深水氣井測(cè)試管柱內(nèi)水合物沉積動(dòng)態(tài)研究

任冠龍，張 崇，董 釗，孟文波，吳 江

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

南海深水氣田測(cè)試過程中，海底低溫是測(cè)試作業(yè)面臨的主要問題之一。由于管柱內(nèi)流體處于低溫高壓環(huán)境，存在溫差交變大的特點(diǎn)，在深水氣井測(cè)試過程中，管柱內(nèi)極易生成水合物，堵塞管柱，影響測(cè)試作業(yè)[1-4]。目前，對(duì)于深水氣井測(cè)試過程中的水合物研究側(cè)重于水合物生成機(jī)理，但水合物生成后會(huì)隨氣流繼續(xù)流動(dòng)，部分水合物顆粒在受到氣流湍動(dòng)能等因素的作用下會(huì)發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng)，并在黏附力的作用下附著在管柱壁面上，形成具有一定厚度的水合物層；而另一部分水合物顆粒則由于受到氣核的高速攜帶作用，會(huì)隨氣核一起運(yùn)移較長(zhǎng)的距離，因此，研究水合物沉積機(jī)理及其對(duì)測(cè)試作業(yè)的影響程度十分重要[5-6]。根據(jù)深水氣井測(cè)試管柱內(nèi)水合物生成及動(dòng)態(tài)沉積計(jì)算模型，進(jìn)行了不同工況下水合物動(dòng)態(tài)沉積定量預(yù)測(cè)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況進(jìn)行了驗(yàn)證，研究結(jié)果可為其他深水氣井測(cè)試管柱內(nèi)天然氣水合物的沉積預(yù)測(cè)及防治提供借鑒。

1 水合物生成風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)

常規(guī)深水氣井測(cè)試過程中，溫度場(chǎng)呈現(xiàn)三段式特點(diǎn)：①?gòu)木椎胶４参恢?，井筒溫度?chǎng)隨地層溫度的降低緩慢下降；②由于深水海床溫度低，海水溫度場(chǎng)擾動(dòng)影響嚴(yán)重，隔水管與油管間的測(cè)試液隔熱性能差，熱量散失快，導(dǎo)致井筒溫度在泥線附近位置出現(xiàn)快速下降；③海床至井口位置長(zhǎng)達(dá)1 000 m以上的海水段會(huì)對(duì)油氣進(jìn)行緩慢升溫，且井口溫度不會(huì)隨著測(cè)試產(chǎn)量變化有較大的提升[7-10]。

將水合物相態(tài)曲線與不同測(cè)試產(chǎn)量下的井筒溫度場(chǎng)相結(jié)合，將水合物相平衡時(shí)的溫度-壓力點(diǎn)轉(zhuǎn)換至井筒條件下的溫度-深度點(diǎn)，將井筒內(nèi)的溫度-井深曲線和水合物相態(tài)曲線進(jìn)行對(duì)比，可以得到井筒內(nèi)的水合物生成區(qū)域[11-13]，當(dāng)水合物相態(tài)曲線在井筒溫度曲線右側(cè)時(shí)，兩曲線所包圍的區(qū)域即為水合物的生成區(qū)域(圖1)。該區(qū)域在縱向上長(zhǎng)度越大，則水合物的生成區(qū)域越大；若在橫向上寬度越大，則水合物的生成過冷度越大，水合物更容易生成，且水合物生成速率越快。

圖1 深水氣井管柱內(nèi)水合物生成風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)示意圖

2 水合物生成及動(dòng)態(tài)沉積計(jì)算模型

2.1 水合物生成計(jì)算模型

2.1.1 環(huán)霧流條件下水合物生成計(jì)算模型

水合物的生成速率受多種因素的影響，深水井筒多相流動(dòng)及傳熱特征復(fù)雜，水合物生成速率的確定需與井筒多相流動(dòng)規(guī)律密切結(jié)合[14-15]。深水氣井測(cè)試過程中，管柱內(nèi)是以氣相為主的系統(tǒng)，井筒中呈現(xiàn)的流型為環(huán)霧流流型，氣相在井筒中心形成高速流動(dòng)的氣體核心，液相有一部分沿管柱內(nèi)壁形成環(huán)狀液體薄膜，另一部分液相則以分散液滴的形式分散在氣體核心中(圖2)。

