吳亞紅，孫晨曦，張 寶，陳 慶，尹學(xué)琴，于雯汀，呂兆蘭

1中國石油大學(xué)(北京)，北京

2海洋石油工程股份有限公司，天津

3中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒

1. 引言

天然氣水合物是由水和烷烴氣體在天然氣開采過程中達到一定的壓力和溫度下形成的籠型化合物[1]，在游離水和酸性氣體存在時極易形成[2]。氣井生產(chǎn)過程中導(dǎo)致水合物生成的因素很多，包括緩蝕劑、腐蝕殘留物以及鉆完井產(chǎn)生的廢棄物。水合物的生成可能產(chǎn)生嚴重的安全隱患，出現(xiàn)氣井堵塞、壽命變短、停產(chǎn)、液體滑脫或油管粗糙度增加，甚至造成安全事故的發(fā)生。這些問題都阻礙了我國天然氣工業(yè)的蓬勃發(fā)展，尤其是高溫高壓氣田，因其工況復(fù)雜，開發(fā)一直面臨極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，保障開發(fā)的安全和高效尤為重要，這就需要對開發(fā)方案進行嚴格的設(shè)計和把控。天然氣水合物的生成預(yù)測及防治是采氣工程方案的重要組成部分，是高溫高壓氣田開發(fā)實施的基礎(chǔ)，只有掌握水合物的形成規(guī)律，才能開展有針對性的防治措施，降低風(fēng)險，快速收回投入[3]。

針對天然氣水合物的生成預(yù)測，國內(nèi)外學(xué)者們進行了大量的研究。Van der Waals 等學(xué)者通過Langmuir 氣體吸附理論建立了VDWP 水合物預(yù)測模型，后人消除了此模型的誤差并建立了水合物相平衡模型[4] [5] [6] [7] [8]。Parrish 和Pransnitz 對VDWP 模型做了改進，提出了一個簡單的經(jīng)驗關(guān)系式來計算Langmuir 常數(shù)，建立了更為實用的方法利用經(jīng)典熱力學(xué)方法[9]。Javanmardi 和Jafar 等簡化并改進了Parrish-Pransnitz 模型，提出了無需閃蒸計算的新模型[10]。Ballard 等學(xué)者在對髙壓條件下水合物的預(yù)測中引入客體分子這一特性因素對水合物晶格的影響[11]，進一步提高了高壓狀態(tài)下水合物的預(yù)測精度。陳光進[12] [13] [14] [15] [16]等學(xué)者依據(jù)前人在天然氣水合物生成方面的研究及理論，建立了三相平衡閃蒸新模型，該模型可以在氣-液-固水合物體系中進行應(yīng)用，預(yù)測效果更加精確且操作更加簡單方便。

天然氣水合物防治通常從破壞水合物形成條件出發(fā)，采取以下幾種常用措施。1) 除水法[17]：通過去除水組分來抑制水合物生成，該方法不適用于井下連續(xù)出水的氣井。2) 加熱法[18]：通過對井筒進行加熱，使井筒內(nèi)溫度高于水合物臨界平衡溫度。該方法的運用存在一定技術(shù)難度，即不易確定水合物堵塞的準確位置。3) 化學(xué)添加法[19]：通過注入甲醇等抑制劑，改變水合物形成的熱力學(xué)條件，減少水合物生成，但該方法可能會造成嚴重的污染問題。4) 降壓法[20]：通過降低井筒或輸送管道壓力，抑制水合物的生成。近年來，井下節(jié)流工藝已成為水合物防止研究的熱點[21]。井下節(jié)流工藝是降壓法的一種，能達到降低流動壓力、防止水合物生成、降低地面設(shè)備壓力等級的目的[22]，但該方法缺少在超深高溫高壓天然氣井中應(yīng)用的現(xiàn)場經(jīng)驗及可行性研究。

