深層氣井定產(chǎn)試采施工凍堵問題處理及預(yù)防方法

李 鐵

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司試油大隊

1 問題的提出

在大慶油田油氣當(dāng)量重上5 000×104t/a的大背景下，為進(jìn)一步確定儲量及配合天然氣回收施工，探井定產(chǎn)試采施工逐年增多。這類試采井在施工設(shè)計上通常分為3個階段，即產(chǎn)能測試階段、定產(chǎn)試采回收階段、壓力恢復(fù)階段。

水合物凍堵是影響深層氣井試氣試采順利施工、資料錄取連續(xù)的主要問題。水合物是在高壓低溫情況下[1]由天然氣某些組分（如甲烷、乙烷等）和游離水形成的籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體，為非化學(xué)計量型固態(tài)化合物，外觀類似松散的冰或致密的雪[2]，因其外觀像冰一樣且遇火即可燃燒，所以又被稱作可燃冰[3]。其生成的必要條件：氣體處于水汽的飽和或者過飽和狀態(tài)并存在游離水；有足夠高的壓力和足夠低的溫度。輔助條件：壓力的波動和氣體高速流動；流向突變產(chǎn)生的攪動；水合物的存在及晶體停留的特定物理位置（閥門、孔板、彎頭、粗糙管壁）；酸性氣體(硫化氫和二氧化碳)的存在、微小水合物晶核的誘導(dǎo)等因素也起促進(jìn)作用[4]。

慶深氣田的深層氣井試氣施工中，平均每年都會出現(xiàn)10井次（約560 h）以上的因水合物凍堵而關(guān)井的現(xiàn)象，凍堵位置通常在井筒內(nèi)、井口或油嘴管匯下游處。水合物凍堵在嚴(yán)重影響試氣資料錄取的同時，還延長了施工進(jìn)度、增加了施工成本和施工風(fēng)險。這類深層氣井井口壓力普遍都超過30 MPa，最高可達(dá)45 MPa。根據(jù)水合物的形成條件，在開井施工后，井內(nèi)流體在井筒內(nèi)及地面試氣流程中高速流動，井筒及地面流程壓力隨之降低，使得井內(nèi)流體經(jīng)過節(jié)流后溫度急劇降低，極易在井筒或地面流程中發(fā)生水合物凍堵，而這一問題在環(huán)境氣溫低的冬季尤為明顯。

2 SS103H井的凍堵問題及處理過程

SS103H井是松遼盆地北部深層構(gòu)造的1口深層水平探井，該試采區(qū)塊平均地層壓力系數(shù)為1.05，平均溫度梯度為4 ℃/100 m，屬正常壓力系統(tǒng)和正常溫度梯度。該井進(jìn)行過2次系統(tǒng)試氣，標(biāo)準(zhǔn)試氣結(jié)論均為工業(yè)氣層。該井井口壓力高達(dá)37 MPa，開井后壓力下降較快，最高產(chǎn)氣量16×104m3/d，井內(nèi)管柱為底部帶有篩管的?73 mm NU油管。為了進(jìn)一步落實儲量及加快產(chǎn)能建設(shè)，該井試采定產(chǎn)為4×104m3/d，屬于典型的高壓、低產(chǎn)氣井，因此極易發(fā)生水合物凍堵現(xiàn)象。

2.1 鋼絲作業(yè)測采前靜壓及壓力梯度施工中出現(xiàn)的凍堵及處理過程

由于該井井口四通位置有1個尺寸為53 mm的縮徑變扣，因此選用外徑為48 mm的井下工具進(jìn)行鋼絲測壓作業(yè)。在下放通井工具過程中，鋼絲工具反復(fù)在井下5 m處遇阻。隨后上提起出工具，工具上帶有大量水合物（圖1），從而判斷該井由于長時間關(guān)井造成井筒內(nèi)水合物凍堵，凍堵位置為距井口5 m處。

圖1 鋼絲通井工具上帶有的大量水合物照片

水合物的分解要消耗大量的熱[5]，因此可應(yīng)用擠注熱水法進(jìn)行解堵。用泵車向油管內(nèi)擠注85 ℃的熱水。由于大量水合物凍堵在該處，完全堵塞了油管，泵壓迅速升高至40 MPa，導(dǎo)致油管內(nèi)無法擠入熱水，因此改為向套管內(nèi)擠注熱水間接解堵。該井油套環(huán)空間隙較小，為保證解堵效果，向套管內(nèi)擠注熱水時，須嚴(yán)格控制擠注的流量速度。每次向套管內(nèi)擠注熱水2～3 h后，改為向油管內(nèi)擠注熱水，如果泵車迅速起壓，表明解堵未成功，須要繼續(xù)從套管內(nèi)擠注。經(jīng)反復(fù)試驗，排量控制在1 m3/h時解堵效果較好。反復(fù)解堵7 d，解除了井筒內(nèi)水合物造成的井堵，完成了鋼絲作業(yè)測靜壓梯度施工。

