深水氣井測試求產階段管柱內天然氣水合物防治方法

2019-09-02 07:50李相方劉文遠劉書杰胡瑾秋南宇峰周云健

天然氣工業 2019年7期

李相方劉文遠劉書杰胡瑾秋南宇峰田甜周云健

1.中國石油大學（北京）石油工程學院 2.中國石油大學（北京）安全與海洋工程學院3.中海油研究總院有限責任公司 4.中國石油北京油氣調控中心

0 引言

盡管近幾年來，我國對深水油氣田的開發取得了較大的進展，但仍然還有很長的路要走[1-3]。深水氣井測試是獲取地層儲集參數、評價氣藏開發潛力的重要方式，但其具有難度高、安全風險大、測試成本高的特點[4-8]，天然氣水合物（以下簡稱水合物）在測試管柱中生成并導致堵塞一直是影響深水氣井安全、高效測試的難題[9-10]。水合物在測試管柱內壁的大量沉積會顯著縮小流體的流動通道，影響測試的準確性，若管柱內的流動空間完全被水合物堵塞則會造成測試過程終止，甚至會形成憋壓導致管柱破裂，造成巨大的經濟損失[11-17]。

目前，為了預防與控制水合物生成，人們在測試制度及測試工藝方面已經想出了許多辦法。如在測試工作制度方面，將測試產氣量提高到生成水合物的臨界產氣量之上[18]，該措施雖然避免了水合物的產生，但也有可能減小了合理的產氣量測試范圍；另外，通過縮短測試時間來減少水合物的生成量，雖然降低了管柱被水合物堵塞的風險，但過短的測試時間不能保證取全、取準流體樣品，也不利于測試流量的穩定[19]；在關井方式方面，已由地面關井改為井下關井，由此可避免關井后井筒中的水合物生成，但增加了施工工藝的復雜程度和設備維護的難度，導致施工成本增加；在測試流程方面，已由二開二關流程改為一開一關流程[20-21]，避免了初次關井期間產生的天然氣水合物堵塞管柱而導致氣井二開時不能正常生產的風險，但測試流程的簡化會降低測試參數設計的合理性及產能方程求解的準確性。目前，測試期間水合物抑制劑的使用仍然是水合物防治的主要手段[22-24]，為最大限度地防止測試管柱內水合物的生成，在測試過程中往往需要加入大量甚至過量的水合物抑制劑，導致了操作時間和施工成本的顯著增加。

實際上，在測試求產階段由于水合物的生成導致測試管柱內出現流動障礙與管柱堵塞問題是具有差異性的。據此，筆者通過分析不同測試條件下井筒的溫壓場分布，并應用水合物生成—沉積和分解計算方法，評價了不同測試制度下整個測試過程中管柱內水合物堵塞程度的變化情況，并基于已有的氣井測試方法，設計了適合于深水氣井測試的混序及變測點數的測試工作制度。結果表明，混序及變測點數的測試工作制度能顯著降低管柱內水合物的堵塞程度，配合注入適量的水合物抑制劑并優化測試產氣量、測試時間，能有效減小水合物的堵管風險、降低測試成本，所取得的研究成果可以為深水氣井的現場測試施工提供理論支持。

1 深水氣井測試流程與方法

1.1 測試流程

深水氣井測試管柱的結構如圖1所示，泥線以上的測試管柱位于隔水管內部，通過隔水管與海水相分隔，泥線以下的測試管柱被套管包圍，從而與地層相隔，上下兩部分測試管柱通過泥線處的水下測試樹相接。接近儲層的測試管柱上設置有關井閥，泥線以下測試管柱的某一位置設置有水合物抑制劑注入閥。

圖1 深水氣井測試管柱結構圖

目前深水氣井的測試一般采用“快速清井、低速取樣、調產緩變、關井恢復”的新型一開一關測試流程[25]，本文針對該流程開展研究。一開一關測試流程可分為3個階段：開井后的清井流動階段、求產流動階段及關井后的壓力恢復階段[7]。開井流動階段一般需要用可調油嘴控制流動，記錄流體返出量，監測氣井產出氣的H2S及CO2含量，監測地層是否出砂，并對出砂量進行控制，根據設計進行氣體PVT取樣；關井階段則主要為了獲取地層的壓力恢復數據，計算儲層參數。

