深水气井井下节流工况井筒水合物生成风险分析与预防.pdf

收稿日期:2 0 2 3-0 1-2 9;修回日期:2 0 2 3-1 2-2 2基金项目:中国石油化工股份有限公司技术开发项目(3 2 0 0 7 5;P 2 1 0 2 3)。作者简介:刘文远(1 9 9 3),男,博士,工程师,研究方向为油气地面工程、水处理、流动保障等,E-m a i l:w e n y u a n_l i u 1 2 6.c o m。第3 2卷 第1期2 0 2 4年3月北京石油化工学院学报J o u r n a l o f B e i j i n g I n s t i t u t e o f P e t r o c h e m i c a l T e c h n o l o g yV o l.3 2 N o.1M a r.2 0 2 4文章编号:1 0 0 8-2 5 6 5(2 0 2 4)0 1-0 0 2 5-0 6深水气井井下节流工况井筒水合物生成风险分析与预防刘文远,刘德生,毕彩霞,吴仕强,胡长朝,王莉莉(中国石化石油勘探开发研究院,北京 1 0 2 2 0 0)摘要:水合物流动障碍的形成已经成为深水气井测试和生产过程最为严峻的流动保障问题之一,在分析了深水气井井筒外部环境温度分布的基础上,针对井下节流工况,探究了井下节流对井筒中水合物生成区域分布的影响。结果表明:深水井筒外部环境温度由地面至储层呈现先减小后增大的趋势,泥线处水温为沿程温度的最低点;海水上部2 0 0m以内的混合层和温跃层海水水温受表层温度和季节的影响很大,恒温层海水温度低、变化小;由泥线至储层近似呈线性增大,达储层后温度到达最高值;测试气量增加,井筒流温曲线右移,由于高产气量下携热量升高,受外界低温环境影响更小,温度曲线更加平缓;节流后的水合物生成区域和过冷度分布由受J o u l e-T h o m s o n效应影响的流体流温和水合物相平衡温度的下降幅度决定;低深度节流往往导致流体温降大于水合物相平衡温降,促使水合物生成区域扩大和过冷度升高,加剧水合物堵塞风险;合理的高深度节流能有效避开水合物生成条件,起到水合物预防的作用。关键词:深水气井;测试与生产;井下节流;液气比;水合物中图分类号:T E 3 7文献标志码:AD O I:1 0.1 9 7 7 0/j.c n k i.i s s n.1 0 0 8-2 5 6 5.2 0 2 4.0 1.0 0 6开放科学(资源服务)标识码:R i s k A n a l y s i s a n d P r e v e n t i o n o f H y d r a t e F o r m a t i o n i n D e e p w a t e r G a s W e l l s U n d e r D o w n h o l e T h r o t t l i n g C o n d i t i o n sL I U W e n y u a n,L I U D e s h e n g,B I C a i x a i,WU S h i q i a n g,HU C h a n g c h a o,WANG L i l i(P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d P r o d u c t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e,S I NO P E C,B e i j i n g 1 0 2 2 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e f o r m a t i o n o f h y d r a t e f l o w b a r r i e r s h a s b e c o m e o n e o f t h e m o s t s e v e r e f l o w a s s u r-a n c e i s s u e s i n d e e p w a t e r g a s w e l l t e s t i n g a n d p r o d u c t i o n p r o c e s s e s.O n t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e e x t e r n a l e n v i r o n m e n t o f d e e p-w a t e r g a s w e l l s,t h i s s t u d y e x p l o r e s t h e i n f l u e n c e o f d o w n h o l e t h r o t t l i n g o n t h e d i s t r i b u t i o n o f h y d r a t e g e n e r a t i o n a r e a s i n t h e w e l l-b o r e u n d e r d o w n h o l e t h r o t t l i n g c o n d