衣華磊 周曉紅 朱海山 郝 蘊(yùn) 陳宏舉 黃 喆

（中海油研究總院）

深水氣田水下井口開(kāi)發(fā)水合物抑制研究

衣華磊 周曉紅 朱海山 郝 蘊(yùn) 陳宏舉 黃 喆

（中海油研究總院）

采用水下井口方式開(kāi)發(fā)的深水氣田井底壓力高、海水溫度低，極易發(fā)生水合物堵塞事故，從而嚴(yán)重影響水下設(shè)施的運(yùn)行安全。以擬開(kāi)發(fā)的PY35－1氣田為例，采用OLGA軟件作為計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)對(duì)水下井口及海底管線輸送流體進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬分析，開(kāi)展了開(kāi)井時(shí)生產(chǎn)水量對(duì)水合物抑制的影響研究與海底管線抑制劑注入量模擬計(jì)算，并提出了水合物堵塞工況下水下泄壓解堵措施。

深水氣田 水下井口開(kāi)發(fā) 水合物抑制 解堵措施

對(duì)于采用水下井口方式開(kāi)發(fā)的海上深水氣田，由于井底壓力高，水下井口處海水溫度低，很容易生成水合物［1－3］，一旦發(fā)生水合物堵塞，將嚴(yán)重影響水下設(shè)施運(yùn)行安全，尤其是開(kāi)井操作引起的流體溫降，極易產(chǎn)生水合物，而發(fā)生堵塞事故，因此，必須要考慮到水下井口作業(yè)的復(fù)雜性，對(duì)水合物抑制進(jìn)行重點(diǎn)研究。本文以擬開(kāi)發(fā)的PY35－1氣田為例，進(jìn)行了水下抑制劑及其注入點(diǎn)的選擇，采用OLGA軟件作為計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)對(duì)水下井口及海底管線流體進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬分析，開(kāi)展了開(kāi)井時(shí)生產(chǎn)水量對(duì)水合物抑制的影響研究及海底管線抑制劑注入量模擬計(jì)算，并提出了水合物堵塞工況下水下泄壓解堵措施，以期對(duì)類似氣田開(kāi)發(fā)特別是深水氣田水下井口方式開(kāi)發(fā)的水合物抑制提供參考。

1 水合物抑制劑及其注入點(diǎn)的選擇

臨時(shí)注入，故選擇價(jià)格相對(duì)便宜的甲醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%）作為水合物抑制劑，從而降低費(fèi)用；而節(jié)流閥下游壓力低，需要長(zhǎng)期連續(xù)注入水合物抑制，而由于甲醇屬于有毒易揮發(fā)液體，不易在平臺(tái)大量?jī)?chǔ)存，故選擇可再生的貧乙二醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%）作為水合物抑制劑，從而達(dá)到費(fèi)用和空間的最優(yōu)化。PY35－1氣田水下井口處甲醇和貧乙二醇注入點(diǎn)如圖1所示。

圖1 PY35－1氣田水下井口處甲醇和貧乙二醇注入點(diǎn)示意圖

PY35－1氣田位于中國(guó)南海，計(jì)劃于2013年采用水下井口方式開(kāi)發(fā)，所產(chǎn)出的油氣水混合物通過(guò)海底管線輸送到PY34－1CEP平臺(tái)上。該氣田單井節(jié)流后最低溫度為－40℃，開(kāi)井時(shí)容易在節(jié)流閥下游生成水合物，因此需要在單井節(jié)流閥前臨時(shí)注入水合物抑制劑；同時(shí)，該氣田水下井口至PY34－1CEP的海底管線輸送流體壓力高（27 MPa），海水溫度低（16℃），流體在輸送過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生水合物，因此需要在節(jié)流閥下游連續(xù)向海管注入水合物抑制劑。由于節(jié)流閥上游壓力高，且水合物抑制劑是