1.2 測試方法

測試求產階段是在高產氣量下完成清井返排后通過降低產氣量開始的，對于一開一關測試流程，在測試求產初期，首先要進行低流量取樣，目的是保證取好、取準流體樣品。取樣過程包括井下取樣與分離器取樣，而高氣流量下不利于取樣操作，同時，要達到取樣目的必然要求流動達到穩定，根據實際測試經驗，高產氣井開井后2～4 h內流動能達到穩定，低滲透氣藏低產氣井流動達到穩定則需要8 h以上，而通過分離器取得一組樣品的時間約需要1 h[7]。通常低產氣量階段井筒流溫相對較低，低溫將加劇水合物的生成而導致井筒內的流動障礙。

在取樣階段完成之后為變流量求產階段，一方面是評價測試的產量，另一方面是建立產能方程，同時還通過壓力恢復測試獲取儲層參數。同時，為了保證取樣成功，還可能在此階段增加分離器取樣以完成樣品備份，測試中同樣要求在不同氣體流量下達到穩定流動[7]?；诂F行標準，產能試井通常要求至少測量4個點，因而除了為取樣階段設置的低流量外，往往還需要設置3個不同的測試氣量，而每個測試氣量下需要達到穩定流動。因此，變流量流動階段需要較長時間，這還依賴于儲層孔滲特征。

通常，測試方式分為正序和反序。正序測試時測試流量由小到大依次改變，反序測試則按從大到小的順序進行。由于氣井流動達到穩定且穩定持續的時間基本相同，所以兩種測點順序的選擇基本不影響測試時長。

根據前述測試方法可知，每一組流量下持續測試的時間均需要數小時甚至更長，對于求產流動階段的低流量流動過程，往往會因為井筒內的高壓低溫環境而存在水合物生成區域，且該區域的長度有時可達數千米[26]。當水合物生成的溫壓條件滿足后，在一定的持續時間下，水合物會經歷生成—生長—沉積—堵塞的演變過程，最終，管壁水合物膜及顆粒的沉積將導致管柱縮徑，甚至完全堵管。因此，分析評價不同測試制度下井筒溫壓分布特征，據此給出抑制水合物沉積與堵塞的對策至關重要。

2 深水氣井井筒溫壓場分布與水合物生成—沉積及分解

2.1 井筒溫壓場分布

深水氣井測試過程中測試產氣量的變化將直接影響測試管柱內的溫度及壓力場分布。較小的水氣比使得管柱內的氣液相往往呈現為環霧狀流型，水相中的一部分以液膜的形式沿管壁上升，另一部分以液滴的形式被管內高速流動的氣芯所攜帶，在環霧流型下，溫度、壓力對水合物的生成—沉積和分解將起到關鍵影響作用。因此，由于不同的測試氣量對應著不同的溫壓場分布，將使水合物堵管的風險存在差異。

以我國南海一口深水氣井A井（直井）為例，該氣井的基本參數如表1所示。根據當前常用的適于深水氣井測試期間的井筒溫壓場計算方法[27-28]，計算得到不同測試產氣量下井筒的溫壓場分布。

表1 深水氣井A井基本參數表

如圖2、3所示，隨氣體流量的增加，井筒中的流壓減小，但從井底至井口的整體壓降隨產氣量變化不大。不同氣體流量下管柱內的流溫分布差別也較大，產氣量越小，井筒內溫度整體越低，且在泥線附近井筒的溫度下降明顯，當溫度降至水合物生成的溫度以下時，水合物開始生成，若水合物持續生成則將造成管堵。因此，較長時間的低氣量測試導致管堵的風險很大，這是測試求產期間水合物防治的關鍵階段。該深水氣井不生成水合物的臨界測試產氣量為 58×104m3/d。

