任冠龍，張 崇，董 釗，孟文波，吳 江

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

南海深水氣田測試過程中，海底低溫是測試作業(yè)面臨的主要問題之一。由于管柱內(nèi)流體處于低溫高壓環(huán)境，存在溫差交變大的特點，在深水氣井測試過程中，管柱內(nèi)極易生成水合物，堵塞管柱，影響測試作業(yè)[1-4]。目前，對于深水氣井測試過程中的水合物研究側(cè)重于水合物生成機理，但水合物生成后會隨氣流繼續(xù)流動，部分水合物顆粒在受到氣流湍動能等因素的作用下會發(fā)生徑向運動，并在黏附力的作用下附著在管柱壁面上，形成具有一定厚度的水合物層；而另一部分水合物顆粒則由于受到氣核的高速攜帶作用，會隨氣核一起運移較長的距離，因此，研究水合物沉積機理及其對測試作業(yè)的影響程度十分重要[5-6]。根據(jù)深水氣井測試管柱內(nèi)水合物生成及動態(tài)沉積計算模型，進行了不同工況下水合物動態(tài)沉積定量預(yù)測，并結(jié)合實驗及現(xiàn)場作業(yè)情況進行了驗證，研究結(jié)果可為其他深水氣井測試管柱內(nèi)天然氣水合物的沉積預(yù)測及防治提供借鑒。

1 水合物生成風險區(qū)域預(yù)測

常規(guī)深水氣井測試過程中，溫度場呈現(xiàn)三段式特點：①從井底到海床位置，井筒溫度場隨地層溫度的降低緩慢下降；②由于深水海床溫度低，海水溫度場擾動影響嚴重，隔水管與油管間的測試液隔熱性能差，熱量散失快，導致井筒溫度在泥線附近位置出現(xiàn)快速下降；③海床至井口位置長達1 000 m以上的海水段會對油氣進行緩慢升溫，且井口溫度不會隨著測試產(chǎn)量變化有較大的提升[7-10]。

將水合物相態(tài)曲線與不同測試產(chǎn)量下的井筒溫度場相結(jié)合，將水合物相平衡時的溫度-壓力點轉(zhuǎn)換至井筒條件下的溫度-深度點，將井筒內(nèi)的溫度-井深曲線和水合物相態(tài)曲線進行對比，可以得到井筒內(nèi)的水合物生成區(qū)域[11-13]，當水合物相態(tài)曲線在井筒溫度曲線右側(cè)時，兩曲線所包圍的區(qū)域即為水合物的生成區(qū)域(圖1)。該區(qū)域在縱向上長度越大，則水合物的生成區(qū)域越大；若在橫向上寬度越大，則水合物的生成過冷度越大，水合物更容易生成，且水合物生成速率越快。

圖1 深水氣井管柱內(nèi)水合物生成風險預(yù)測示意圖

2 水合物生成及動態(tài)沉積計算模型

2.1 水合物生成計算模型

2.1.1 環(huán)霧流條件下水合物生成計算模型

水合物的生成速率受多種因素的影響，深水井筒多相流動及傳熱特征復(fù)雜，水合物生成速率的確定需與井筒多相流動規(guī)律密切結(jié)合[14-15]。深水氣井測試過程中，管柱內(nèi)是以氣相為主的系統(tǒng)，井筒中呈現(xiàn)的流型為環(huán)霧流流型，氣相在井筒中心形成高速流動的氣體核心，液相有一部分沿管柱內(nèi)壁形成環(huán)狀液體薄膜，另一部分液相則以分散液滴的形式分散在氣體核心中(圖2)。

圖2 氣井管柱內(nèi)環(huán)霧流示意圖

根據(jù)Di Lorenzo等[16]開展的環(huán)霧流條件下的環(huán)路實驗研究結(jié)果，構(gòu)建如下水合物生成速率計算公式：

(1)

式中：rhf為水合物生成速率，kg/(m2·s)；ΔTsub為過冷度，K；Tf為流體溫度，K；As為氣液接觸面積，m2；μ為液相的黏度，Pa·s；k1、k2為本征動力學參數(shù)，通過水合物生成實驗數(shù)據(jù)回歸得到，在該實驗中忽略了傳質(zhì)和傳熱作用對水合物生成的約束，k1=2.608×1016kg/(m2·K·s)，k2=-13 600 K。

氣液接觸面積是影響水合物生成速率的一個決定因素。管內(nèi)壁上液膜的表面積主要受管內(nèi)徑和液膜厚度影響，而管內(nèi)徑則隨管內(nèi)壁上的水合物層的生長一直變化。在管內(nèi)徑較大時，液膜厚度對計算的液膜表面積的影響可以忽略，但當管內(nèi)徑較小時，該值的忽略可能會產(chǎn)生較大的誤差。

液滴和氣體的接觸面積與液滴數(shù)量(含量)及液滴粒徑相關(guān)，液滴數(shù)量可以通過液滴夾帶率計算得到。液滴夾帶率是指被氣體以小液滴的形式攜帶的液相占總液相的比例，可以由下述經(jīng)驗公式來計算：