由此可見，目前國內(nèi)對于超深高溫高壓氣井水合物研究還沒有形成一個完整的理論和技術(shù)體系[23]，因此研究高溫高壓氣井水合物的成因，準確預(yù)測水合物的生成位置，采取有針對性的水合物防治工藝，對超深高溫高壓氣田的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)具有積極的指導(dǎo)意義。本文采用PIPESIM 節(jié)點分析軟件，建立超深高溫高壓氣井的組分模型，對氣井井筒壓力與溫度分布、水合物生成臨界溫度-壓力曲線、水合物形成位置進行了預(yù)測，模擬研究了產(chǎn)氣量、油管尺寸、地層壓力三項敏感性參數(shù)對水合物生成的影響，確定最佳的配產(chǎn)方案。同時研究了井下節(jié)流降壓的水合物防治技術(shù)，從而從井筒就開始對水合物做好預(yù)測和防治工作，解決了水合物防治在超深、高溫、高壓條件下的技術(shù)難題，研究成果指導(dǎo)并應(yīng)用于塔里木油田克深區(qū)塊開發(fā)方案的編制，對類似氣藏水合物預(yù)測及防治具有較強的指導(dǎo)意義。

2. 水合物預(yù)測

2.1. 水合物成因分析

天然氣水合物是指在一定系統(tǒng)壓力下，天然氣溫度大于水的冰點時生成的籠型分子化合物，用“水合溫度”來描述水合物生成的溫度[24]。水合物的生成與自由水的存在以及天然氣中各組分含量密切相關(guān)。天然氣中的自由水會在天然氣溫度降至露點溫度以下時析出，凝析出自由水是水合物生成的前提條件。

溫度和壓力條件對于天然氣水合物的生成也極為重要。在系統(tǒng)中，當相應(yīng)的水合物分解壓力小于系統(tǒng)壓力時，氣體中的自由水和天然氣的組分或就會有天然氣水合物生成，各組分逸度關(guān)系為[21]：

天然氣組分的不同，意味著其相對密度也不盡相同，天然氣相對密度比較高的時候更容易形成水合物。綜上，天然氣水合物的形成條件為[5]：

1) 高壓。一定溫度下，存在水合物生成壓力的臨界值，一旦井筒中氣體壓力超過該臨界值，水合物就會生成。因此防治水合物的要點在于將壓力控制在該溫度的水合物臨界壓力以下。這一條件對高壓氣田是十分不利的，意味著高壓氣田水合物生成風(fēng)險高。

2) 溫度低于給定壓力下的水合物臨界溫度。一定壓力下，水合物存在臨界溫度，若井筒溫度低于該臨界值，水合物就會生成。天然氣由氣藏流向井口的過程中溫度會不斷下降，尤其是對于深井而言，溫度降低會更加明顯。因此，即使是高溫氣藏，一旦溫度降低至水合物生成臨界溫度以下，仍會有水合物生成。

3) 天然氣含水，且過飽和。天然氣在井筒中流動過程中，當溫度下降到露點溫度以下，天然氣中就會有凝析水產(chǎn)生。

4) 輔助因素，如：井筒中氣體流速高或存在壓力擾動；酸性氣體(如H2S 和CO2)的存在；氣流方向不穩(wěn)定導(dǎo)致渦流；種子晶體的誘導(dǎo)。

2.2. 水合物預(yù)測

以塔里木油田KS 9 井為例，儲層平均埋深約7500 m，地層壓力125.74 MPa，溫度為178.06℃，日產(chǎn)氣量30 × 104m3/d，氣藏屬高溫、高壓、超深氣藏。主體油管3 1/2 in，射孔中深7433.14 m，采用PIPESIM軟件模擬建立物理模型，輸入氣藏參數(shù)和油管參數(shù)，建立模型如圖1 所示。

Figure 1. Schematic diagram of gas well hydrate simulation model圖1. 氣井水合物模擬模型示意圖

選擇Hagedom and Brown 流動相關(guān)式，設(shè)置組分模型，輸入天然氣各組分的摩爾百分比，經(jīng)天然氣組分閃蒸后得到包絡(luò)相圖，如圖2 所示，閃蒸前后各組分含量如表1 所示。通過閃蒸計算即求得在既定系統(tǒng)總組成的情況下，一定溫度、壓力條件下，達到平衡的氣液兩相組成與數(shù)量之比。開始閃蒸計算，確定了油藏條件下的飽和水含量為2.102%。