2 開(kāi)井時(shí)生產(chǎn)水量對(duì)水合物抑制的影響研究

開(kāi)井時(shí)選擇在節(jié)流閥上游臨時(shí)注入甲醇，由設(shè)在PY34－1CEP平臺(tái)上的甲醇注入設(shè)施通過(guò)臍帶纜中的25．4 mm管線注入，根據(jù)最大關(guān)井壓力（27 MPa A）確定的甲醇最小注入量為1 m3／h。分析認(rèn)為，在井口壓力一定的條件下，氣田開(kāi)發(fā)時(shí)產(chǎn)生的生產(chǎn)水量及溫度變化是影響水合物生成的主要因素，因此對(duì)于開(kāi)井時(shí)產(chǎn)出大量生產(chǎn)水工況必須進(jìn)行研究，以保證有足夠的甲醇抑制劑注入。

圖2給出了PY35－1氣田開(kāi)井時(shí)瞬態(tài)流動(dòng)條件下節(jié)流閥下游溫度與生產(chǎn)水量的關(guān)系曲線，可以看出，該氣田開(kāi)井后大約20 min開(kāi)始出現(xiàn)液體，而此時(shí)節(jié)流閥下游管段和海底管線已經(jīng)開(kāi)始升溫，節(jié)流閥下游溫度大約為1℃，海底管線溫度大約為12℃。

圖2 PY35－1氣田開(kāi)井時(shí)瞬態(tài)流動(dòng)條件下節(jié)流閥下游溫度與生產(chǎn)水量關(guān)系曲線

圖3給出了PY35－1氣田開(kāi)井工況下抑制水合物需要達(dá)到的甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線以及按照1 m3／h的甲醇注入量實(shí)際達(dá)到的甲醇最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線，可以看出，該氣田在開(kāi)井的前20 min內(nèi)（也就是大量生產(chǎn)水出現(xiàn)前）甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)際達(dá)到了100%，滿足需要的甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求；出現(xiàn)生產(chǎn)水后，甲醇被稀釋，但此時(shí)溫度已經(jīng)開(kāi)始上升，實(shí)際甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖有降低，但仍高于需要的甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)高溫生產(chǎn)水也加速了井口的升溫。

圖3 開(kāi)井工況下需要達(dá)到的甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)與實(shí)際達(dá)到的甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

基于以上分析可以得出，按照開(kāi)井工況下最大生產(chǎn)水量為150 m3／d1），最小甲醇注入量為1 m3／h足以抑制PY35－1氣田水下井口開(kāi)發(fā)水合物生成。

3 海底管線貧乙二醇注入量模擬計(jì)算

海底管線產(chǎn)生水合物最大的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自正常工況關(guān)斷后，海底管線冷卻到周圍海水溫度導(dǎo)致水合物生成，因此需對(duì)海水溫度下海底管線中所需最小富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究，以確定貧乙二醇的注入量滿足水合物抑制要求。海水溫度取整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的最低海水溫度（PY35－1氣田在最大水深201．5 m處的海水溫度為16℃），在此基礎(chǔ)上考慮2℃溫差余量以確保水合物得到抑制。為了全面顯示整個(gè)生產(chǎn)期所需最小富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，運(yùn)用OLGA軟件對(duì)不同富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的輸送流體進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算。

（1）水合物形成溫度

對(duì)不同富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的輸送流體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，得到水合物形成溫度曲線（圖4）。從圖4可以看出，PY35－1節(jié)流后最大壓力23．4 MPa A下水合物形成溫度為21．5℃，該條件下抑制水合物生成的過(guò)冷度為7．5℃，此時(shí)富乙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26．5%。

圖4 不同富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)PY35－1井水合物形成溫度預(yù)測(cè)曲線

（2）最小富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)