圖2 不同測試產氣量下的井筒溫度場分布圖

圖3 不同測試產氣量下的井筒壓力場分布圖

2.2 水合物生成—沉積及分解

高壓、低溫條件將利于水合物生成，一定組成的天然氣具有與其對應的水合物相平衡曲線，并且對于不同組成的天然氣，其水合物相平衡曲線與溫壓的關系是相似的。圖4為某組成天然氣的水合物相平衡曲線圖，在曲線左側為水合物生成區，在深水氣井測試過程中，當測試管柱內的同一區域始終滿足水合物的生成條件，則水合物不斷生成和沉積，管徑不斷縮小，最終導致管柱完全被堵塞。但是，測試過程中不同氣流量下的流動時間是有限制的，當測試氣量增大后，管內溫壓條件會移至水合物相平衡曲線的右側，此時不但不再有水合物生成，并且已形成的水合物還將發生分解。因此，在整個測試過程中，測試管柱內流體的流動空間是隨測試時間變化的，研究中將水合物沉積所造成的管柱橫截面積縮小值與管柱初始橫截面積的比值定義為管柱堵塞程度，用于定量描述水合物造成的流動障礙。下面將研究水合物生成—沉積及分解過程對測試過程中管柱堵塞程度的影響。

圖4 某組成天然氣水合物相平衡曲線圖

對于天然氣水合物生成—沉積的計算，已有學者做了大量研究，針對管柱內的氣液兩相環霧流型，Turner等[29]建立的水合物生長動力學模型具有較高的精度，如式（1）所示。

式中Vh表示生成水合物的體積，m3；t表示生成水合物的時間，s；Fk表示經驗速率常數，取34.2；C表示水合物生成時的活化溫度，K，取值為13 600 K；T表示環境溫度，K；Mg表示天然氣的平均摩爾質量，kg/mol，取 17.8 kg/mol；ρgh表示水合物中氣體的摩爾密度，mol/m3，取值為 7 540 mol/m3；Tsub表示過冷度，K；As表示水合物生成時的氣液接觸面積，m2。

在測試求產過程中，還需要考慮已生成水合物在管壁的沉積，根據王志遠等[30]的分析，管柱內生成的水合物來源于管壁的液膜和氣芯中的液滴，已生成的水合物中只有一部分能沉積在管壁上進而導致管柱縮徑。對于水合物生成后沉積的分析，借鑒王志遠等的研究，其中水合物沉積速率的具體計算見本文參考文獻[28]。

生成的水合物將附著在測試管柱內壁上，在高溫低壓下將發生分解。對于水合物的分解，前人已做了很多研究[31-32]，普遍認為在分子水平上水合物的分解由兩步構成：①水合物晶胞的分解；②吸附氣由水合物表面向氣相中的擴散[33]。Goel等[34]、孫長宇等[35]基于該微觀機理曾提出了穩定溫壓條件下的水合物分解動力學模型。此次，為了描述水合物的分解體積，在Goel等[34]提出的模型基礎上，推導出式（2），其中三相線逸度和氣體逸度均由SRK方程計算得到。

式中Vh'表示水合物分解后的剩余體積，m3，也可用剩余水合物中甲烷的物質的量（mol）來表示；Kd表示本征動力學反應常數，mol/(m2·MPa·min)；feq表示三相線逸度，Pa；f0表示氣相逸度，Pa；As'表示水合物分解表面積，m2；n表示經驗指數；k'表示表觀分解動力學常數，min－1。

不同的測試流動條件決定了水合物的生成—沉積速率和分解速率，為了對管柱內水合物的生成—沉積和分解特征進行描述，基于上述水合物生成—沉積和分解的計算方法，分別得到了水合物沉積速率曲線和水合物分解剩余體積分數曲線，水合物的生成—沉積主要受過冷度和氣相表觀流速的影響，過冷度越大，水合物生成的驅動力越大，水合物沉積速率越快（圖5）；氣相表觀流速越高，氣芯中夾帶的液滴越多，則越多的液滴將形成水合物顆粒并黏附在管壁水合物膜上，從而導致水合物沉積速率越快。水合物分解速率則主要受表觀分解動力學常數的影響，該常數主要與分解溫度、壓力、水合物沉積層及水合物顆粒的形態有關。表觀分解動力學常數（k'）越大，水合物分解剩余體積分數越大，水合物分解的速率則越快（圖6），水合物分解的速率要顯著快于水合物生成的速率。

