頁巖氣井口水合物預(yù)防工藝適應(yīng)性分析

伍坤一 閃從新 王勇

中國石油西南油氣田公司集輸工程技術(shù)研究所

在頁巖氣井生產(chǎn)過程中，采用水力壓裂技術(shù)注入地層的壓裂液會大量返排至井口，導(dǎo)致排液生產(chǎn)期內(nèi)頁巖氣中的水含量很高，在井口處節(jié)流降壓后的氣流溫度可能低于其水合物的形成溫度，水合物生成風(fēng)險高，井口及下游管線可能出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，阻礙測試平臺甚至整個集輸系統(tǒng)的正常工作，給頁巖氣田的生產(chǎn)運行帶來嚴重影響[1-2]。因此，防止天然氣水合物的形成，對于保證頁巖氣田安全高效生產(chǎn)以及達到預(yù)期的生產(chǎn)效率具有重要意義。

目前，針對水合物形成的預(yù)測多采用數(shù)值模擬方法，研究對象主要涵蓋埋地濕氣管道和深水混輸管道等[3-5]，其中針對頁巖氣井口的水合物生成預(yù)測的模型、方法和形成條件研究也較多[6-12]。在頁巖氣集輸管道的水合物生成預(yù)測方面，對比分析了酸性氣體圖、平衡常數(shù)法、波諾馬列夫法和回歸公式法[13-14]，同時也對抑制劑加注、加熱流體等工藝進行了適應(yīng)性分析[15-21]。為形成一種能夠適應(yīng)頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀的水合物的預(yù)防工藝和方法，下一步將對頁巖氣井水合物預(yù)防工藝進行適應(yīng)性分析，并對其工藝設(shè)備進行核算優(yōu)化。

因此，本研究基于長寧區(qū)塊頁巖氣的生產(chǎn)實際情況，采用HYSYS軟件對頁巖氣井口的水合物生成條件進行預(yù)測，結(jié)合頁巖氣井生產(chǎn)工況特點，分別對注醇工藝和加熱工藝進行適應(yīng)性分析，總結(jié)兩種工藝的適用條件，同時進行經(jīng)濟性對比，從而優(yōu)選出一種安全、高效、經(jīng)濟的水合物預(yù)防工藝方法，以期為實現(xiàn)頁巖氣田高效、低成本、規(guī)模化開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 頁巖氣井生產(chǎn)特點

頁巖氣井具有開采初期壓力和產(chǎn)量高、后期隨著時間推移產(chǎn)量和壓力迅速衰減至很低、生產(chǎn)周期和壽命長、長時間處于低壓低產(chǎn)狀態(tài)的生產(chǎn)特征[22-24]。頁巖氣單井產(chǎn)氣量和井口壓力衰減曲線見圖1。

由圖1可知，生產(chǎn)初期投產(chǎn)井的壓力和產(chǎn)能較高，并且之后下降都較為迅速，在投產(chǎn)約半年后井口壓力和產(chǎn)量與投產(chǎn)初期相比降幅較大。在生產(chǎn)后期投產(chǎn)井的壓力和產(chǎn)能很低，之后工況變化較為穩(wěn)定。

2 頁巖氣井口水合物形成預(yù)測分析

2.1 頁巖氣氣質(zhì)組分

根據(jù)氣體氣相色譜儀分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，某頁巖氣區(qū)塊單井的烴類組成以C3及以下組分為主，未檢測出丁烷及更重?zé)N類組分。烴類組分中甲烷摩爾分數(shù)為98.84%～99.09%，重?zé)N含量低，其中乙烷摩爾分數(shù)為0.23%～0.51%，天然氣成熟度高，干燥系數(shù)(C1/C2+)為189.13～220.24，CO2摩爾分數(shù)為0.23%～0.35%，不含硫化氫。水合物的形成溫度與氣質(zhì)組分密切相關(guān)，在一定條件下，隨著丙烷含量的不斷增加，水合物形成溫度明顯升高，但是升高的程度有所減緩，在一定程度上可以提高水合物生長速率，抑制水合物中甲烷的含量[25]。長寧區(qū)塊頁巖氣某單井的氣體烴類具體組成情況見表1。由表1可知，部分單井的丙烷及丙烷以上含量較高，可能提升水合物生成風(fēng)險。