i t i o n s.A c c o r d i n g t o t h e r e s e a r c h r e s u l t s:T h e e x t e r n a l e n v i-r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e o f t h e d e e p-w a t e r w e l l b o r e s h o w s a t r e n d o f f i r s t d e c r e a s i n g a n d t h e n i n-c r e a s i n g f r o m t h e s u r f a c e t o t h e r e s e r v o i r,a n d t h e w a t e r t e m p e r a t u r e a t t h e m u d l i n e i s t h e l o w-e s t p o i n t a l o n g t h e w a y;T h e w a t e r t e m p e r a t u r e i n t h e m i x e d l a y e r a n d t h e r m o c l i n e l a y e r w i t h i n 2 0 0m o f t h e u p p e r p a r t o f s e a w a t e r i s g r e a t l y i n f l u e n c e d b y s u r f a c e t e m p e r a t u r e a n d s e a s o n,w h i l e t h e t e m p e r a t u r e i n t h e c o n s t a n t t e m p e r a t u r e l a y e r i s l o w a n d h a s l i t t l e v a r i a t i o n;T h e t e m-p e r a t u r e i n c r e a s e s a p p r o x i m a t e l y l i n e a r l y f r o m t h e m u d l i n e t o t h e r e s e r v o i r,r e a c h i n g t h e h i g h e s t v a l u e a f t e r r e a c h i n g t h e r e s e r v o i r;A s t h e t e s t i n g g a s v o l u m e i n c r e a s e s,t h e w e l l b o r e f l o w t e m p e r-a t u r e c u r v e s h i f t s t o t h e r i g h t.D u e t o t h e i n c r e a s e i n h e a t c a r r y i n g c a p a c i t y u n d e r h i g h g a s p r o-d u c t i o n,i t i s l e s s a f f e c t e d b y t h e e x t e r n a l l o w-t e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t a n d t h e t e m p e r a t u r e c u r v e b e c o m e s s m o o t h e r;T h e r e g i o n o f h y d r a t e f o r m a t i o n a n d s u b c o o l i n g d i s t r i b u t i o n a f t e r t h r o t-t l i n g a r e d e t e r m i n e d b y t h e d e c r e a s e i n f l u i d f l o w t e m p e r a t u r e a n d h y d r a t e p h a s e e q u i l i b r i u m t e m-p e r a t u r e a f f e c t e d b y t h e J o u l e T h o m s o n e f f e c t;L o w d e p t h t h r o t t l i n g o f t e n l e a d s t o a t e m p e r a t u r e d r o p o f t h e f l u i d g r e a t e r t h a n t h e e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e d r o p o f t h e h y d r a t e p h a s