天然氣水合物試采流動保障研究

段瑞溪 王博 潘浩

（1.中國石油集團海洋工程公司工程設(shè)計院；2.中國石油集團海洋工程公司）

天然氣水合物廣泛存在于地球永久凍土層以及深海中。據(jù)估計，地球上天然氣水合物中所含有機碳資源總量相當(dāng)于全球已知煤、石油和天然氣等化石燃料總和的兩倍[1]。初步預(yù)測結(jié)果表明，我國海域天然氣水合物資源量約800×108t油當(dāng)量。由于巨大的能源存儲量以及清潔利用的可能性，受到全球的重視[2]。2017年5—7月，中國首次在南海神狐海域成功試采天然氣水合物，在60天的試開采時間內(nèi)，累計產(chǎn)氣30.9×104m3，平均日產(chǎn)5 151 m3，甲烷含量最高達(dá)99.5%。目前已經(jīng)完成的水合物試采包括加拿大Mallik，美國阿拉斯加，日本南海海槽[3-4]，中國國家地質(zhì)調(diào)查局南海神狐海域水合物試采，中海油南海神狐海域水合物試采[5]。2017年，國土資源部，廣東省政府、中石油集團簽署《推進(jìn)南海神狐海域天然氣水合物勘查開采試驗區(qū)建設(shè)戰(zhàn)略合作協(xié)議》，同年，水合物新礦種獲得國務(wù)院批準(zhǔn)，成為我國第173個礦種。開展水合物試采流動保障相關(guān)研究，對保障水合物試采成功，以及未來示范區(qū)建設(shè)中井筒中的生產(chǎn)、管線集輸中的流動安全有一定的積極作用。

1 水合物試采中存在的流動保障問題

試采的方法包括加熱法、置換法、降壓法、固態(tài)流化法。由于天然氣水合物埋藏較淺，儲層未成巖，試采過程中地層有一定的出砂趨勢。天然氣水合物中的主要成分是甲烷，少量的乙烷與丙烷，不存在硫化氫，而且在試采過程中，氣量較少，不會發(fā)生沖蝕問題。經(jīng)過對國際上已經(jīng)完成的水合物試采中流動保障問題以及措施的總結(jié)，水合物試采中主要的流動保障問題為水合物二次生成、砂沉積、段塞流的問題，見表1。

2 降壓法中的流動保障研究

在目前的水合物開采方法中，降壓法效果較為有效，文中主要對降壓法試采中流動保障問題進(jìn)行研究。由于目前公開的資料中，日本水合物試采的資料最為完善，該文研究以日本水合物試采為例開展。

2.1 日本試采工藝

日本在2013年（1次），2017年（2次）進(jìn)行過三次試采，三次試采中采用的流程相同，2013年日本南海海槽水合物試采流程[5]見圖1。試采開始后，電潛泵抽取地層與油管中的液體，并通過壓井管線排出至水面平臺。由于油管吸入口插入與儲層聯(lián)通的篩管內(nèi)，油管中的液位降低到一定高度后，井底壓力達(dá)到水合物分解區(qū)間，此時水合物開始分解。分解后形成的甲烷與水通過油管進(jìn)入罐裝ESP（電潛泵），通過罐體與井筒的環(huán)空，在環(huán)空中氣水進(jìn)行初步分離；分離后的水夾帶部分天然氣進(jìn)入罐體內(nèi)ESP吸入口處的分離器，氣水進(jìn)行二次分離。分離的氣進(jìn)入ESP罐體與井筒環(huán)空，通過上部的封隔器進(jìn)入油管后通過油管輸送到地面測試設(shè)施。分離出來的水則通過ESP增壓后進(jìn)入油管，并通過ESP上部的封隔器進(jìn)入油管與井筒之間的環(huán)空，在泥面BOP處進(jìn)入節(jié)流管線輸送到地面測試設(shè)施。

表1 水合物試采中的流動保障問題

圖1 2013日本南海海槽水合物試采流程

日本水合物管柱試采工藝特點分析如下：在井筒與罐裝泵之間的間隙氣、水進(jìn)行第一次分離，在ESP入口分離器處進(jìn)行二次分離，但水中仍含有較多的氣；在氣管路中，由于出口壓力較低，氣具有一定的攜液能力，可以將部分水?dāng)y帶排出至試采平臺；由于輸氣管道與輸水管道管徑較小，段塞中液量不大，試采平臺上的分離器可以處理[6]，最嚴(yán)重的問題是砂沉積、水合物二次生成。

2.2 砂沉積分析方法

基于砂粒在垂直井筒的中的運動原理，砂粒在水中受重力，表面阻力的作用：

式中：Fw——重力，N；

FR——表面阻力，N；

ds——砂粒粒徑，m；

ρs——砂粒真實密度，kg/m3；

ρl——液體密度，kg/m3；

CD——砂粒阻力系數(shù)。

砂粒運動穩(wěn)定以后：

其中vs、vl分別為砂粒沉降速度和液體流速（m/s）；在臨界液體攜砂速度vcl下，砂粒速度為0，臨界攜砂水速為：

計算公式是基于球形顆粒得到的，由于砂粒的不規(guī)則，砂粒在水中實際的沉降速度小于計算值，相應(yīng)的臨界攜砂速度也小于計算值。在分析中，出于安全考慮，忽略砂粒形狀的影響。形狀不規(guī)則砂粒在流體中沉降的軌跡隨機性很大，而實際生產(chǎn)井井筒中產(chǎn)液的流速場又極具復(fù)雜性。需要參考借助實驗分析砂在井液中沉降的統(tǒng)計規(guī)律。李明忠[7]針對勝坨油田的油層出砂，以水為井筒產(chǎn)液，對粒徑為0.417 mm、0.355 mm、0.288 mm和0.149 mm的砂粒，在長4 m、內(nèi)徑30 mm的有機玻璃管中進(jìn)行了攜砂實驗。研究發(fā)現(xiàn)井筒產(chǎn)液的平均流速達(dá)到砂粒自由沉降末速的2.918倍以上。參考李明忠實驗結(jié)果，暫時取水臨界攜砂速度為理論值的3倍。