表1 某頁巖氣田單井的氣體烴類組成井號頁巖氣組分摩爾分數(shù)/%氦氫氮二氧化碳硫化氫甲烷乙烷C3+相對密度1#0.030.000.290.290.0098.840.510.040.561 52#0.030.000.290.290.0098.840.510.040.561 53#0.020.000.370.320.0098.780.470.030.561 94#0.020.000.160.270.0099.090.440.020.560 35#0.070.000.310.350.0098.890.350.020.561 16#0.050.000.410.320.0098.900.320.000.560 97#0.060.000.870.230.0098.600.230.000.561 5

2.2 頁巖氣實際生產(chǎn)工況劃分

根據(jù)頁巖氣井的生產(chǎn)特點，并結(jié)合歷史生產(chǎn)狀況，整理出頁巖氣井在不同生產(chǎn)階段、較易形成水合物的不同工況下的生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見表2。

(1) 啟停開井工況：是一種臨時工況，由于關(guān)井再啟的過程中，井筒內(nèi)氣體已達到地溫，且井筒內(nèi)氣體水含量低，氣液體積比相當(dāng)高，開井工況不僅在頁巖氣田存在，在其他非常規(guī)氣田或常規(guī)氣田中也同樣存在。

(2) 生產(chǎn)初期工況：產(chǎn)氣量高，產(chǎn)液量高，井口壓力高，井口溫度高。

表2 頁巖氣井不同工況下的生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)階段工況工況性質(zhì)產(chǎn)氣量/(104 m3·d-1)產(chǎn)液量/(m3·d-1)氣液體積比井口壓力/MPa井口溫度/℃啟停開井臨時150.5300 0003520初期長期151001 5003550中期長期15207 5002035后期長期50.5100 0001025

(3) 生產(chǎn)中期工況：產(chǎn)氣量高，產(chǎn)液量、井口壓力和井口溫度均降低。

(4) 生產(chǎn)后期工況：產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量、井口壓力以及井口溫度均降低。

頁巖氣井不同生產(chǎn)階段都會排出不同含量的液態(tài)水；井口壓力高，經(jīng)過節(jié)流后可能出現(xiàn)氣流溫度低于天然氣水合物溫度的情況；與返排液一同排出的壓裂用砂作為水合物形成過程中的誘導(dǎo)晶核。由以上分析可知，頁巖氣井口及節(jié)流后氣流可能滿足水合物生成條件。

2.3 預(yù)測結(jié)果及分析

根據(jù)某頁巖氣井的氣體組分，利用穩(wěn)態(tài)模擬軟件HYSYS軟件預(yù)測出不同條件下的水合物形成溫度，其曲線圖見圖2。

如圖2所示：在水合物形成預(yù)測曲線的左上區(qū)是水合物生成區(qū)，此時需要采用有效的預(yù)防工藝；右下區(qū)是水合物非生成區(qū)，此時可以不考慮預(yù)防工藝。

通過頁巖氣實際生產(chǎn)工況劃分的對比情況可以定性得出結(jié)論：頁巖氣平臺在開發(fā)生產(chǎn)過程中，單井井口不太可能生成水合物，但節(jié)流后可能形成水合物。形成的可能性分為以下兩種情況，其水合物生成預(yù)測的具體數(shù)據(jù)分別見表3和表4。

(1) 第一種情況：井口排采(約45 天)結(jié)束后，生產(chǎn)初期的井口壓力在15 MPa 左右，井口溫度在50 ℃左右，并且長期產(chǎn)出氣田水。采用HYSYS軟件可以計算出節(jié)流后的井口溫度及水合物形成溫度。

表3 正常生產(chǎn)初期關(guān)井后重新開井時的水合物生成預(yù)測井口壓力/MPa井口溫度/℃水合物形成溫度/℃節(jié)流至7.5 MPa井口溫度/℃水合物形成溫度/℃155018.8530.1213.35255023.0510.8813.35