e,p r o m o t i n g t h e e x p a n s i o n o f t h e h y d r a t e g e n e r a t i o n a r e a a n d a n i n c r e a s e i n u n d e r c o o l i n g,e x a c e r b a t i n g t h e r i s k o f h y d r a t e b l o c k a g e;R e a s o n a b l e h i g h d e p t h t h r o t t l i n g c a n e f f e c t i v e l y a v o i d t h e c o n d i t i o n s f o r h y d r a t e f o r m a t i o n a n d p l a y a r o l e i n h y d r a t e p r e v e n t i o n.K e y w o r d s:d e e p w a t e r g a s w e l l;t e s t i n g a n d p r o d u c t i o n;d o w n h o l e t h r o t t l i n g;l i q u i d g a s r a t i o;h y-d r a t e 在陆上及浅水油气资源日趋减少的情况下,走向海洋、深水已经成为石油工业发展的必然1-3。我国海域辽阔,深水海域已成为我国油气勘探开发的重要接替区,以南海为例,整个南海盆地群的石油地质储量约为2 3 01 083 0 01 08t,天然气地质储量约为1 61 01 2m3,约占我国油气资源总量的1/3,其中半数以上存在于深水(水深超过3 0 0m)区域。但是,我国目前对于深水海域的油气勘探开发技术尚不成熟,仍依赖于国外先进技术,为减少深水资源开发过程中风险事故的发生,打破国外石油企业对我国的技术垄断,实现深水油气资源安全、高效、经济的自主开发至关重要4-6。井筒流动安全保障技术的发展影响着深水气藏开发的安全、高效和经济性,是目前广泛关注的热点问题。目前,水合物流动障碍的形成已经成为深水气井测试与生产过程最为严峻的流动保障问题之一,并对测试与生产造成巨大影响:水合物生成与管壁沉积将缩小流体流动通道,增大井筒沿程压降,影响测试结果的准确性,使测试过程失去意义;井筒水合物清除无疑会增大成本,导致测试或生产中止及测试时间延长;在水合物沉积较快且发现较晚时,很容易出现管柱被完全堵塞的情况,此时管柱内极易形成憋压,诱发地层压漏或管柱破裂等事故,大幅增加开发成本7-1 0。2 0 0 1年,R e y n a a n d S t e w a r t1 1研究了一口深水气井在测试过程中钻遇油气储层并决定进行测试,但是测试过程中突然发现泥线以上的隔水管内的油管柱中形成了水合物堵塞,便中止了测试过程,通过诊断测试得知最初的堵塞是由于结蜡和结水合物造成的,最后经过连续油管注入乙二醇及海水而得到解决。2 0 1 1年,A r r i e t a等1 2以墨西哥一口超深水气井为案例,分析了深水气井测试过程中水合物流动障碍的形成条件、形成过程以及流动障碍预防的重要性,并在连续油管的使用、水合物抑制剂注入、清井流程等方面提出了指导建议。2 0 1 4年,周雪梅等1 3从渗流理论出发,结合深水气井测试过程中的地层渗流、井筒管流理论和井筒温度分布计算方法,将气藏-井筒耦合模型与水合物相平衡模型统一起来,分析了水合物相平衡条件的影响因素,预测了井筒内的水合物生成位置,但是无法预测水合物的生长和沉积过程。2 0 1 6年以来,王志远等1 4-1 5结合井筒温度场方程、水合物相平衡方程,提出了深水气井测试过程中井筒内的天然气水合物生成区域预测方法,并分析了测试过程中的产气量、气体组分、地温梯度、水深、抑制剂含量等参数对井筒水合物风险区域影响的敏感性,但模型仍未考虑节流工况下的水合物风险。2 0 1 8年,W a n g等1 6-1 7基于前期研究建立了井筒内的水合物沉积和堵塞预测模型,提出深水气井测试过程中井筒内壁的水合物沉积层呈现不均一的厚度,并且与自由水存在与否的测试工况相关,对井筒内最易发生水合物堵塞的位置和水合物沉积进行了预测,但仍未考虑井下节流工况。针对上述问题,笔者首先分析了深水气井井筒外部海水和储层温度分布,对气井不同测试条件下的井筒温度分布和水合物生成区域分布特征进行了研究,针对井下节流工况,分析了井下节流对井筒中水合物生成区域分布的影响,为保障深水气井测试与生产过程井筒流动安全提供理论支撑。1 水合物形成的热力学平衡条件对于一定组成天然气和水构成的混合系统,温度和压力条件将决定水合物能否形成,水合物生成62北京石油化工学院学报2 0 2 4年第3 2卷的温压条件可以反映在水合物相平衡曲线上,如图1所示。从图1中可以看出,水合物相平衡曲线是一条温度和压力同时升高的递增曲线,曲线左侧为高压低温区域,该区域内水合物可以形成并稳定存在;曲线右侧为高温低压区域,水合物将不能形成。水合物热力学平衡条件的确定对判断水合物生成与否有关键作用。