氣井帶壓作業(yè)中水合物的形成及預(yù)防措施

胡旭光 王留洋 江 川

1.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2.中國石油川慶鉆探工程有限公司國際工程公司

0 引言

氣井帶壓作業(yè)技術(shù)是在不壓井的情況下，采用帶壓作業(yè)設(shè)備在氣井或含氣井帶壓條件下實(shí)施的井下作業(yè)，具有保護(hù)地層產(chǎn)能、提高采收率的獨(dú)特優(yōu)勢，已在中石油長寧－威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊、中石油浙江油田、中石化涪陵頁巖氣區(qū)塊廣泛應(yīng)用。應(yīng)用初期，施工難點(diǎn)聚焦在油管內(nèi)堵塞與環(huán)空動密封關(guān)鍵技術(shù)上，但隨著應(yīng)用規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，天然氣水合物帶來的問題逐漸引起人們的重視，其導(dǎo)致的安全風(fēng)險已逐漸凸顯，例如在JYX1 井中導(dǎo)致鋼絲投堵工具斷裂、YYX2 井中導(dǎo)致油管掛無法坐封等，不僅導(dǎo)致施工工序增加，還將本有著高風(fēng)險作業(yè)之稱的氣井帶壓作業(yè)的風(fēng)險進(jìn)一步提高。目前國內(nèi)學(xué)者關(guān)于水合物防治的研究較多，但針對水合物對氣井帶壓作業(yè)影響的研究尚少，隨著帶壓作業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，需帶壓起下的管柱結(jié)構(gòu)也將越來越復(fù)雜，因水合物導(dǎo)致的工程復(fù)雜也將隨之增多，因此有必要梳理氣井帶壓作業(yè)中水合物的形成機(jī)理及位置，以提出對應(yīng)的預(yù)防措施，降低作業(yè)風(fēng)險，提高施工安全性。

1 水合物形成原因

天然氣水合物是在一定的溫度和壓力條件下天然氣中的飽和水和天然氣中的某些組分，如甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳等結(jié)合形成白色的類似于冰的、非化學(xué)計量的籠形結(jié)晶化合物[1-2]。

水合物主要形成條件有：①組分中有自由水的存在，天然氣的溫度必須等于或低于天然氣中水的露點(diǎn)；②低溫，體系溫度必須達(dá)到水合物的生成溫度；③高壓；④其他條件有流速或流向突變、壓力波動，氣體擾動、硫化氫和二氧化碳等酸性氣體的存在等[3-8]。

2 形成位置及危害

根據(jù)氣井帶壓作業(yè)常用入井管柱結(jié)構(gòu)及帶壓作業(yè)裝置特點(diǎn)，水合物的形成位置包括井下及井口。井下形成位置主要有：氣井井筒、井內(nèi)管柱節(jié)流處、井內(nèi)管柱本體內(nèi)（圖1）。井口形成位置集中在防噴器腔室及泄壓閥處（圖2）。

2.1 井下形成水合物

氣井加砂壓裂后，井筒內(nèi)流體中含有水、砂粒等物質(zhì)并沿套管流動，具備形成水合物所必需的氣體分子和液態(tài)水等條件。在氣水混合物從井底向井口流動的過程中，沿程的壓力和溫度是逐漸降低的[9-12]。當(dāng)壓力和溫度降低到水合物生成溫度時，便會在井筒內(nèi)形成水合物結(jié)晶層。氣井井筒內(nèi)形成水合物會導(dǎo)致管柱下入受阻，起管柱時鋼絲堵塞器斷裂等。

圖1 井下水合物形成位置圖

圖2 井口水合物形成位置圖

以JY21HF 井帶壓下油管為例，開井后通過帶壓作業(yè)裝置將帶有篩管、堵塞器、油管的完井管柱下入井內(nèi)。當(dāng)管柱下入至套管四通位置時遇阻，多次嘗試均無法下入。分析原因，判斷是井內(nèi)天然氣在套管四通位置發(fā)生流向與流速上的突然變化，加上當(dāng)日氣溫驟降，導(dǎo)致在套管四通處生成水合物。

以JY81HF 井為例，該井需帶壓起出井內(nèi)管柱，起管柱前鋼絲作業(yè)隊進(jìn)行通井作業(yè)，成功將通井工具串下放至2 403 m（上部工作筒位置）處，上提通井工具串，當(dāng)起至距井口580 m 時發(fā)生遇卡，開節(jié)流閥泄壓解卡，起出全部鋼絲后發(fā)現(xiàn)通井工具串掉落井內(nèi)。

2.2 井口形成水合物

氣井帶壓作業(yè)裝置通過工作防噴器密封管柱實(shí)現(xiàn)對井內(nèi)壓力的控制，在起下管柱過程中需倒換上、下工作防噴器實(shí)現(xiàn)管柱接箍的起下，從而需進(jìn)行頻繁的補(bǔ)泄壓操作。補(bǔ)泄壓過程中井內(nèi)天然氣與水在防噴器腔室及節(jié)流閥處發(fā)生頻繁的流速變化與壓力波動，極易形成水合物。此處形成水合物會導(dǎo)致工作防噴器開關(guān)不到位、節(jié)流閥堵塞及油管掛無法順利坐封，造成嚴(yán)重的安全風(fēng)險。

以YY6HF 井為例，該井施工期間外界氣溫較低，經(jīng)過頻繁的補(bǔ)泄壓操作后將油管下至設(shè)計井深，坐封油管懸掛器時在防噴器腔室內(nèi)遇阻，無法繼續(xù)坐入油管懸掛器，起出后發(fā)現(xiàn)油管懸掛器本體有水合物附著。