由表3可知，由于頁巖氣井生產(chǎn)初期的壓降較快，井場生產(chǎn)流程投產(chǎn)后，井口壓力已經(jīng)較低，根據(jù)上述計算結(jié)果可知，生產(chǎn)初期不存在水合物形成風(fēng)險。井場由排采流程切換至生產(chǎn)流程期間，考慮井口復(fù)產(chǎn)階段，關(guān)井后重新開井時的井口壓力恢復(fù)至較高水平，即復(fù)壓高達22～25 MPa，則可能會產(chǎn)生水合物，因此，復(fù)產(chǎn)期間(2～5 天)存在水合物形成風(fēng)險。

表4 不同氣水比條件下水合物形成的可能性預(yù)測產(chǎn)氣量/(104 m3·d-1)井口流動壓力/MPa井口流動溫度/℃產(chǎn)水量/(m3·d-1)氣水比節(jié)流至20 MPa的氣流溫度/℃20 MPa水合物形成溫度/℃是否形成水合物1535351015 00012.8521.35是153535503 00024.9521.35否1535351001 50028.2221.35否15353520075032.3521.35否

(2) 第二種情況：頁巖氣井生產(chǎn)初期的井口壓力為35 MPa，井口溫度為35 ℃(極端工況)，通過一級節(jié)流閥降壓至20 MPa左右，由于頁巖氣初期產(chǎn)水量大，節(jié)流溫差不大，大多數(shù)工況下不會形成水合物。但是，當(dāng)頁巖氣井產(chǎn)水量較小、氣水比較大時，節(jié)流至20 MPa時的氣流溫度會低于水合物形成溫度，此時水合物形成的風(fēng)險較大。

由表4可知，在一定產(chǎn)氣量、井口流動壓力和溫度條件下，當(dāng)產(chǎn)水量越小(氣水比越大)時，溫降越大，節(jié)流至20 MPa的氣流溫度越低，此時水合物形成的可能性越大，當(dāng)?shù)陀谒衔镄纬蓽囟葧r，則會形成水合物，反之亦然。

3 水合物預(yù)防工藝適應(yīng)性分析

3.1 加注熱力學(xué)抑制劑

3.1.1原理和特點

加注熱力學(xué)抑制劑通常適用于產(chǎn)水量少、加熱負荷量難以滿足生產(chǎn)要求的情況。目前，使用最廣泛的熱力學(xué)抑制劑是乙二醇，它通過改變水合物相的化學(xué)位來降低天然氣的水露點。但是，注醇工藝需要經(jīng)常在井口加注醇類抑制劑，其耗用量往往較大；并且需要建設(shè)地面保溫設(shè)施和回收裝置，投資成本較高。

3.1.2加注量計算

由水合物形成預(yù)測結(jié)果可知，頁巖氣井在生產(chǎn)初期一般不會產(chǎn)生水合物，主要在關(guān)井后復(fù)產(chǎn)時，井口壓力高，此時容易產(chǎn)生水合物。因此，可采用注醇撬預(yù)防水合物。

根據(jù)公式(1)，可以計算出單位時間內(nèi)乙二醇的總注入量：

Ge=10-6qvG[(W1-W2)+Wf]

(1)

式中：Ge為乙二醇總注入量，kg/d；qv為天然氣流量，m3/d；G為乙二醇注入率，無量綱，可查乙二醇注入速度與質(zhì)量濃度關(guān)系圖得到；W1、W2為天然氣膨脹前后溫度和壓力條件下的飽和水質(zhì)量濃度，mg/m3；Wf為天然氣中游離質(zhì)量濃度水，mg/m3(按正式生產(chǎn)后15 m3/d 計算，即為100 mg/m3)。

天然氣流量為15×104m3/d，乙二醇注入率為0.9，天然氣節(jié)流膨脹前的溫度為35 ℃，天然氣節(jié)流膨脹后的溫度為12.85 ℃，天然氣節(jié)流膨脹前的壓力為35 MPa，天然氣節(jié)流膨脹后的壓力為20 MPa。通過查乙二醇注入速度與質(zhì)量濃度關(guān)系圖、不同溫度和壓力條件下的飽和水質(zhì)量濃度對應(yīng)圖可知，天然氣節(jié)流膨脹前后的飽和水質(zhì)量濃度之差為233 mg/m3。并將上述已知數(shù)據(jù)代入式(1)中計算可知，單井井口水合物抑制劑(乙二醇)的加注量約為45 kg/d。