圖2 氣井管柱內(nèi)環(huán)霧流示意圖

根據(jù)Di Lorenzo等[16]開展的環(huán)霧流條件下的環(huán)路實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，構(gòu)建如下水合物生成速率計(jì)算公式：

(1)

式中：rhf為水合物生成速率，kg/(m2·s)；ΔTsub為過冷度，K；Tf為流體溫度，K；As為氣液接觸面積，m2；μ為液相的黏度，Pa·s；k1、k2為本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)，通過水合物生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到，在該實(shí)驗(yàn)中忽略了傳質(zhì)和傳熱作用對(duì)水合物生成的約束，k1=2.608×1016kg/(m2·K·s)，k2=-13 600 K。

氣液接觸面積是影響水合物生成速率的一個(gè)決定因素。管內(nèi)壁上液膜的表面積主要受管內(nèi)徑和液膜厚度影響，而管內(nèi)徑則隨管內(nèi)壁上的水合物層的生長(zhǎng)一直變化。在管內(nèi)徑較大時(shí)，液膜厚度對(duì)計(jì)算的液膜表面積的影響可以忽略，但當(dāng)管內(nèi)徑較小時(shí)，該值的忽略可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

液滴和氣體的接觸面積與液滴數(shù)量(含量)及液滴粒徑相關(guān)，液滴數(shù)量可以通過液滴夾帶率計(jì)算得到。液滴夾帶率是指被氣體以小液滴的形式攜帶的液相占總液相的比例，可以由下述經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算：

(2)

(3)

式中：FE為液滴夾帶率，%；M為液滴含量，%；WeSG為氣相表觀韋伯?dāng)?shù)；FrSG為氣相表觀Froude數(shù)；ReSL為液相表觀雷諾數(shù)；ReSG為氣相表觀雷諾數(shù)；ρL為液相密度，kg/m3；ρG為氣相密度，kg/m3；μL為液相黏度，Pa·s；μG為氣相黏度，Pa·s。

2.1.2 冷凝水生成水合物計(jì)算模型

隨著井筒中流體和周圍環(huán)境的熱量傳遞以及測(cè)試工況的變化，井筒中氣體溫度會(huì)逐漸降低。溫度降低導(dǎo)致氣體的含水飽和度降低，不斷析出冷凝水，冷凝水在一定溫度壓力條件下會(huì)生成水合物。隨著溫度和壓力環(huán)境的變化，天然氣中的含水飽和度也會(huì)隨之變化，不同時(shí)刻井筒中不同位置處天然氣中的含水量可由下式計(jì)算：

(4)

式中：W為天然氣的含水量，kg/m3；μw為水的相對(duì)分子質(zhì)量；μg為干天然氣的相對(duì)分子質(zhì)量；p0為水的飽和蒸氣壓，Pa；p為濕氣的總壓力，Pa；φ為天然氣的相對(duì)濕度；ρg為干天然氣的密度，kg/m3。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，有：

(5)

式中：Δz為步長(zhǎng)，m；ri為水合物生長(zhǎng)后管柱內(nèi)徑，m；rw為管柱內(nèi)徑，m；hm為傳質(zhì)系數(shù)，m/s；CB為無水合物生成時(shí)管柱內(nèi)天然氣含水飽和度，kg/m3；Ci(Ti)為水合物生成后管柱中天然氣中含水飽和度，kg/m3；ρs為水合物的密度，kg/m3。