图1 水合物相平衡曲线F i g.1 H y d r a t e p h a s e e q u i l i b r i u m c u r v e 水合物生成条件可通过热力学平衡模型求解得到,在水合物流动安全保障研究领域,普遍采用的天然气水合物热力学平衡模型可表示为1 8-2 0:0w(T0,p0)R T0-Te qT0h0+Ck(Te q-T0)R T2e qdTe q+pe qp0VwR Te q dpe q=l n(fw/f0w)-miuil n1-Ncji j (1)其中:l n(fw/f0w)=l nxwl n(fw/f0w)=l n(ywxw)(加醇类抑制剂时)式中:Te q为水合物生成的相态温度,K;pe q为水合物生成的相态压力,P a;0w为标准温度T0和标准压力p0下纯水和空水合物晶格中的化学势差,J/m o l;Vw为水合物与液态水或冰之间的摩尔体积差,m3/m o l;Ck为纯水与空水合物晶格的比热容差,J/(k gK);h0为纯水与空水合物晶格的比焓差,J/k g;fw为水在富水相中的逸度,P a;f0w为达相平衡状态时水的逸度,P a;ui为i型空穴与水合物相中水分子的数量比,无量纲;m为形成的水合物种类,无量纲;xw为富水相中水的摩尔浓度,无量纲;yw为富水相中水的活度系数,f;Nc为天然气中能生成水合物的组分数量,无量纲;R为通用气体常数,J/(m o lK);i j为i类空穴被j类气体分子占据的概率,无量纲。根据L a n g m u i r吸附理论,i j可表示为:i j(T,p)=Ci j(T)fj(T,p)1+NcjCi j(T)fj(T,p)(2)式中:fj为j类气体的逸度,P a;Ci j为给定温度下的L a n g m u i r常数。水合物相平衡模型可通过2种方法求解:一种是给定压力,求解水合物生成温度;另一种是给定温度,求解水合物生成压力,最终得到水合物形成的热力学平衡条件。2 节流工况下水合物风险分析深水气井井筒中由于存在各种阀门、接头等而出现节流段,现场也有部分气井试图采用井下节流的方法控制井筒内流体流温2 1-2 2,如图2所示。当流体流过此类节流段时将发生J o u l e-T h o m s o n效应,节流过程中流体压能和内能将转化为自身动能,使流体流速加快,内能的损失使得节流嘴后的流体温度出现下降,使得节流嘴后容易形成低压低温区域,对水合物流动障碍的形成造成影响。图2 流体流经节流段的状态示意图F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f f l u i d f l o w i n g t h r o u g h t h e t h r o t t l i n g s e c t i o n 2.1 节流前后的流体流动流体流经节流段时分为临界流动和亚临界流动2种状态2 3-2 5,如图3所示。从图3中可以看出,当进出口压力比k2k+1 k/k-1,流量与压力比的关系可表示为:qt h=0.4 0 8p1d2cFwrgT1Z1kk-1p2p1 2/k-p2p1 k+1/k (4)式中:qt h为通过节流段的流量,1 04m3/d;dc为节流段的直径,mm;T1为节流段入口温度,K;g为天然气的相对密度,无量纲;Fw为含水修正系数,无量纲。当达临界状态时,p2/p12k+1 k/k-1,通过节流段的流量达最大流量,可表示为:qt h=0.4 0 8p1d2cFwrgT1Z1kk-12k+1 2/k-1-2k+1 k+1/k-1 (5)当流体流经节流段时,气液流速很快且节流段往往很短,此时流体未与外界环境(油管、套管、油套环空、油管-隔水管环空、海水或地层等)进行热交换就已经通过节流段。所以,这一流动过程可看作等熵绝热膨胀过程,由热力学定律得:Qt h=(h2-h1)+12(v22-v21)+g(z2-z1)+w(6)式中:Qt h为系统与外界的热量交换,J/k g;h1、h2分别为流体在节流段入口、出口处的焓值,J/k g;v1、v2分别为流体在节流段入口、出口处的流速,m/s;z1、z2分别为节流段入口、出口处的垂直高度,m;w为流动过程中流体对外界做功,J/k g。由于节流系统中流体不对外做功且与外界的热交换可以忽略,并且节流段的垂向长度往往很小,因此式(6)可以转化为:h1+12v21=h2+12v22(7)流体的焓值是状态值,可由流体组成、压力和温度等参数计算得到,基于焓值的以上特点,节流段后的流体温度和压力可通过以下过程计算得到:根据节流前的温度T1、压力p1、流体组成,可计算得到节流前的流体焓值h1,根据节流前后焓值相等 的 原 则(h1=h2),同 时 得 到 节 流 后 的 焓值h2;已知节流段前的温度T1和压力p1,根据节流压降公式计算得到节流段后的压力p2;根据节流后的压力p2和焓值h2,通过试算法得到节流后的流体温度T2。天然气在绝热节流过程中压力降低导致气流温度降低通常发生在低压范围内2 6,对于高压和超高压条件(高于5 0MP a),同样存在节流后温度升高的可能性,如图4所示。从图4中可以看出,对于深水气井,由于储层及井筒中的压力通常达不到前述高压或超高压条件(低于5 0MP a),因此,深水气井井身节流过程中满足节流温度随压力降低而降低的规律。