(2)

(3)

式中：FE為液滴夾帶率，%；M為液滴含量，%；WeSG為氣相表觀韋伯數(shù)；FrSG為氣相表觀Froude數(shù)；ReSL為液相表觀雷諾數(shù)；ReSG為氣相表觀雷諾數(shù)；ρL為液相密度，kg/m3；ρG為氣相密度，kg/m3；μL為液相黏度，Pa·s；μG為氣相黏度，Pa·s。

2.1.2 冷凝水生成水合物計算模型

隨著井筒中流體和周圍環(huán)境的熱量傳遞以及測試工況的變化，井筒中氣體溫度會逐漸降低。溫度降低導致氣體的含水飽和度降低，不斷析出冷凝水，冷凝水在一定溫度壓力條件下會生成水合物。隨著溫度和壓力環(huán)境的變化，天然氣中的含水飽和度也會隨之變化，不同時刻井筒中不同位置處天然氣中的含水量可由下式計算：

(4)

式中：W為天然氣的含水量，kg/m3；μw為水的相對分子質(zhì)量；μg為干天然氣的相對分子質(zhì)量；p0為水的飽和蒸氣壓，Pa；p為濕氣的總壓力，Pa；φ為天然氣的相對濕度；ρg為干天然氣的密度，kg/m3。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，有：

(5)

式中：Δz為步長，m；ri為水合物生長后管柱內(nèi)徑，m；rw為管柱內(nèi)徑，m；hm為傳質(zhì)系數(shù)，m/s；CB為無水合物生成時管柱內(nèi)天然氣含水飽和度，kg/m3；Ci(Ti)為水合物生成后管柱中天然氣中含水飽和度，kg/m3；ρs為水合物的密度，kg/m3。

2.2 水合物沉積預(yù)測模型

微機械力測量實驗表明，當管壁上存在自由水相(液膜)時，直接在管壁液膜上生成的水合物顆粒受到的黏附力較強(如圖3中①和②所示)，因此，這部分水合物顆粒傾向于直接在管壁上沉積，而不會被氣體和液體攜帶走。對于在氣相中由小液滴轉(zhuǎn)化生成的水合物顆粒(如圖3中③所示)，由于水合物顆粒與液滴密度相近，因此，小液滴與其所生成的水合物顆粒大小相近，這些水合物顆粒仍將像小液滴一樣被氣體攜帶并隨氣體一起運動，即使水合物顆粒運移至水合物膜上的液膜附近處，由于液膜表面與氣體接觸，也會有水合物生成，阻礙了由小液滴所形成的水合物顆粒與自由水相的直接接觸，導致其受到的壁面黏附力較小，難以沉積附著在管壁上[17-19]。同時，單水合物顆粒的沉積行為實驗研究表明，水合物顆粒運動狀態(tài)受氣體流速的影響較大，當氣體流速較高時，水合物顆粒不易發(fā)生沉積，而是更傾向于隨氣體一起運動。

在環(huán)霧流中，管壁被液膜潤濕，液膜沿管壁流動的過程中，溫度不斷降低，當溫度壓力滿足水合物生成條件時，會生成水合物。由于氣液界面處于波動狀態(tài)，氣體與液膜傳質(zhì)傳熱作用較強，液膜中不斷生成水合物。由于液膜流速較小，遠低于氣核流速，液膜中生成水合物后，流動阻力會進一步增大，更不利于液膜的流動。同時，液膜中生成的水合物所受的黏附力較大，容易直接沉積，形成水合物膜，因此，由液膜生成的水合物在管壁上形成水合物膜，該水合物膜不斷生長形成水合物層[20]。

綜上所述，在管壁液膜上生成的水合物顆粒由于受到較強的黏附力作用，水合物顆粒會直接沉積附著到管壁上并形成水合物層，導致有效過流面積減小。而在氣核液滴中所生成的水合物顆粒，則更傾向于被氣流攜帶，不直接沉積在管壁上。因此，井筒中的水合物沉積速率近似等于管壁液膜中水合物的生成速率，單位長度管線中水合物顆粒沉積速率為：

(6)

式中：rhd為水合物沉積速率，kg/(m2·s)；Af為液膜與氣體交界面面積，m2。

圖3 環(huán)霧流中水合物沉積示意圖

3 測試工況下水合物動態(tài)沉積定量預(yù)測

3.1 測試工況下水合物沉積厚度計算

以陵水深水氣田S2井測試期間管柱內(nèi)壁的水合物沉積為例。該井測試日產(chǎn)氣量低于130×104m3/d情況下，測試管柱內(nèi)存在水合物生成區(qū)域，意味著井筒中將逐漸開始發(fā)生水合物沉積，井筒內(nèi)壁將逐漸出現(xiàn)具有一定厚度的水合物層。對測試工況下管柱內(nèi)的水合物沉積進行計算，得到了不同測試時間和不同產(chǎn)量下井筒內(nèi)壁的水合物層生成量(圖4)。由圖4可知：在產(chǎn)量一定條件下，測試管柱內(nèi)壁的水合物層厚度隨時間逐漸增厚，這主要是因為水合物沉積是一個逐漸積累的過程，隨著水合物不斷沉積，管壁上的水合物層逐漸增厚，測試管柱有效內(nèi)徑逐漸減小。測試管柱內(nèi)的水合物沉積受測試產(chǎn)量影響較大，測試產(chǎn)量越低，管壁上的水合物層分布波動越大，且管內(nèi)壁上的水合物層厚度存在極值點。