2.2 水合物沉積預(yù)測(cè)模型

微機(jī)械力測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)管壁上存在自由水相(液膜)時(shí)，直接在管壁液膜上生成的水合物顆粒受到的黏附力較強(qiáng)(如圖3中①和②所示)，因此，這部分水合物顆粒傾向于直接在管壁上沉積，而不會(huì)被氣體和液體攜帶走。對(duì)于在氣相中由小液滴轉(zhuǎn)化生成的水合物顆粒(如圖3中③所示)，由于水合物顆粒與液滴密度相近，因此，小液滴與其所生成的水合物顆粒大小相近，這些水合物顆粒仍將像小液滴一樣被氣體攜帶并隨氣體一起運(yùn)動(dòng)，即使水合物顆粒運(yùn)移至水合物膜上的液膜附近處，由于液膜表面與氣體接觸，也會(huì)有水合物生成，阻礙了由小液滴所形成的水合物顆粒與自由水相的直接接觸，導(dǎo)致其受到的壁面黏附力較小，難以沉積附著在管壁上[17-19]。同時(shí)，單水合物顆粒的沉積行為實(shí)驗(yàn)研究表明，水合物顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受氣體流速的影響較大，當(dāng)氣體流速較高時(shí)，水合物顆粒不易發(fā)生沉積，而是更傾向于隨氣體一起運(yùn)動(dòng)。

在環(huán)霧流中，管壁被液膜潤(rùn)濕，液膜沿管壁流動(dòng)的過程中，溫度不斷降低，當(dāng)溫度壓力滿足水合物生成條件時(shí)，會(huì)生成水合物。由于氣液界面處于波動(dòng)狀態(tài)，氣體與液膜傳質(zhì)傳熱作用較強(qiáng)，液膜中不斷生成水合物。由于液膜流速較小，遠(yuǎn)低于氣核流速，液膜中生成水合物后，流動(dòng)阻力會(huì)進(jìn)一步增大，更不利于液膜的流動(dòng)。同時(shí)，液膜中生成的水合物所受的黏附力較大，容易直接沉積，形成水合物膜，因此，由液膜生成的水合物在管壁上形成水合物膜，該水合物膜不斷生長(zhǎng)形成水合物層[20]。

綜上所述，在管壁液膜上生成的水合物顆粒由于受到較強(qiáng)的黏附力作用，水合物顆粒會(huì)直接沉積附著到管壁上并形成水合物層，導(dǎo)致有效過流面積減小。而在氣核液滴中所生成的水合物顆粒，則更傾向于被氣流攜帶，不直接沉積在管壁上。因此，井筒中的水合物沉積速率近似等于管壁液膜中水合物的生成速率，單位長(zhǎng)度管線中水合物顆粒沉積速率為：

(6)

式中：rhd為水合物沉積速率，kg/(m2·s)；Af為液膜與氣體交界面面積，m2。

圖3 環(huán)霧流中水合物沉積示意圖

3 測(cè)試工況下水合物動(dòng)態(tài)沉積定量預(yù)測(cè)

3.1 測(cè)試工況下水合物沉積厚度計(jì)算

以陵水深水氣田S2井測(cè)試期間管柱內(nèi)壁的水合物沉積為例。該井測(cè)試日產(chǎn)氣量低于130×104m3/d情況下，測(cè)試管柱內(nèi)存在水合物生成區(qū)域，意味著井筒中將逐漸開始發(fā)生水合物沉積，井筒內(nèi)壁將逐漸出現(xiàn)具有一定厚度的水合物層。對(duì)測(cè)試工況下管柱內(nèi)的水合物沉積進(jìn)行計(jì)算，得到了不同測(cè)試時(shí)間和不同產(chǎn)量下井筒內(nèi)壁的水合物層生成量(圖4)。由圖4可知：在產(chǎn)量一定條件下，測(cè)試管柱內(nèi)壁的水合物層厚度隨時(shí)間逐漸增厚，這主要是因?yàn)樗衔锍练e是一個(gè)逐漸積累的過程，隨著水合物不斷沉積，管壁上的水合物層逐漸增厚，測(cè)試管柱有效內(nèi)徑逐漸減小。測(cè)試管柱內(nèi)的水合物沉積受測(cè)試產(chǎn)量影響較大，測(cè)試產(chǎn)量越低，管壁上的水合物層分布波動(dòng)越大，且管內(nèi)壁上的水合物層厚度存在極值點(diǎn)。