2.2 產(chǎn)能測試開井降壓清液施工中出現(xiàn)的凍堵及處理過程

產(chǎn)能測試初期，多次采用?4.76 mm油嘴和?5.56 mm油嘴控制開井試氣，均在試氣過程中出現(xiàn)因水合物凍堵而關(guān)井的現(xiàn)象，試氣過程及處理凍堵的方法如表1所示。

用?4.76 mm油嘴試氣2次，?5.56 mm油嘴試氣3次，都在開井6 h內(nèi)（低于8 h才算穩(wěn)定的試氣標(biāo)準(zhǔn)要求[6]）出現(xiàn)了井下產(chǎn)生的水合物返出地面造成地面流程凍堵的現(xiàn)象（圖2、3）。由于開井時間較短，沒有達(dá)到資料錄取要求，決定改用?6.35 mm油嘴控制試氣。試氣的同時用鍋爐車不間斷地刺地面流程易凍堵處，并用關(guān)小三相分離器進(jìn)口盤管處針閥的方法進(jìn)行二次節(jié)流，這樣做是為了讓流程內(nèi)的流體充分吸收鍋爐車釋放的熱蒸汽和分離器水柜內(nèi)的溫度，以達(dá)到提高流體溫度、預(yù)防水合物的目的。這兩項措施的實施，使得地面流程管線雖然也出現(xiàn)結(jié)水合物的現(xiàn)象，但整個地面流程并未被水合物完全堵死，保證了試氣的連續(xù)性，取得了較好的預(yù)防效果。該油嘴下開井試氣25 h，實測日產(chǎn)氣14×104m3左右，在達(dá)到資料錄取要求后實施地面關(guān)井。此時，為處理水合物凍堵投入施工成本約150萬元。

表1 ?4.76 mm和?5.56 mm油嘴試氣結(jié)果及處理方法對比表

圖2 ?4.76 mm油嘴下水合物堵塞圖

圖3 ?5.56 mm油嘴下水合物堵塞圖

2.3 定產(chǎn)試采施工中預(yù)防水合物所形成的施工措施

本著對水合物預(yù)防為主、防治為輔的原則[7]，為保障該井定產(chǎn)試采階段的順利進(jìn)行，減少水合物凍堵的次數(shù)和時間，通過總結(jié)產(chǎn)能測試階段處理水合物凍堵的施工經(jīng)驗，在該井定產(chǎn)試采階段，主要從以下幾方面開展了預(yù)防工作：①改進(jìn)地面試氣流程。在地面試氣流程中（圖4）加入加熱爐，同時在油嘴管匯上、下游加裝了4根保溫管線，采用局部加熱[8]的方法為地面試氣流程保溫（圖5）。②開井前向除砂器砂筒內(nèi)倒入乙二醇防凍堵劑至出氣口位置，保持砂筒浸泡在乙二醇中（圖6）。③將加熱爐內(nèi)及分離器水柜內(nèi)的水加熱至85 ℃。④產(chǎn)能測試階段的試驗表明，為便于控制定產(chǎn)試采時的氣產(chǎn)量（4×104m3/d），優(yōu)化選擇出較合理的油嘴尺寸為4.73 mm[9]。⑤采用二級節(jié)流降壓法（圖7）。即固定油嘴進(jìn)行一級節(jié)流降壓后，利用分離器進(jìn)口盤管處的針閥進(jìn)行二級節(jié)流降壓。⑥在壓差異常點上游閥室[10]（例如井口采氣樹針閥處和油嘴管匯上游數(shù)據(jù)頭處）持續(xù)向井內(nèi)和地面流程中注入乙二醇防凍堵劑。經(jīng)試驗，確定注入量為10 kg/h時效果較好。

圖4 產(chǎn)能測試階段地面流程示意圖

圖5 定產(chǎn)試采階段改進(jìn)后的地面流程示意圖

圖6 試采時向除砂器砂筒內(nèi)倒入乙二醇照片

圖7 試采時用三相分離器針閥二級節(jié)流降壓照片

以上幾項預(yù)防工作的開展，使得該井在定產(chǎn)試采階段沒有發(fā)生水合物凍堵，資料錄取完整、連續(xù)，定產(chǎn)試采施工順利完成。

3 凍堵問題分析、預(yù)防和處理方法

3.1 問題分析

在試氣過程中，防止水合物生成和解凍有兩種途徑：一是控制熱力學(xué)參數(shù)，使其不生成水合物或已生成的水合物發(fā)生分解；二是用表面活性劑改變水合物的聚集狀態(tài)或管壁性質(zhì)，使生成的水合物不易結(jié)塊或難以黏附管壁[11]。因此要想法破壞掉了水合物形成的條件，具體包括壓力條件、溫度條件以及濕度條件。在這幾個條件中，壓力條件和溫度條件符合氣態(tài)方程關(guān)系，在壓力降低的情況下，會使氣體吸熱，對此壓力降幅大小應(yīng)匹配于加熱情況[12]。