3.1.3工藝效果評價

在啟開井工況或極端工況下井口容易形成水合物，可采用移動式乙二醇加注撬在井口臨時加注乙二醇抑制劑的方式來進行預(yù)防。其中，加注量約為45 kg/d。啟開井工況下采用注醇工藝后的計算結(jié)果見表5。頁巖氣井不同氣水比下，采用注醇工藝后的計算結(jié)果見表6。

表5 啟開井工況下采用注醇工藝后的計算結(jié)果產(chǎn)氣量/(104 m3·d-1)產(chǎn)液量/(m3·d-1)井口壓力/MPa井口溫度/℃一級節(jié)流后二級節(jié)流后壓力/MPa溫度/℃水合物形成溫度/℃壓力/MPa溫度/℃水合物形成溫度/℃15535501511.5-38.85.0-12.5-38.6

表6 頁巖氣井不同氣水比下采用注醇工藝后的計算結(jié)果產(chǎn)氣量/(104 m3·d-1)井口流動壓力/MPa井口流動溫度/℃產(chǎn)水量/(m3·d-1)氣水比節(jié)流至20 MPa的運行溫度/℃20 MPa條件下注醇后水合物形成溫度/℃是否形成水合物1535351015 00012.858.5否153535503 00024.958.5否1535351001 50028.228.5否15353520075032.358.5否

由表5可知，當(dāng)頁巖氣井處于啟開井工況時，并在一定產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量、井口壓力和溫度條件下，采用加注量45 kg/d、連續(xù)性泵注的方式，一級節(jié)流后的流體溫度遠遠高于水合物形成溫度，并且二級節(jié)流后的流體溫度也高于其水合物形成溫度。

由表6可知：在頁巖氣井生產(chǎn)初期的不同氣水比條件下，如果不采用注醇工藝，水合物形成溫度為15.6 ℃；如果采用加注量45 kg/d、連續(xù)性泵注的方式，水合物形成溫度為8.5 ℃。因此，注醇工藝可以大大降低水合物的形成溫度，有效控制水合物形成風(fēng)險。當(dāng)注醇撬不能滿足處理負荷量要求時，可使用閑置的水套加熱爐撬。

3.2 加熱工藝

3.2.1原理和特點介紹

水套加熱爐煙火管內(nèi)天然氣燃燒產(chǎn)生熱量，加熱殼體內(nèi)的水，再利用水溫加熱天然氣盤管內(nèi)的天然氣。在天然氣流動壓力和水含量不變的情況下，加熱后的天然氣中的水含量將處于不飽和狀態(tài)，即天然氣溫度高于其露點溫度。水套加熱爐適用于產(chǎn)氣量小、產(chǎn)水量多、熱負荷波動大的場合，是目前我國廣泛應(yīng)用于頁巖氣井口加熱和管線加熱輸送的加熱設(shè)備。

3.2.2熱負荷計算

根據(jù)水合物形成模擬計算結(jié)果，需在叢式井場設(shè)置水套加熱爐，以防止水合物的形成，考慮到叢式井場的多樣性，選取典型的6口井叢式井場進行計算，根據(jù)兩個水套加熱爐撬的設(shè)計規(guī)模，并基于氣井原料氣組分、物性參數(shù)以及表7中水套加熱爐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用HYSYS軟件進行模擬計算得到的結(jié)果見表8。

表7 水套加熱爐設(shè)計與運行參數(shù)選取情況序號水套爐設(shè)計規(guī)模/(104 m3·d-1)水套爐進口壓力/MPa水套爐進口溫度/℃水套爐出口壓力/MPa水套爐出口溫度/℃15030268.02522030268.025