圖4 S2井測(cè)試期間井筒內(nèi)壁水合物層生長(zhǎng)變化規(guī)律

3.2 關(guān)井工況下水合物沉積厚度變化計(jì)算

圖5為S2井井下關(guān)井和地面關(guān)井時(shí)井筒內(nèi)壁的水合物層生成曲線。由圖5可知：井下關(guān)井30 h時(shí)，井筒內(nèi)水合物沉積厚度達(dá)到最大值；而地面關(guān)井時(shí)，關(guān)井時(shí)間越長(zhǎng)，井筒中不同位置處內(nèi)壁上的水合物層厚度均越大，這主要是因?yàn)榫矁?nèi)壁的水合物層生長(zhǎng)是水合物不斷沉積積累的過程，關(guān)井時(shí)間越長(zhǎng)，井筒內(nèi)壁上沉積的水合物越多。在相同時(shí)間下，井筒中不同位置處的水合物層厚度分布是不均勻的，距離井口越近的位置，井筒內(nèi)壁的水合物層厚度越大，這主要是因?yàn)榫嚯x井口位置越近，井筒中的溫度越低，過冷度越大，水合物生成速率越大，導(dǎo)致管壁上的水合物沉積越快，即水合物層厚度越大。

圖5 S2井關(guān)井工況下井筒內(nèi)壁水合物層生長(zhǎng)變化規(guī)律

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證及應(yīng)用

4.1 模型驗(yàn)證

文中建立的水合物動(dòng)態(tài)沉積模型主要通過室內(nèi)環(huán)路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。室內(nèi)環(huán)路實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)：管線內(nèi)徑為20.3 mm，管線長(zhǎng)度為20 m，氣體流量為169 L/min，液體流量為1.6 L/min，實(shí)驗(yàn)氣體為天然氣。表1為模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。由表1可知，文中建立的水合物生成沉積計(jì)算模型計(jì)算得到的水合物生成速率與室內(nèi)環(huán)路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比誤差在10%以內(nèi)。

表1 模型計(jì)算水合物生成速率與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

圖6為不同測(cè)試時(shí)間下的水合物沉積厚度與井口回壓變化情況。由圖6可知：隨著沉積厚度的增加，井筒縮徑率增加，導(dǎo)致井口回壓降低。計(jì)算結(jié)果表明S2井在測(cè)試產(chǎn)量為120×104m3/d時(shí)，2h內(nèi)井筒最大縮徑率為11%，導(dǎo)致井口回壓下降1.78 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間，該井使用19.05 mm油嘴正常放噴，15∶00停止管柱內(nèi)水合物抑制劑的注入，停止注入前井口壓力約21.38 MPa，停止注入水合物抑制劑后井口壓力緩慢下降，于17∶05井口壓力降至19.52 MPa，即2 h內(nèi)井口回壓下降約1.86 MPa，與模擬計(jì)算結(jié)果相差很小，故現(xiàn)場(chǎng)判斷測(cè)試管柱內(nèi)存在水合物的生成并引起了管柱縮徑，17∶10恢復(fù)水合物抑制劑的注入后，井口壓力逐漸恢復(fù)至21.72 MPa左右并穩(wěn)定。通過觀察井口回壓判斷井筒水合物生成情況，成功指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間水合物抑制劑注入?yún)?shù)，為氣井測(cè)試作業(yè)中水合物的防治提供了指導(dǎo)，確保了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試作業(yè)安全順利進(jìn)行，最終該井測(cè)試日產(chǎn)氣量達(dá)到百萬立方米。

圖6 S2井不同測(cè)試時(shí)間下井口回壓變化

5 結(jié) 論

(1) 在深水氣井測(cè)試管柱內(nèi)水合物生成風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立了測(cè)試管柱內(nèi)水合物生成計(jì)算模型和沉積預(yù)測(cè)模型，模型計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差小于10%。并進(jìn)行了不同測(cè)試工況下水合物動(dòng)態(tài)沉積預(yù)測(cè)分析，得到了測(cè)試工況和關(guān)井工況下的水合物沉積厚度變化規(guī)律。

(2) 給出了測(cè)試工況下水合物沉積厚度與井筒縮徑率隨時(shí)間的變化規(guī)律，得到了井筒縮徑率對(duì)井口回壓的影響規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試井井口回壓計(jì)算誤差小于10%，現(xiàn)場(chǎng)通過觀察井口回壓變化情況及時(shí)調(diào)整水合物抑制劑注入?yún)?shù)，確保了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試作業(yè)的安全順利進(jìn)行，為氣井測(cè)試作業(yè)中水合物的防治提供了技術(shù)指導(dǎo)。