根據(jù)圖4，可得到PY35－1氣田整個(gè)生產(chǎn)期井口節(jié)流后壓力與最低海水溫度條件下的富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線（圖5），各生產(chǎn)階段對(duì)應(yīng)的抑制水合物的最小富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26．5%（生產(chǎn)早期）、22．0%（生產(chǎn)中期）、14．5%（生產(chǎn)晚期）。

圖5 PY35－1氣田整個(gè)生產(chǎn)期井口節(jié)流后壓力與最低海水溫度條件下的富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)

（3）貧乙二醇注入量

根據(jù)公式（1）［4］，把圖5中各階段所需最小富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為體積分?jǐn)?shù)

式（1）中：CMEG為貧乙二醇體積分?jǐn)?shù)，m3／m3；X為富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ρH2O為水的密度，取103kg／m3；ρMEG為16℃時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的貧乙二醇密度，取1 100 kg／m3。

PY35－1氣田整個(gè)生產(chǎn)期所需的貧乙二醇體積分?jǐn)?shù)及注入量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)不同富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的輸送流體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，可以快速得到整個(gè)生產(chǎn)期最小富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而計(jì)算出所需的最大貧乙二醇注入量。從表1可以看出，PY35－1氣田在整個(gè)生產(chǎn)期中最大貧乙二醇注入量為2．91 m3／h。

表1 PY35－1氣田整個(gè)生產(chǎn)期所需的貧乙二醇體積分?jǐn)?shù)及注入量計(jì)算結(jié)果

4 水合物堵塞工況解堵措施研究

一旦在水下發(fā)生了水合物堵塞將嚴(yán)重影響水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要立即采取解堵措施。與平臺(tái)上的現(xiàn)場(chǎng)解堵操作相比，水下生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)解堵復(fù)雜且不易操作。因此，需要對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行壓力泄放研究（即在水合物上游和下游同時(shí)泄放氣體）。水合物上游管線壓力通過(guò)預(yù)留在臍帶纜中的25．4 mm管線泄放，水合物下游管線的壓力通過(guò)設(shè)在PY34－1 CEP平臺(tái)上的泄放閥泄放，泄放終壓是水合物融解壓力7 MPa A（環(huán)境溫度16℃）。

圖6是PY35－1氣田在井口跨接管處產(chǎn)生水合物時(shí)臍帶纜中25．4 mm泄放管線的泄放曲線。根據(jù)圖6，若井口附近發(fā)生水合物堵塞，通過(guò)臍帶纜中的25．4 mm管線可以迅速進(jìn)行壓力泄放，壓力泄放到7 MPa A只需要0．75 h，且泄放氣體量很小。

圖6 PY35－1氣田井口跨接管處產(chǎn)生水合物時(shí)臍帶纜中25．4 mm泄放管線的泄放曲線

隨著堵塞位置向平臺(tái)靠近，通過(guò)臍帶纜中25．4 mm管線進(jìn)行壓力泄放所需時(shí)間大幅增長(zhǎng)。圖7為PY34－1 CEP立管底部產(chǎn)生水合物時(shí)臍帶纜中25．4 mm泄放管線的泄放曲線，該工況為泄放時(shí)間最長(zhǎng)工況。模擬泄放時(shí)間設(shè)定為50 h，該時(shí)間內(nèi)壓力只泄放到了12．5 MPaA；繼續(xù)進(jìn)行壓力泄放到7 MPa A，所需的泄放時(shí)間可能要超過(guò)1周，顯然不能用于實(shí)際操作。

圖7 PY34－1CEP平臺(tái)立管底部發(fā)生水合物堵塞時(shí)臍帶纜中25．4 mm泄放管線的泄放曲線

通過(guò)以上分析可以看出，當(dāng)水合物堵塞發(fā)生在靠近水下井口處時(shí)，通過(guò)臍帶纜中25．4 mm管線泄壓解堵易于操作；而當(dāng)水合物堵塞發(fā)生在靠近平臺(tái)處時(shí)，將導(dǎo)致大量的氣體泄放，并且在可操作時(shí)間內(nèi)通過(guò)25．4 mm管線很難泄放到融解壓力。鑒于這種情況，當(dāng)水合物堵塞發(fā)生在靠近平臺(tái)處時(shí)，可以安裝一根臨時(shí)管線泄放氣體到供應(yīng)船的容器里，因此需要在井口預(yù)留一個(gè)接口用來(lái)連接管線到臨時(shí)供應(yīng)船容器。

