氣井天然氣水合物預(yù)警臨界線預(yù)測與試驗(yàn)對比分析

郭小哲 （中國石油大學(xué) （北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

王福升，趙志輝 （中石油西部鉆探試油公司，新疆 克拉瑪依834000）

氣井在測試過程中，由于工作制度頻繁變化、復(fù)雜的不可預(yù)見因素較多、現(xiàn)場管線保溫等措施不夠完善等，井口會時(shí)常遇到高壓低溫情況，而此時(shí)井筒內(nèi)結(jié)冰凍堵的現(xiàn)象就可能會發(fā)生，甚至條件進(jìn)一步惡化將導(dǎo)致重大工程事故。為了及時(shí)預(yù)防，可通過對井口的溫度、壓力和產(chǎn)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)天然氣的組分預(yù)測在實(shí)時(shí)溫度與壓力情況下水合物生成的可能性，并給出預(yù)警結(jié)果。

為了保證預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性，對水合物生成的界限（即某壓力下的結(jié)冰溫度或者天然氣水合物的p－t圖）需要進(jìn)行研究。通過氣樣水合物生成試驗(yàn)與理論方法預(yù)測的對比來設(shè)定水合物生成界限具有充分的科學(xué)依據(jù)。

1 天然氣水合物生成理論預(yù)測方法

預(yù)測天然氣水合物生成壓力和溫度的方法，主要有圖解法、經(jīng)驗(yàn)公式法、相平衡計(jì)算法和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)4類方法[1～3]：圖解法通過查圖版得到水合物形成的p－t圖；波諾馬列夫經(jīng)驗(yàn)公式法對大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸整理，得出不同密度下天然氣水合物生成條件方程；相平衡計(jì)算法引入相平衡常數(shù)K來計(jì)算天然氣水合物生成條件，對非烴含量多的氣體或高壓氣體，準(zhǔn)確性較差；統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法推導(dǎo)出了預(yù)測天然氣水合物生成條件的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)算法，計(jì)算精度較高，但涉及參數(shù)較多，計(jì)算很復(fù)雜。

氣井測試過程中，許多熱力學(xué)參數(shù)很難準(zhǔn)確獲得，因此統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法不宜采用；氣井有許多又是高壓 （井口可達(dá)20MPa），因此相平衡法不能采用；圖解法和經(jīng)驗(yàn)公式法適用于氣井的水合物生成預(yù)測。

對于同一組分天然氣 （相對密度為0.66），應(yīng)用圖解法和波諾馬列夫經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

水合物是高壓低溫下形成的，因此曲線為形成水合物的臨界線，曲線的左邊是水合物形成區(qū)域，曲線的右邊為非形成水合物區(qū)域，當(dāng)井筒中天然氣壓力溫度位于曲線的左邊時(shí)，井筒中滿足生成水合物的條件。

如圖1中的兩種方法計(jì)算的臨界曲線存在一定差距，且隨著溫度的升高，差距愈來愈大。在相同溫度下，波諾馬列夫經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測生成水合物的壓力要比圖解法低較多，即波諾馬列夫經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測結(jié)果要比圖解法更易生成水合物。但對于預(yù)警來講，過早報(bào)警意味著小題大做；若用圖解法進(jìn)行預(yù)測，又擔(dān)心過晚報(bào)警造成監(jiān)測的失敗。因此，應(yīng)該綜合分析。

從水合物生成過程來看[4]，其對應(yīng)的水合臨界線實(shí)際上是指有水合籠狀物 （或者結(jié)晶體）條件剛達(dá)到界限，而真正在井筒內(nèi)結(jié)冰是需要聚集、長大、吸附、增厚等過程，因此，預(yù)報(bào)水合物生成并不是指已經(jīng)有冰生成，而是預(yù)報(bào)在可能的條件下會有冰生成?；诖丝紤]，不能見風(fēng)就是雨，可把報(bào)警臨界線適當(dāng)降低，由此減少施工工作量及作業(yè)成本。而且采用圖解法基本不會造成報(bào)警過晚。

圖1 圖解法和經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測結(jié)果對比

2 天然氣水合物生成室內(nèi)試驗(yàn)

生成天然氣水合物試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示[5]。

處于恒溫箱中的高壓反應(yīng)釜是水合物生成的空間，通過手搖泵向反應(yīng)釜中推進(jìn)氣體并不斷加壓，反應(yīng)釜中已配制好的地層水與天然氣接觸，在攪拌器的攪拌下模擬氣體的運(yùn)動，通過反應(yīng)釜側(cè)面的玻璃視窗可直接觀察冰渣是否形成，并通過溫度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀出水合物形成的溫度和壓力。改變不同的溫度重復(fù)試驗(yàn)，即可得到水合物生成的p－t圖。

試驗(yàn)氣樣來自于準(zhǔn)噶爾盆地滴西氣田和彩南氣田2個工區(qū)，分別為DX184井、DX1835井、DX1428井和彩510井。4口井的氣體組分構(gòu)成如表1所示。

圖2 天然氣水合物試驗(yàn)裝置示意圖

表1 各井氣體組分對比表

圖3為4個氣樣的水合物室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對比圖，從圖3中可以看出，DX184井，DX1835井和DX1428井的天然氣水合物生成曲線的趨勢是大致相同的，彩510井曲線有差異。