Figure 2. Phase diagram of natural gas components圖2. 天然氣組分相圖

Table 1. Contents of each component before and after natural gas flash evaporation表1. 天然氣閃蒸前后各組分含量

在建立組分模型的基礎(chǔ)上，運行相應(yīng)日產(chǎn)氣量條件下的溫度剖面和壓力剖面，得到井筒溫度、壓力梯度曲線，如圖3、圖4 所示。改變輸出參數(shù)，模擬得到基于相圖的水合物生成圖像，如圖5 所示。隨著井深增加井筒內(nèi)壓力、溫度和水合物生成臨界溫度大小如表2 所示。

Figure 3. Wellbore temperature prediction圖3. 井筒溫度預(yù)測

Figure 4. Wellbore pressure prediction圖4. 井筒壓力預(yù)測

Figure 5. Temperature-pressure relationship curve based on phase diagram圖5. 基于相圖的溫度-壓力關(guān)系曲線

Table 2. Data sheet of wellbore temperature pressure and hydrate formation temperature表2. 井筒溫度壓力及水合物形成溫度數(shù)據(jù)表

由圖5 和表2 分析可知，在井口附近，水合物的生成曲線與溫度-壓力曲線之間存在交點，有水合物生成。生產(chǎn)過程中距離井口越近，生成水合物越嚴重。繪制水合物生成溫度及井筒內(nèi)流體溫度隨深度的變化曲線如圖6 所示。

Figure 6. Temperature distribution of fluid in wellbore and temperature distribution of hydrate formation圖6. 井筒內(nèi)流體溫度分布與水合物生成溫度分布圖

由圖6 可知，井下80 m 向上有水合物生成，應(yīng)采取適當?shù)乃衔锓乐喂に嚒?/p>

3. 影響井筒水合物生成的敏感性因素分析

應(yīng)用PIPESIM 軟件對影響水合物生成的主要因素進行定量分析，討論不同敏感性因素對水合物的影響，為工作制度的優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

3.1. 油管尺寸對水合物的影響

以克深9 區(qū)塊某井生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，設(shè)置地層壓力為125 MPa，地層溫度為178℃，射孔中深7433 m，日產(chǎn)氣量為30 × 104m3/d，油管尺寸分別為2 3/8～4 1/2 in 的條件下進行水合物預(yù)測，模擬結(jié)果如圖7 所示。

Figure 7. Hydrate prediction under different tubing inner diameter scenarios圖7. 不同油管尺寸條件下水合物預(yù)測

由圖7 可以看出，管徑越小時，生產(chǎn)過程中的壓降越小，井口壓力越大，同時井底到井口的溫度變化較大，井口溫度越低，與水合物臨界生成曲線越近，甚至與水合物臨界生成曲線相交，因此水合物在油管尺寸較小的情況下更易生成。在產(chǎn)氣量為30 × 104m3/d 的條件下，油管尺寸小于等于3 1/2 in 時，會生成水合物。可見，增大KS 9 井油管尺寸至4 in 以上，能夠避免水合物生成。

3.2. 地層壓力對水合物的影響

設(shè)置地層溫度178℃，射孔中深7433 m，油管尺寸3 1/2 in，產(chǎn)氣量30 × 104m3/d，因開采過程中地層壓力下降，模擬地層壓力分別為130～105 MPa 條件下的水合物生成情況，模擬結(jié)果如圖8 所示。

Figure 8. Hydrate prediction under different formation pressure conditions圖8. 不同地層壓力條件下水合物預(yù)測

由圖8 可知，隨著生產(chǎn)的進行，地層壓力逐漸下降，對應(yīng)的井口壓力也下降，該壓力下的水合物生成溫度較低，但井口溫度幾乎不變，因此井筒溫度-壓力曲線與水合物臨界生成曲線交點對應(yīng)的溫度和壓力下降，意味著水合物在井口或井下較淺位置生成。隨著地層壓力的進一步降低，最終井筒溫度-壓力曲線將不再與水合物臨界生成曲線相交。因此，在氣藏開發(fā)初期生成水合物更嚴重。由圖8 可知，對于KS 9 井，即使地層壓力下降至105 MPa，仍會有水合物生成。