图4 天然气节流温度随压力的变化关系F i g.4 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n n a t u r a l g a s t h r o t t l e t e m p e r a-t u r e a n d p r e s s u r e 2.2 节流对水合物风险的影响当井筒中不存在节流段时,深水气井在不同生产气量下(恒定液气比(1 0m3/1 04m3),产气量分别为2 01 04、4 01 04、6 01 04、8 01 04、1 0 01 04m3/d)的井筒温度和水合物生成区域分布如图5所示。从图5可见,随着测试气量的增加,流体温度分布曲线逐渐向右移动,井筒内部温度逐渐升高,这是由于高产气量下井筒内流体携带的热量更高,流温受外界低温环境的影响更小,温度变化更为平缓。82北京石油化工学院学报2 0 2 4年第3 2卷图5 不同测试气量下的井筒水合物生成区域分布F i g.5 D i s t r i b u t i o n o f h y d r a t e f o r m a t i o n a r e a u n d e r d i f f e r-e n t t e s t g a s v o l u m e 当温度分布曲线与水合物相平衡曲线相交时,由交叉点产生的相平衡左侧封闭区域为水合物生成区。可见,当产气量为1 01 04m3/d时,井筒中水合物生成区域长达13 5 0m;当产气量高于3 01 04m3/d时,温度曲线和水合物相平衡曲线不再相交,水合物生成区域消失。基于节流理论,对深水气井井筒内存在节流段时的井筒温度分布及水合物生成特征进行分析,如图6和图7所示。图6 低深度节流后的流体温度及水合物生成温度分布F i g.6 D i s t r i b u t i o n o f f l u i d t e m p e r a t u r e a n d h y d r a t e f o r-m a t i o n t e m p e r a t u r e a f t e r l o w-d e p t h t h r o t t l i n g 从图6中可见,当井筒中无节流段时,管柱内流温曲线与水合物生成曲线相交,表明此时测试管柱内存在水合物生成区域,二者相交的区域即为水合物生成区域,可见区域长度为9 5 0m。而当节流段位于井深15 0 0m处时,节流段前后的流温和流压均会骤降,压力的降低将导致水合物生成温度下降,节流前后流体流温从4 1.8降至1 8.1,水合物生成温度由2 6.4降至1 9.6,流体温度下降至水合物生成温度之下,使得节流段以上的15 0 0m图7 高深度节流后的流体温度及水合物生成温度分布F i g.7 D i s t r i b u t i o n o f f l u i d t e m p e r a t u r e a n d h y d r a t e f o r-m a t i o n t e m p e r a t u r e a f t e r h i g h-d e e p t h r o t t l i n g 井段均变为水合物生成区域,显著增大了管柱内的水合物流动障碍。高深度节流时的流体流温及水合物生成温度分布如图7所示。从图7中可以看出,当节流段设在24 6 0m深度处时,节流后井筒内的水合物生成区域消失,尽管节流使流体流温发生大幅下降,但下降后的温度仍然高于下降后的沿程水合物生成温度,节流前后的流体流温从7 3.8降至4 5,水合物生成温度由2 8.7降至2 1.9,此次节流有效避开了水合物生成风险。基于上述分析发现,为防止井筒内水合物的生成,节流段出口温度必须高于水合物生成温度。因此,节流阀的下入深度需要设计合理深度,使得节流阀尾端的流体温度高于当前位置处的水合物生成温度,适当的高深度节流更有利于水合物防治,低深度节流非但不会避免水合物生成,有时会加剧水合物流动障碍和堵塞风险。3 结论(1)井深水筒外部环境温度由地面至储层呈现先减小后增大的趋势,泥线处水温为沿程温度的最低点;海水上部2 0 0m以内的混合层和温跃层海水水温受表层温度和季节的影响很大,恒温层海水温度低,变化小;由泥线至储层近似呈线性增大,达储层后温度到达最高值。(2)测试气量的增加,井筒流温曲线右移,由于高产气量下携热量升高,受外界低温环境影响更小,温度曲线更加平缓。(3)节流后的水合物生成区域和过冷度分布由受J o u l e-T h o m s o n效应影响的流体流温和水合物相平衡温度的下降幅度决定。92第1期刘文远等.深水气井井下节流工况井筒水合物生成风险分析与预防(4)低深度节流往往导致流体温降大于水合物相平衡温降,促使水合物生成区域扩大和过冷度升高,加剧水合物堵塞风险;合理的高深度节流能有效避开水合物生成条件,起到水合物预防作用。参考文献1 杨丽丽,王陆新,潘继平.全球深水油气勘探开发现状、前景及启示J.中国矿业,2 0 1 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