彩510井曲線差異的原因是氣樣中有凝析油存在，而凝析油對水合物的生成又有一定的抑制作用[6]，但當(dāng)凝析油吸附在內(nèi)壁或者軸承上時(shí)，抑制作用減少，水合物生成難度降低，因此出現(xiàn)異常。

4個氣樣基本遵循臨界線規(guī)律，即：溫度達(dá)到一個較高值 （一般30℃左右）以后，溫度升高較小的幅度時(shí)，若形成水合物則需要壓力增加更大的幅度。

氣組分密度是影響水合物生成的關(guān)鍵因素，密度越大，同一溫度下生成水合物的壓 力 就 越 小[7，8]， 試 驗(yàn) 中氣組分密度由小到大為彩510 井、DX1428 井、DX184井、DX1835井，曲線表現(xiàn)的形式為同一溫度下，密度大的易生成水合物，即彩510井氣樣對應(yīng)的生成壓力最高，其次是DX1428井和DX184井，生成壓力最低的是DX1835井。除彩510井異常外，其他理論與試驗(yàn)相符合。

圖3 水合物室內(nèi)試驗(yàn)生成曲線對比圖

3 理論預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果對比

試驗(yàn)結(jié)果與圖解法對比如圖4～7所示。

圖4 DX184井理論與試驗(yàn)結(jié)果對比圖

圖5 DX1835井理論與試驗(yàn)結(jié)果對比圖

圖6 彩510井理論與試驗(yàn)結(jié)果對比圖

圖7 DX1428井理論與試驗(yàn)結(jié)果對比圖

從以上4種不同組分天然氣水合物生成室內(nèi)試驗(yàn)及理論計(jì)算對比看出，預(yù)測曲線與試驗(yàn)結(jié)果總體趨勢比較一致，但兩者之間也存在差別，尤其是溫度越高，兩者之間的臨界線分化越明顯。

試驗(yàn)曲線處于理論曲線的下方，說明相同溫度條件下，試驗(yàn)所得水合物生成要比理論預(yù)測的早，即若選用圖解法時(shí)，可能造成水合物預(yù)警過晚。

但在和波諾馬列夫方法對比時(shí)分析一樣，圖解法在現(xiàn)場不會形成預(yù)警過晚的情況。試驗(yàn)中觀測水合物生成的臨界點(diǎn)時(shí)是考查的分解壓力，即當(dāng)水合物生成后降壓使水合完全分解時(shí)的壓力，此時(shí)確實(shí)有水合物晶胞存在，但結(jié)冰需要晶胞的聚集和生長，并吸附在管壁上，況且在氣井中，氣體的流動與試驗(yàn)中的攪動尚有較大差別，試驗(yàn)中形成的冰晶保持在容器中越變化越大，而氣井中形成的冰晶會隨著氣體流出井筒，不至于積累。因此，有冰晶形成的條件并不一定能夠結(jié)冰，甚至可以說即便冰晶條件再進(jìn)一步發(fā)展 （即壓力升高或者溫度降低），也不一定能夠結(jié)冰。

此外，除DX1835井誤差較大以外，其他3個氣樣臨界線都在波諾馬列夫經(jīng)驗(yàn)法預(yù)測臨界線之上，因此，在氣井水合物監(jiān)測時(shí)，選用圖解法進(jìn)行水合物的臨界線的預(yù)測可實(shí)現(xiàn)有效的即時(shí)預(yù)警的目的。

4 結(jié)論與建議

經(jīng)過分析，用圖解法預(yù)測得到的氣井水合物p－t圖可用于現(xiàn)場氣井水合物的預(yù)測與預(yù)防，但對比中不難發(fā)現(xiàn)，圖解法存在預(yù)測滯后的問題，或者用圖解法進(jìn)行預(yù)測可能會有預(yù)警過晚的風(fēng)險(xiǎn)，因此，在實(shí)際測試工程中也應(yīng)該認(rèn)識到這一點(diǎn)，并盡可能針對不同情況加以避免。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際操作可以進(jìn)行以下方式的調(diào)整：

1）冬季天氣寒冷可誘使井口溫度過低，若保溫措施不及時(shí)，則水合物冰堵井筒的機(jī)率較高，應(yīng)用圖解法確定的水合物臨界線可能會致使預(yù)警過晚，而此時(shí)特別需要的是過早預(yù)警，由此，可根據(jù)天氣寒冷程度把臨界線右移1～5℃，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警。同樣，當(dāng)夏天時(shí)，可把臨界線左移1～5℃，可實(shí)現(xiàn)延遲預(yù)警。

2）異常高壓氣井面臨更大的氣井水合物壓力，此為水合物高危井，提前預(yù)警顯得也相當(dāng)重要。

3）氣井產(chǎn)量很大時(shí)，井口溫度會高一些，即便有冰晶存在也會在很大的力的作用下被沖出井口，但是，產(chǎn)量大會在節(jié)流器、變徑及彎頭等位置產(chǎn)生較大的溫度降，而且會加快水合物的生成、生長與突然聚集，因此，大產(chǎn)量時(shí)應(yīng)適當(dāng)提前預(yù)警。

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