圖4 S2井測試期間井筒內(nèi)壁水合物層生長變化規(guī)律

3.2 關(guān)井工況下水合物沉積厚度變化計算

圖5為S2井井下關(guān)井和地面關(guān)井時井筒內(nèi)壁的水合物層生成曲線。由圖5可知：井下關(guān)井30 h時，井筒內(nèi)水合物沉積厚度達到最大值；而地面關(guān)井時，關(guān)井時間越長，井筒中不同位置處內(nèi)壁上的水合物層厚度均越大，這主要是因為井筒內(nèi)壁的水合物層生長是水合物不斷沉積積累的過程，關(guān)井時間越長，井筒內(nèi)壁上沉積的水合物越多。在相同時間下，井筒中不同位置處的水合物層厚度分布是不均勻的，距離井口越近的位置，井筒內(nèi)壁的水合物層厚度越大，這主要是因為距離井口位置越近，井筒中的溫度越低，過冷度越大，水合物生成速率越大，導致管壁上的水合物沉積越快，即水合物層厚度越大。

圖5 S2井關(guān)井工況下井筒內(nèi)壁水合物層生長變化規(guī)律

4 現(xiàn)場驗證及應(yīng)用

4.1 模型驗證

文中建立的水合物動態(tài)沉積模型主要通過室內(nèi)環(huán)路實驗進行驗證。室內(nèi)環(huán)路實驗基本數(shù)據(jù)：管線內(nèi)徑為20.3 mm，管線長度為20 m，氣體流量為169 L/min，液體流量為1.6 L/min，實驗氣體為天然氣。表1為模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比。由表1可知，文中建立的水合物生成沉積計算模型計算得到的水合物生成速率與室內(nèi)環(huán)路實驗數(shù)據(jù)的對比誤差在10%以內(nèi)。

表1 模型計算水合物生成速率與室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)對比

4.2 現(xiàn)場驗證

圖6為不同測試時間下的水合物沉積厚度與井口回壓變化情況。由圖6可知：隨著沉積厚度的增加，井筒縮徑率增加，導致井口回壓降低。計算結(jié)果表明S2井在測試產(chǎn)量為120×104m3/d時，2h內(nèi)井筒最大縮徑率為11%，導致井口回壓下降1.78 MPa?，F(xiàn)場測試期間，該井使用19.05 mm油嘴正常放噴，15∶00停止管柱內(nèi)水合物抑制劑的注入，停止注入前井口壓力約21.38 MPa，停止注入水合物抑制劑后井口壓力緩慢下降，于17∶05井口壓力降至19.52 MPa，即2 h內(nèi)井口回壓下降約1.86 MPa，與模擬計算結(jié)果相差很小，故現(xiàn)場判斷測試管柱內(nèi)存在水合物的生成并引起了管柱縮徑，17∶10恢復(fù)水合物抑制劑的注入后，井口壓力逐漸恢復(fù)至21.72 MPa左右并穩(wěn)定。通過觀察井口回壓判斷井筒水合物生成情況，成功指導了現(xiàn)場測試期間水合物抑制劑注入?yún)?shù)，為氣井測試作業(yè)中水合物的防治提供了指導，確保了現(xiàn)場測試作業(yè)安全順利進行，最終該井測試日產(chǎn)氣量達到百萬立方米。

圖6 S2井不同測試時間下井口回壓變化

5 結(jié) 論

(1) 在深水氣井測試管柱內(nèi)水合物生成風險區(qū)域預(yù)測的基礎(chǔ)上，建立了測試管柱內(nèi)水合物生成計算模型和沉積預(yù)測模型，模型計算結(jié)果與室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)誤差小于10%。并進行了不同測試工況下水合物動態(tài)沉積預(yù)測分析，得到了測試工況和關(guān)井工況下的水合物沉積厚度變化規(guī)律。

(2) 給出了測試工況下水合物沉積厚度與井筒縮徑率隨時間的變化規(guī)律，得到了井筒縮徑率對井口回壓的影響規(guī)律，現(xiàn)場測試井井口回壓計算誤差小于10%，現(xiàn)場通過觀察井口回壓變化情況及時調(diào)整水合物抑制劑注入?yún)?shù)，確保了現(xiàn)場測試作業(yè)的安全順利進行，為氣井測試作業(yè)中水合物的防治提供了技術(shù)指導。