表8 水套加熱爐功率及其等級計算結(jié)果序號計算功率/kW水套爐選取壓力等級/MPa水套爐選取功率等級/kW1423.2325002162.832260

長寧區(qū)塊頁巖氣井站設(shè)置有水套加熱爐，以便在節(jié)流降壓過程中為井口處的天然氣進行加熱。水套加熱爐配置有1臺天然氣燃燒器，正壓燃燒。基于水套加熱爐的運行工況，可確定計算功率。當(dāng)水套加熱爐撬的設(shè)計規(guī)模分別為50×104m3/d、20×104m3/d時，所選取的功率等級分別為500 kW、260 kW。

3.2.3工藝效果評價

在啟停開井工況和不同氣水比條件下采用水套加熱爐加熱工藝，其水合物生成情況分別見表9和表10。

表9 啟停開井工況下采用加熱工藝后的計算結(jié)果一級節(jié)流前一級節(jié)流后二級節(jié)流前二級節(jié)流后壓力/MPa溫度/℃壓力/MPa溫度/℃水合物形成溫度/℃溫度/℃壓力/MPa溫度/℃水合物形成溫度/℃35501528.517.8555.516.57.5

由表9可知：如果采用水套加熱爐進行加熱，在一級節(jié)流前將氣流溫度升高至50 ℃，通過一級節(jié)流后的氣流溫度為28.5 ℃，其高于此時的水合物形成溫度17.8 ℃；在二級節(jié)流前將氣流溫度從28.5 ℃升高至55 ℃，通過二級節(jié)流后的氣流溫度為16.5 ℃，其高于此時的水合物形成溫度7.5 ℃。因此，水套加熱爐在啟停開井工況下能較好地適應(yīng)現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

表10 頁巖氣井不同水氣比下采用加熱工藝后的計算結(jié)果產(chǎn)氣量/(104 m3·d-1)井口流動壓力/MPa加熱后的井口流動溫度/℃產(chǎn)水量/(m3·d-1)氣水比節(jié)流至20 MPa的氣流溫度/℃20 MPa水合物形成溫度/℃是否形成水合物1535501015 00022.8521.35否153550503 00028.9521.35否1535501001 50032.2221.35否15355020075035.3521.35否

由表10可知，在頁巖氣井生產(chǎn)初期的不同氣水比條件下，采用加熱工藝后井口流動溫度從30 ℃提高至50 ℃，節(jié)流至20 MPa時的流動溫度都高于此時的水合物形成溫度。因此，在不同氣水比條件下都不會形成水合物。

3.3 工藝方式優(yōu)選

將頁巖氣井水合物預(yù)防的兩種常見方法進行經(jīng)濟性對比，其結(jié)果見表11。

表11 頁巖氣井注醇工藝和加熱工藝經(jīng)濟性對比項目單價/元注醇工藝加熱工藝年消耗量費用/萬元年消耗量費用/萬元電/(kW·h)0.989221 72521.94156 25015.46天然氣/m3①0.49408 54020.02乙二醇/t7 5003526.25修理費6.3210.76年運行成本54.5146.24 注:①此處在0 ℃、101.325 kPa條件下。

采用井口注醇工藝，井口設(shè)備較簡單，但是電耗量相對方法二更高，乙二醇耗用量較高；采用井口加熱工藝，生產(chǎn)運行平穩(wěn)可靠，氣田現(xiàn)場應(yīng)用廣泛，但是天然氣耗用量相對注醇工藝更高，運行成本較高。結(jié)果表明，加熱工藝的總投資成本雖略高于注醇工藝，但其處理量范圍較大，預(yù)防效果較顯著。

4 結(jié)論

(1) 井場由排采流程切換至生產(chǎn)流程期間，水合物形成風(fēng)險較高；在正常生產(chǎn)前、中期，一般不會形成水合物，但是在氣水比較大和節(jié)流后條件下，水合物形成風(fēng)險大大提高；在正常生產(chǎn)后期，一般不會生成水合物，只是在冬季低溫條件下有可能生成水合物。

(2) 在正常生產(chǎn)初期，可考慮水套加熱爐和移動注醇撬進行搭配使用，保證在冬季環(huán)境溫度較低的條件下有效預(yù)防水合物；在頁巖氣井開始投產(chǎn)時，采用撬裝式移動注醇設(shè)備注入水合物抑制劑。但是，當(dāng)頁巖氣井口壓力過高時，井口加注泵及配套閥件選型較為困難。