圖5 水合物沉積速率曲線圖

圖6 水合物分解剩余體積分數曲線圖

3 測試求產期間的水合物防治

目前，對于氣井井筒水合物的防治已有很多方法，如管柱內表面涂厭水層法[36]，通過減弱水相對管壁的潤濕來減少水合物層的附著；隔熱保溫法[37]，在管壁涂敷隔熱層或在環形空間充填絕熱層，減少流體散熱從而避免水合物生成；井下氣嘴節流法[38]，通過安裝井下節流氣嘴，縮短或消除井筒內的水合物生成區；注水合物抑制劑法，通過向井內注入大量水合物抑制劑，改變水合物生成的溫壓條件，從而抑制水合物的生成。

以上幾種方法均能對水合物防治起到一定作用，但前3種方法會導致現場操作施工的復雜化，且使用后造成設備維護困難，增加了施工成本，而對于水合物抑制劑的使用，現場往往需要將其大量注入才能起到抑制效果，這無疑大大增加了深水測試成本。因此，從安全、經濟的角度出發，通過優化測試制度來達到防治水合物的目的，同時只需在測試時配合注入適量的抑制劑，可大大減少抑制劑的使用量。

3.1 混序測試制度

測試求產階段需通過開展產能試井得到相關數據，而產能試井一般要求至少得到4個測點下的穩定生產數據，取樣時的低流量為第1個測點。為使測試得到的數據分布合理，4個測點下的產氣量分布不能太集中，且應涵蓋高、中、低不同級別的產氣量，尤其對于環空為水基完井液的深水氣井，管柱內流體向外界傳熱性能好，管柱內流溫很低，往往會出現至少2個測點下的產氣量低于生成水合物的臨界產氣量的情況。目前主要采用的測試順序為正序與反序。

對于正序和反序測試，由于建立產能方程的需要或者儲層條件的約束，在實際測試過程中低產氣量測試點往往使得井筒內滿足水合物生成條件。另外，盡管測試要求每個測點下的產氣量均要達到穩定，而深水氣井鉆遇的儲層主要為高孔—特高孔、高滲—特高滲儲層，流動達到穩定的時間很短，調整測試順序對總的測試時長影響很小。因此，這里推薦使用混序測試制度，如圖7所示。

圖7 深水氣井混序測試制度示意圖

在整個測試過程中，當測試產氣量低于水合物生成的臨界產氣量，測試管柱內徑將由于水合物生成—沉積而不斷縮小。理論與經驗表明測試管柱內最大堵塞點處的管堵程度低于30%時對測試過程的影響可以忽略，在水合物生成的初期，測試管徑的縮小對測試過程影響并不大?；诖?，當采用q1、q4、q2、q3（q1＜q2＜q3＜q4）的混序測試順序時，在q1下，由于產氣量小而使井筒內存在較大范圍的水合物生成區域，水合物將在管柱內生成并逐漸沉積，生成—沉積速率與產氣速率及對應的流動時間有關；在q4下測試時，井筒內的溫度升高，井筒內水合物生成區域逐漸縮小甚至消失，同時在較低壓力、較高溫度條件下，管壁處的水合物將發生分解，分解速率也與產氣速率及對應的流動時間有關；在q2、q3下同理。因此，采用混序測試制度可以明顯降低測試管柱內水合物堵塞的風險。

同時，不改變測點產氣量大小，僅僅改變測點的順序，對于測試時長及各測點穩定狀態下流動資料的獲取影響很小，且不需要額外的人力、物力投入，更不增加施工操作難度。因此，該方法在理論上和實際應用中均可行。