在日本試采中，根據(jù)地層取心分析，地層中砂分布數(shù)據(jù)為見表2。90%的砂粒徑小于156.16 μm，90%的淤泥粒徑小于436.70 μm，90%的黏土粒徑小于448.76 μm。在2013年試采過程中，最初幾乎無砂產(chǎn)出，但是在第6天，有大量砂突然產(chǎn)出，其中上部試采設(shè)施中大約有30 m3砂產(chǎn)出。此次分析中取粒徑最大的黏土d90數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，粒徑取450 μm。在砂大量產(chǎn)出時，水產(chǎn)量約為400 m3/d。臨界攜砂水速為28.3 cm/s，管道中的水速為54.5 cm/s，可以將產(chǎn)出的大部分砂攜帶至水面試采設(shè)施，證明計算方法是準(zhǔn)確的。

表2 日本地層砂粒徑分布 單位：μm

2.3 水合物二次生成分析

在輸氣管路中，水合物二次生成的風(fēng)險較小，而且生成以后，可以通過繼續(xù)降低井底的壓力，促使水合物分解，水管線中水合物二次生成的風(fēng)險更大。針對2013年水管線沿線的水力熱力情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水管線有很大的區(qū)域處于水合物二次生成區(qū)域，日本2013年水合物試采水管線水合物二次生成風(fēng)險分析見圖2。

圖2 日本2013年水合物試采水管線水合物二次生成風(fēng)險分析

針對水管線中水合物二次生成后是否會導(dǎo)致堵塞的問題，日本相關(guān)學(xué)者[8]采用甲烷與水模擬南海海槽的試采流道做了水-甲烷流動條件下的實驗。實驗表明，在高含水的條件下，水合物生成后會呈漿體分散在水中，無論層流還是紊流條件下都很難黏在管壁上，但是在轉(zhuǎn)彎等水速幾乎為0為的位置，有水合物的黏附。根據(jù)美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)[9]在長95 m，管徑為97.2 mm高壓水平實驗環(huán)路上，壓力為6.89 MPa條件下，使用含鹽35 ppt的水與純度為99.99%的甲烷進(jìn)行了水合物生成與流動實驗。實驗表明，當(dāng)水相中水合物的體積濃度低于14%時，水合物會均勻分布在水中，同時對水的濃度影響很小。在流動條件下，水管道中較難發(fā)生水合物堵塞的事故，2013年日本水合物試采中均無水合物堵塞的相關(guān)報告。

但是在管線關(guān)停時，在BOP與水管線的連接處，會形成一段氣袋，長時間關(guān)停后，水合物可能生成，并將水管線堵塞。在2017年第二次試采中，由于避臺風(fēng)需要，平臺與管線暫時解脫，在平臺重新回接，生產(chǎn)恢復(fù)后，連續(xù)發(fā)生水合物堵塞事故，影響生產(chǎn)約3天。根據(jù)日本公開發(fā)表的文獻(xiàn)來，推測在停產(chǎn)期間BOP（防噴器）中生成了水合物，水合物顆粒附著在BOP內(nèi)部的管壁上，生產(chǎn)以后水合物隨水流動，并在BOP與水管線的連接處聚集，最終導(dǎo)致管道的堵塞，流動中斷，日本第二次試采水合物二次生成情況見圖3。

因此需要在關(guān)停前，將BOP處的甲烷、水用水合物抑制劑置換，避免水合物的產(chǎn)生。同時在關(guān)停以后重新開井時，利用化學(xué)藥劑注入閥向井中注入藥劑，避免水與管道中的殘存氣接觸生成水合物，同時促使已生成的水合物分解。常用的水合物抑制劑包括甲醇、乙二醇，由于甲醇為劇毒，使用乙二醇更為合適。

圖3 日本第二次試采水合物二次生成情況(2017)

3 結(jié)論與建議

通過對國外水合物試采流動保障經(jīng)驗的總結(jié)，以及對日本試采過程流動保障問題的分析，得到了水合物試采中不同生產(chǎn)工況下存在的流動保障問題，分析方法以及應(yīng)對措施。根據(jù)國內(nèi)外對水合物試采流動保障研究的現(xiàn)狀以及試采中的工程需要，對未來水合物流動保障研究提出建議如下：

1）在開展水合物試采流動保障研究的同時，針對示范區(qū)建設(shè)相關(guān)的井、集輸方案開展流動保障研究。

2）開展水合物不發(fā)生堵塞的安全流動條件分析，目前國內(nèi)外這針?biāo)?甲烷體系下的水合物堵塞問題進(jìn)行了研究，但尚未形成一套可用于生產(chǎn)條件下計算、分析的方法。

3）開展含砂條件下水合物、砂共同沉積與堵塞研究，目前國內(nèi)外針對砂對水合物二次生成影響開展了一些研究，但對影響生產(chǎn)的水合物與砂聯(lián)合沉積與堵塞的機理，計算方法研究尚淺。

4）開展低劑量水合物抑制劑研究，常規(guī)的熱力學(xué)抑制劑用量大，在產(chǎn)水量高時用量更大，成本高，同時具有一定的毒性，將會增大下游水處理工藝的難度與成本。