以DY4HF 井為例，該井在帶壓下管柱過程中，發(fā)現(xiàn)液動泄壓閥打開后，腔室內(nèi)壓力不能泄為零，液壓閥周圍結(jié)霜嚴(yán)重，判斷是泄壓閥處形成水合物堵塞管線導(dǎo)致（圖3）。

圖3 泄壓系統(tǒng)結(jié)霜圖

3 預(yù)防措施

3.1 井下水合物的預(yù)防

3.1.1 加入抑制劑

天然氣中加入水合 物抑制劑后，它可充分吸收水蒸氣，使產(chǎn)生水合物的臨界溫度大大降低，從而有效抑制水合物的生成[13-14]（圖4）。未注水合物抑制劑時圖中I 和Ⅲ為水合物形成區(qū)域，注入抑制劑后，水合物形成線左移，這種情況下Ⅲ區(qū)是非水合物形成區(qū)。

甲醇和乙二醇是常用的天然氣水合物抑制劑，均具有較強(qiáng)的抗凍能力，其中乙醇為－50℃，甲醇為－70℃。但因甲醇具有毒性強(qiáng)、密度低、易揮發(fā)的缺點(diǎn)，作業(yè)現(xiàn)場推薦使用乙二醇作為天然氣水合物抑制劑。為防止氣井帶壓作業(yè)中井筒內(nèi)形成水合物，可向入井管柱內(nèi)注入水合物抑制劑或向環(huán)空內(nèi)注入水合物抑制劑，預(yù)防水合物的形成，此方法效果較好但成本偏高。

圖4 注入抑制劑前后水合物相態(tài)圖

3.1.2 降壓法

通過降低壓力至水合物的形成壓力以下，改變天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡狀態(tài)，促使水合物發(fā)生分解。若作業(yè)現(xiàn)場條件允許，可根據(jù)情況選擇開井放噴，降低井筒內(nèi)壓力，改變水合物相平衡狀態(tài)。同時開井后流體流動能對井筒進(jìn)行沖刷和加熱，進(jìn)一步抑制水合物形成。

JY21HF 井下油管遇阻后，打開放噴流程，同時嘗試下入管柱，15 min 后順利將管柱下過遇阻點(diǎn)，上提、下放三次，未發(fā)生任何阻卡。

3.1.3 調(diào)節(jié)產(chǎn)量法

氣井的井筒溫度隨產(chǎn)量的增大而升高，可在帶壓作業(yè)期間通過增大氣井產(chǎn)量提高井筒溫度，預(yù)防水合物的形成。若地層壓力較高，可適當(dāng)提高氣井的產(chǎn)量來預(yù)防水合物的形成；若地層壓力較低，產(chǎn)量較低時可在帶壓作業(yè)期間關(guān)井停產(chǎn)，防止氣井在低產(chǎn)情況下形成水合物。

3.2 井口水合物的預(yù)防

3.2.1 加熱法

采用加熱法可提高天然氣流體溫度，如果此溫度大于水合物形成的臨界溫度，便可以抑制水合物的形成[15-16]。針對井口防噴器、泄壓閥內(nèi)生成水合物的情況，最常用的方法是使用蒸汽管線纏繞在防噴器及泄壓管線上進(jìn)行加熱，保持較高的溫度，抑制水合物的形成。

3.2.2 優(yōu)化泄壓系統(tǒng)

現(xiàn)場實(shí)際情況表明，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，不合適的泄壓速度是導(dǎo)致防噴器腔室及泄壓閥內(nèi)形成水合物的主要原因。如何優(yōu)化泄壓系統(tǒng)是有效抑制防噴器腔室與泄壓閥內(nèi)水合物形成的關(guān)鍵。

針對此種情況，研制了一種適用于帶壓作業(yè)機(jī)的新型泄壓閥，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5。一級節(jié)流孔板尺寸為定值，滿足中高壓氣井帶壓作業(yè)需要，二級節(jié)流孔板安裝在泄壓閥下端，孔板尺寸方便更換，可精確調(diào)整通道壓力變化，防止壓差過大，可抑制水合物的形成。

圖5 泄壓閥結(jié)構(gòu)圖

通過現(xiàn)場12 口井實(shí)驗，得出在不同井壓下存在最佳孔板尺寸，可很好地解決防噴器腔室及泄壓系統(tǒng)水合物冰堵的問題。 據(jù)統(tǒng)計，未使用新型泄壓閥前，在某頁巖氣區(qū)塊冬季作業(yè)時，10 口井中有6口井在防噴器及泄壓閥內(nèi)形成水合物；使用新型泄壓閥后，已作業(yè)12 口井，未出現(xiàn)水合物堵塞防噴器及泄壓閥的情況（表1）。

表1 不同井壓下的推薦孔板尺寸表

4 結(jié)論

1）氣井井筒、井內(nèi)管柱節(jié)流處、井內(nèi)管柱本體內(nèi)、防噴器腔室及泄壓閥是氣井帶壓作業(yè)中水合物形成的主要位置。

2）可采用向井筒內(nèi)注入水合物抑制劑、降低井筒壓力、調(diào)節(jié)產(chǎn)量的方法預(yù)防氣井帶壓作業(yè)中井筒內(nèi)水合物的形成。

3）可通過加熱法及優(yōu)化泄壓系統(tǒng)預(yù)防氣井帶壓作業(yè)中井口裝置內(nèi)水合物的形成。