5 結(jié)論

（1）深水氣田水下井口開(kāi)發(fā)開(kāi)井操作時(shí)需在節(jié)流閥前臨時(shí)注入甲醇，生產(chǎn)過(guò)程中需在節(jié)流閥后連續(xù)注入貧乙二醇，可實(shí)現(xiàn)費(fèi)用和儲(chǔ)存空間的最優(yōu)化。

（2）生產(chǎn)水量是影響開(kāi)井時(shí)井口水合物抑制的重要因素，通過(guò)進(jìn)行開(kāi)井時(shí)生產(chǎn)水量的瞬態(tài)模擬分析確定甲醇注入量，能夠保證節(jié)流閥后水合物的有效抑制。

（3）通過(guò)對(duì)不同富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的輸送流體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，可以快速得到整個(gè)生產(chǎn)期最小富乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而計(jì)算出所需的最大貧乙二醇注入量，保證關(guān)井后海底管線水合物的有效抑制。

（4）當(dāng)水合物堵塞發(fā)生在靠近水下井口處時(shí)，通過(guò)臍帶纜中預(yù)留的25．4 mm管線和平臺(tái)上的海底管線泄壓裝置泄壓解堵非常易于操作；而當(dāng)水合物堵塞發(fā)生在靠近平臺(tái)處時(shí)，可以安裝一根臨時(shí)管線泄放氣體到供應(yīng)船的容器里進(jìn)行泄壓解堵。

［1］ 周曉紅，郝蘊(yùn)，衣華磊．荔灣3－1深水氣田開(kāi)發(fā)中心平臺(tái)工藝設(shè)計(jì)若干問(wèn)題研究［J］．中國(guó)海上油氣，2011，23（5）：340－343．

［2］ 楊少坤，代一丁，呂音，等．南海深水天然氣測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)［J］．中國(guó)海上油氣，2009，21（4）：237－241．

［3］ 范學(xué)平，段天須．尼日利亞A深海油田投產(chǎn)面臨問(wèn)題及其應(yīng)對(duì)措施研究［J］．中國(guó)海上油氣，2009，21（4）：284－288．

［4］ BARRAU B．Profile indicator helps predict pipeline holdup，slugging［J］．Oil＆Gas Journal，2000：58－62．

（編輯：夏立軍）

Research on hydrate inhibition in deep water gas field development by subsea wellheads

Yi Hualei Zhou Xiaohong Zhu Haishan Hao Yun Chen Hongju Huang Zhe
（CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

For the deep water gas field developed by subsea wellheads，considering the high gas well pressure and low subsea water temperature，hydrate is easy to form and then seriously influence the normal operation of subsea production system．For developing PY35－1 gas field，OLGA software is adopted to perform the transient and steady flow analyses for the fluid transported in well head and pipeline，through which the study is conducted on the influence of production water flow rate on hydrate inhibition under well opening case，the simulation calculation is performed for inhibitor injecting rate in subsea pipeline，and the subsea pressure relieving measure is given for removing hydrate block．

deep water gas field；subsea wellhead development；hydrate inhibition；break down measure

衣華磊，男，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海上平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究工作。地址：北京市東城區(qū)東直門(mén)外小街6號(hào)海油大廈（郵編：100027）。E－mail：yihualei＠sina．com。

1）中海油研究總院．PY34－1／35－2／35－1氣田總體開(kāi)發(fā)方案．2010．

2011－09－20 改回日期：2011－11－01