頁巖氣井下節流工藝技術的應用研究

周慧敏

摘要：為解決頁巖氣開采時經常遇到的有水合物生成的問題，本文提出一種在井下放入節流器的解決方法，對這項技術的應用進行分析介紹，并通過對比驗證了該技術的有效性與可行性，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：頁巖氣開采;水合物;井下節流

如今，天然氣逐漸成為我國主要能源類型，頁巖氣開采作為獲取天然氣的重要方式，隨著開采的不斷進行，逐漸暴露出一些問題，其中最棘手也是影響最大的就是井下水合物產生。因此，有必要針對該問題探討有效的解決方法。目前針對該問題應用最多的方法為井下節流技術。

1生產特點及現實問題

我國頁巖氣不斷開采，對過度依賴傳統煤炭能源有很大的扭轉作用，還能降低對外依存度。就目前來看，頁巖氣井逐步形成了對外出口的能力。然而，在實際的開采過程當中，井筒筒內高壓氣流一旦含水，將導致水合物生成，使井筒發生凍堵。針對這一實際問題，若在地面采用加熱爐與節流降壓管路，雖然能實現對水合物生成的有效控制，但需要很大的投資，且設備的占地面積很大。

2水合物生成

當溫度與壓力一定時，天然氣和液態水之間將形成白色晶體，此白色晶體極不穩定，俗稱水合物，其密度比水小，在0.90g/cm3左右。在水合物當中，和一個氣體分子相結合的水分子數量并不是固定的[1]。

當天然氣的溫度比水的冰點溫度高時，受壓力作用會產生晶體，水合物生成溫度可簡稱為水合溫度。水合物生成需滿足以下必要條件：首先，天然氣當中有游離態的水存在，并且溫度不能比天然氣所含水蒸氣對應的露點溫度高;其次，壓力和天然氣的組分一定，天然氣的實際溫度不能比水合溫度高;最后，當操作壓力相對較高時，水合溫度將升高至可操作溫度。對于相對密度保持恒定的天然氣，當壓力發生變化時，其水合溫度也將發生變化。此外，在氣體溫度升高至一定程度后，無論壓力如何都不會有水合物繼續生成，該溫度即為臨界溫度，不同氣體的臨界溫度不同，如甲烷的臨界溫度為21.5℃、乙烷的臨界溫度為14.5℃、丙烷的臨界溫度為5.5℃、異丁烷的臨界溫度為2.5℃、正丁烷的臨界溫度為1.0℃、二氧化碳的臨界溫度為10.0℃、硫化氫氣體的臨界溫度為29.0℃[2]。

3節流技術應用

井下節流是指利用節流氣嘴進行節流降壓，同時充分利用地熱進行加熱，以此在減小氣流壓力的基礎上，對水合物實際生成條件予以改善，避免水合物凍堵。對配產準確率有直接影響的因素包括以下兩個：第一，井底流壓。生產時，井底流壓發生變化，伴隨產能不斷降低，井底流壓開始下降，氣嘴下部壓力對產量計算結果有直接影響。第二，氣液兩相流。前期壓裂液需要很長的時間才能完成返排，其返排率相對較低，如果此時采用單相流進行計算，則必然產生很大的誤差[3]。

在下入節流器時，具體的下入深度需要以避免水合物生成為根本目的選擇和控制。以某頁巖氣井為例，根據現有溫度與壓力資料，在1500m的垂直深度，井筒的溫度在54℃-67℃范圍內，壓力在17-30MPa范圍內。此時節流器的實際下入深度應確保在此溫壓條件下氣流經節流器的節流之后，溫度比水合溫度高。節流嘴的出口位置溫度降到最低值，地層和氣流之間實現熱傳導，使氣流的溫度開始回升，按照相關經驗公式，溫度降低了25℃左右，氣流溫度不低于27.5℃。以水合溫度與壓力之間的關系為依據，當井筒的壓力為30MPa，且井筒的溫度超過27℃時，若深度為1500m，則基本不會產生水合物[4]。

由于自然產能逐漸遞減，所以將節流器下入之后10d采集的數據的平均值用于分析。通過對比可知，適應性良好，具體如表1所示。

在井下設置節流器后，能良好滿足高壓生產各項要求，采用鋼絲作業的方法能在不更改井筒實際生產狀態的條件下完成作業，同時及時以配產需求為依據對氣嘴進行適當的調整，表現出良好的地質、經濟與時效優勢。另外，在過去的氣田開發過程中，利用高壓集氣，并通過集中注醇或對井口進行加熱來解決水合物的問題。以上工藝在實施過程中，為有效防止水合物的生成，生產時需要用到很多抑制劑，不僅投資巨大，而且靈活性也很差，后期需要大量的資金用于維護。但在采用節流技術以后，能直接利用地熱進行加熱，取代傳統的水套爐，使井下壓力降低，但溫度保持不變，為地面常壓輸氣奠定良好基礎，減少地面設施的數量與占地。

4結語

綜上所述，通過對井下節流技術的應用，能減小井口與管道輸送壓力，使不同的采氣平臺均能實現管線集氣，減少高壓管線設備投入，并降低相應的安全風險。另外，井下節流還能徹底取消傳統的加熱爐，并減少地面設施，為設備管理與維護工作都創造更好的條件，這對推動頁巖氣開采有重要作用和意義。

參考文獻：

[1]李小益.涪陵頁巖氣井出砂機理研究及合理工作制度確定[J].中國石油和化工標準與質量，2020，40（11）：153-154.

[2]金強，李加明，黃天朋.頁巖氣井下節流工藝技術研究與應用[J].中國石油和化工標準與質量，2020，40（02）：243-244.