3.3. 產(chǎn)氣量對水合物的影響

設(shè)置地層壓力125 MPa，地層溫度178℃，射孔中深7433 m，模擬產(chǎn)氣量分別為30 × 104～70 × 104m3/d，油管尺寸分別為2 3/8～4 in 的條件下的水合物生成情況，模擬結(jié)果如圖9 所示。

Figure 9. Hydrate prediction under different gas production and tubing size diameter scenarios. (a) Tubing size is 2 3/8 in; (b) Tubing size is 2 7/8 in; (c)Tubing size is 3 1/2 in; (d) Tubing size is 4 in圖9. 不同產(chǎn)氣量和油管尺寸組合方案下水合物預(yù)測。(a) 油管尺寸2 3/8 in；(b) 油管尺寸2 7/8 in；(c) 油管尺寸3 1/2 in；(d) 油管尺寸4 in

可以看出，在油管尺寸一定時，產(chǎn)氣量小，導(dǎo)致井口處于高壓力，低溫度的狀態(tài)，使得井筒溫壓曲線更靠近水合物臨界生成曲線，甚至與水合物臨界生成曲線相交，因此水合物在產(chǎn)氣量越小的情況下生成的風(fēng)險越大。

結(jié)合KS 9 井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對比圖9(a)～(d)可知，當產(chǎn)氣量為30 × 104m3/d 時，選擇4 in 油管，可避免水合物生成；當產(chǎn)氣量大于等于40 × 104m3/d 時，無論選擇何種尺寸油管，均不會有水合物生成。

對于KS 9 這樣壓力高達125 MPa 的高壓氣井，若日產(chǎn)氣量無法達到避免水合物生成的要求，則需增加油管尺寸或采取水合物防治工藝以實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

4. 水合物防治技術(shù)

由于水合物形成后會對生產(chǎn)和安全造成嚴重影響，且水合物一旦生成后難于消除，因此有必要對水合物的生成采取相應(yīng)預(yù)防措施[25]。預(yù)防水合物的生成的方法主要有四種[8] [26] [27]：1) 除水；2) 加熱；3) 化學(xué)添加；4) 降壓。結(jié)合塔里木油田氣藏特征和的實際生產(chǎn)情況，可采取降低壓力(井下節(jié)流工藝)和加抑制劑法(注醇法) [28] [29] [30] [31]預(yù)防水合物生成，綜合分析以上四種防治工藝缺點及適用性，結(jié)合KS 區(qū)塊高溫、高壓，氣井超深的特點，考慮優(yōu)選井下節(jié)流工藝。因為井下節(jié)流不僅能預(yù)防水合物生成，還可減少井筒積液，降低設(shè)備承壓，延長氣井自噴時間[32]。但該方法缺少在超深高溫高壓天然氣井中應(yīng)用的現(xiàn)場經(jīng)驗及可行性研究。因此本文通過PIPESIM 進行模擬分析井下節(jié)流工藝在水合物防治方面的有效性，并對節(jié)流工藝的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

以KS 9 井生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)為例，設(shè)置產(chǎn)氣量30 × 104m3/d。初步估計節(jié)流油嘴下入深度為3000 m，設(shè)置井下節(jié)流嘴直徑為敏感性因素，分別選取5.5 mm～8 mm 油嘴進行模擬，結(jié)果如圖10 所示。

由圖10 可知，當選擇5.5 mm 節(jié)流嘴時，由于節(jié)流壓降過大，無法滿足生產(chǎn)需求。為了達到更好的節(jié)流降壓效果，首先選取6 mm 油嘴進行不同下入深度條件下的井下節(jié)流模擬設(shè)計如表3 所示。

