除準(zhǔn)備工作，確保作業(yè)順利進(jìn)行。