3.2 正序、反序與混序測試制度下的管柱堵塞程度

針對前述A氣井進行研究，分析其在測試過程中的水合物管堵情況。該井總的測試時長設計為30 h，測試內容如表2所示。

表2 A氣井測試內容統計表

如圖2所示，A氣井恰好不生成水合物的產氣量為 58×104m3/d，在 20×104m3/d 與 40×104m3/d的低產氣量下管柱內將持續生成水合物，最大水合物生成區域長度可達 1 400 m 左右，而在 80×104m3/d與120×104m3/d的高產氣量下，由于井筒內流溫普遍很高，則會發生水合物的分解。結合井筒溫壓場分布，利用前述水合物生成—沉積和分解的計算方法，得到了3種測試順序下在整個測試過程中的水合物堵管情況，如圖8所示。從保證測試安全的角度出發，筆者取30%作為管柱最大允許堵塞程度。

圖8 正序、反序和混序測試制度下管堵程度變化曲線圖

如圖8所示，正序、反序測試下測試管柱的最大堵塞程度均達到35.84%，超過30%；正序測試制度下管柱最大堵塞程度在測試求產階段開始9 h后達到，隨后在較大測試氣量下水合物逐步分解，測試求產階段結束后管堵情況完全消除；反序測試制度下，在求產流動階段結束后達最大管堵程度，而測試求產結束后將進入關井壓力恢復階段，因此必須在投產前增加復雜的清管作業。而在混序測試制度下整個測試過程中將發生兩次水合物的生成與分解，但全過程中最大管堵程度為26.09%，較正序、反序測試的最大管堵程度減輕了27.2%，測試管柱中的流動障礙問題明顯減弱，降低了測試期間水合物的管堵風險，且對后續測試及生產無影響。

基于上述分析，從規避水合物管堵風險的角度考慮，反序測試制度是最不利的，該測試制度下將形成較高的管堵程度且已沉積的水合物不能及時被清除；正序測試是應用最普遍的測試制度，盡管測試求產階段結束后已沉積的水合物能被清除，但測試過程中往往不能保證將最大管堵程度控制在安全范圍內；相比之下，混序測試制度是深水氣井測試的最優選擇，能夠最大化降低管堵程度，避免管堵風險，在保證測試安全的同時，也提高了深水氣井測試數據獲取的準確性和可靠性。

對于某些深水氣井，若采用混序測試制度仍不能保證將管堵程度降至安全范圍內，最常用的方式便是注水合物抑制劑。目前，在現場測試過程中，水合物抑制劑注入量的確定均是以徹底避免管內水合物生成為目的，事實上，少量水合物的生成及管壁附著對測試過程的影響很小，沒有必要對其進行徹底抑制，只需根據實際情況進行設計，通過注入適量抑制劑將管堵程度控制在測試安全范圍內即可。

為保證測試過程中水合物的防治效果，除上述措施外，在測試允許的前提下，可以調整不同測點的測試氣量及流動時間。如表3、4所示，在采用混序測試制度，根據實際測試情況，適當增大測試氣量或縮短小測試氣量下的流動時間也能起到減小管柱水合物堵塞程度的作用。因此，在進行測試設計時，應根據實際情況盡量提高小產氣量測點下的產氣量值，并盡量縮短流動時間，最大限度地保證測試管柱內的流動安全。

3.3 變測點數測試制度下的管柱堵塞程度

基于現行的測試標準，業內習慣于開展四點測試，而基于產能試井原理，大多數深水氣井的測試完全可以采用三點或二點測試。

3.3.1 三點測試法及其適應性

氣井產能測試采用四點測試法的主要目的是如果測試點偏離了直線，可以采用最小二乘法擬合一條曲線，從而得到一個產能方程，壓力平方形式的氣井二項式產能方程如式（3）所示?？梢钥闯?，如果A與B為常數，4個測試點的連線是嚴格的一條直線；由A的計算式可以看出，若能保持滲透率（K）與表皮系數（S）是常數，A才是常數。然而，由于實際氣井在測試過程中，由于出砂、產水、反凝析、應力敏感等現象的發生，K將發生變化，同時由于清井對完井過程中在近井地帶造成的儲層傷害有解除的作用，S也非常數。因此，要保證獲得的4個測試點位于一條直線難度很大。然而，若獲得的4個點偏離直線較小，采用其中的3個點來建立產能方程，結果差異很小。對于無出砂、不產水的氣井，采用三點測試法是可行的。