SS103H井定產(chǎn)試采階段能夠在沒有發(fā)生水合物凍堵的情況下順利完成，其主要措施在以下幾個方面。

1）在地面試氣流程中加入加熱爐和保溫管線。利用鍋爐車對地面流程保溫管線進(jìn)行保溫，并將加熱爐內(nèi)及分離器水柜內(nèi)的水加熱至85 ℃，保證井內(nèi)流體在開井后產(chǎn)生壓降時能夠吸收足夠量的熱量，同時在多級降壓時進(jìn)行多級加熱[13]。目的就是讓管線內(nèi)流體的溫度一直高于水合物形成的臨界溫度，破壞水合物形成的低溫條件。

2）采用油嘴管匯、分離器二級節(jié)流降壓，提高油嘴管匯下游與分離器之間的壓力至10 MPa， 使壓力不能迅速下降，破壞水合物形成的壓力條件。

3）在井口和油嘴管匯上游處注入乙二醇防凍堵劑、向除砂器砂筒內(nèi)倒入乙二醇防凍堵劑至出氣口位置，改變水合物的聚集狀態(tài)和管壁性質(zhì)，使水合物不易生成和難以黏附管壁。

3.2 預(yù)防及處理方法

在定產(chǎn)試采施工中，用小油嘴試氣時，會因為多次產(chǎn)生水合物堵塞管柱及地面流程，給操作人員和設(shè)備帶來了較高的安全風(fēng)險。因此建議在以后的定產(chǎn)試采井中應(yīng)做到以下幾個方面。

1）施工前做好地面保溫工作，油嘴管匯上、下游各連接兩根保溫管線。施工時用鍋爐車對保溫管線持續(xù)保溫。如果出現(xiàn)地面流程凍堵，則需要地面關(guān)井，泄壓后用鍋爐車刺地面流程凍堵處，直至刺通方可繼續(xù)施工。

2）產(chǎn)能測試降壓清液施工時，如果直接用小油嘴試氣，極易因高壓低產(chǎn)而增加保溫難度，造成管柱及地面管線凍堵。應(yīng)先采取選用偏大油嘴尺寸控制放噴[14]，然后用油嘴尺寸從大到小逐級降產(chǎn)降壓的方案。先用大尺寸油嘴控制放噴，降低井內(nèi)壓力，待井底積液返出或?qū)⒕谉崃客ㄟ^天然氣流動傳遞到地面流程后，再逐級調(diào)小油嘴尺寸至設(shè)計要求。

3）在定產(chǎn)試采施工時，在二級節(jié)流降壓的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三級節(jié)流降壓。即油嘴管匯使用固定油嘴進(jìn)行一級節(jié)流；關(guān)小加熱爐進(jìn)口針閥控制油嘴管匯下游和加熱爐之間的壓力至15 MPa，進(jìn)行二級節(jié)流；關(guān)小三相分離器進(jìn)口盤管針閥控制加熱爐和分離器之間的壓力至8 MPa，進(jìn)行三級節(jié)流。讓流經(jīng)加熱爐和分離器盤管內(nèi)的井下流體充分吸收加熱爐和分離器水柜內(nèi)的溫度，使地面流程整體溫度由零下提高至零上，以達(dá)預(yù)防水合物形成的目的。

4）從井口采氣樹針閥和油嘴管匯上游數(shù)據(jù)頭處，持續(xù)向地面流程中注入乙二醇防凍堵劑，抑制水合物的聚集和黏附管壁，注入量由現(xiàn)場實際情況而定；向除砂器砂筒內(nèi)倒入乙二醇防凍堵劑至出氣口位置，保持砂筒浸泡在乙二醇中，防止砂筒內(nèi)形成水合物，避免堵塞除砂器。

5）施工中若出現(xiàn)井筒內(nèi)或井口凍堵，可用向油管內(nèi)擠注熱水并配合鍋爐車刺井口的方法解堵；若油管內(nèi)完全被水合物堵塞，無法擠注熱水，可改用套管擠注法。擠注熱水的時間和排量須根據(jù)現(xiàn)場實際情況而定。

4 結(jié)論

SS103H井定產(chǎn)試采施工的順利完成，為今后在深層氣井高壓低產(chǎn)定產(chǎn)試采施工中，處理水合物凍堵和預(yù)防水合物形成積累了一定的施工經(jīng)驗：

1）提前介入設(shè)計[15]，在設(shè)計階段對施工井的壓力和環(huán)境溫度進(jìn)行凍堵預(yù)判，選擇合理的地面試氣流程，并制定合理的工作制度。

2）做好各項預(yù)防工作，準(zhǔn)備好保溫設(shè)備和保溫車輛以及足量的防凍堵劑和熱水。

3）采用油嘴尺寸由大到小逐級降壓法，并結(jié)合二級或三級節(jié)流降壓法進(jìn)行試氣施工。

水合物的預(yù)防處理措施不僅能夠保障試氣施工的順利進(jìn)行，還確保了資料錄取的連續(xù)性，提高了資料的合格率，降低了施工人員的安全風(fēng)險，并可節(jié)約處理凍堵施工成本約10萬元/d。該井預(yù)防水合物的措施和方法不僅能在深層氣井定產(chǎn)試采中應(yīng)用，還可在深層氣井系統(tǒng)試氣中推廣應(yīng)用。該方法目前已推廣應(yīng)用10口井，均做到了一次性成功開井并順利施工，為慶深氣田的深入勘探開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。