在模擬計算過程中發(fā)現(xiàn)3000 m 處下入6 mm 節(jié)流油嘴就能達到防治水合物的目的。因此對下入深度依次往上進行模擬，發(fā)現(xiàn)2400 米～3000 米下入節(jié)流嘴都能達到目的。為了達到更好的節(jié)流效果，同時結(jié)合下入施工難易程度[33]，考慮在2500 m 處下入6 mm 節(jié)流嘴。下入節(jié)流嘴前后的壓力/溫度曲線如圖11所示。

Figure 10. Sensitiveness analyzation of choke size圖10. 節(jié)流嘴尺寸敏感性分析圖

Table 3. Statistics of simulation results of different penetration depths (mouth diameter 6 mm)表3. 不同下入深度模擬結(jié)果統(tǒng)計表(嘴徑6 mm)

Figure 11. Pressure-temperature relationship curve before throttling or after throttling圖11. 節(jié)流前后壓力-溫度關(guān)系曲線

可以看出，節(jié)流后系統(tǒng)溫度-壓力曲線和水合物生成臨界曲線沒有交點，因此，在井下2500 m 下入直徑6 mm 節(jié)流嘴達到了防治水合物生成的目的。

5. 生產(chǎn)實例分析

塔里木油田KS 9 區(qū)塊開發(fā)方案設(shè)計動用地質(zhì)儲量360.84 × 108m3；探井及評價井6 口，后期2 口生產(chǎn)井轉(zhuǎn)排水井(初期邊部KS 902、904 井生產(chǎn)，在水淹后轉(zhuǎn)排水井)；預(yù)測穩(wěn)產(chǎn)10 年，開發(fā)40 年累產(chǎn)氣183.93 × 108m3，累產(chǎn)水77.94 × 104t，天然氣地質(zhì)儲量采出程度50.44%，單井平均合理產(chǎn)能76 × 104m3/d。區(qū)塊開發(fā)指標如表4 所示，優(yōu)化后的單井生產(chǎn)參數(shù)如表5 所示。

Table 4. Statistics table of Kes 9 block production indicators表4. 克深9 區(qū)塊開發(fā)指標統(tǒng)計表

Table 5. Statistics of single well production index in Kes 9 block表5. 克深9 區(qū)塊單井生產(chǎn)參數(shù)統(tǒng)計表

截至2019 年2 月，日產(chǎn)水20.6 m3，日產(chǎn)氣439 × 104m3/d，累產(chǎn)氣24.42 × 108m3。自投產(chǎn)以來，氣井采用井下節(jié)流工藝對存在水合物形成風(fēng)險的氣井進行預(yù)防，均未出現(xiàn)水合物堵塞井筒的情況發(fā)生，實現(xiàn)了安全、高效、順利投產(chǎn)，證明了水合物防治技術(shù)在高溫高壓氣田的有效性，對其他高溫高壓氣藏的水合物預(yù)測及防治具有良好的指導(dǎo)作用。

6. 結(jié)論

1) 對KS 9 井的井筒壓力分布、井筒溫度分布、水合物生成臨界溫度-壓力曲線、水合物生成位置進行預(yù)測，結(jié)果表明，KS 9 井距井口80 m 向上有天然氣水合物生成，需進一步采取水合物防治措施。

2) 模擬研究了產(chǎn)氣量、油管尺寸、地層壓力等敏感性參數(shù)對水合物的影響。產(chǎn)氣量低，油管直徑小，地層壓力高，易生成水合物。

3) 對于埋深7500 m 左右，溫度178℃，壓力高達125 MPa 的氣井，當產(chǎn)氣量為30 × 104m3/d 時，選擇4 in 及以上油管，可避免水合物生成；當產(chǎn)氣量大于等于40 × 104m3/d 時，無論選擇何種尺寸油管，均不會有水合物生成。

4) 優(yōu)選井下節(jié)流降壓的水合物防治技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計節(jié)流嘴直徑6 mm、下入深度2500 m 作為KS 9井的節(jié)流工藝參數(shù)，解決了水合物防治在高溫、高壓條件下的技術(shù)難題。

研究成果指導(dǎo)并應(yīng)用于塔里木克深區(qū)塊開發(fā)方案的編制，對類似氣藏水合物預(yù)測及防治具有較強的指導(dǎo)意義。