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气井水合物防治技术研究与应用

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气井 水合物 防治 技术研究 应用
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收稿日期 : 2004203201作者简介 : 纪宝君 (1966 - ) , 男 , 内蒙古赤峰人 , 高级工程师 , 从事石油工程研究。文章编号 : 100023754 (2004) 0320072203气井水合物防治技术研究与应用纪 宝 君(大庆油田有限责任公司 第八采油厂 , 黑龙江 大庆  163514)摘要 : 针对气井因产生水合物关井给气井生产管理带来一定难度的问题 , 对气田水合物的生成机理及产生规律进行了研究。通过室内实验 , 研究了气井水化物生成的温度、压力界限和破坏水合物生成条件。设计了井下节流器 , 将地面气嘴移到井下产层上部油管内 , 通过井下油嘴节流、降温后的天然气仍可吸收地层温度 , 降低井筒内天然气压力 , 提高采出天然气的井口温度 , 破坏水合物的生成条件 ,达到防止水合物生成的目的。关 键 词 : 气井 ; 水合物 ; 生成机理 ; 防治技术 ; 井下节流中图分类号 :    文献标识码 : 个气田或含气区开发过程中 , 每年都不同程度地出现气井因水合物冻堵而关井的情况 ,给气井生产管理带来一定难度。为维护气井正常生产和天然气外输 , 主要采取井筒加甲醇和井口放喷的办法。在研究气田水合物的生成机理及生成规律的基础上 , 开展了井下节流防治水合物工艺研究以及与其配套的气井解冰剂研究 , 在现场应用中取得了较好的效果 , 保证了气井正常生产。1  气井水合物生成机理及生成预测111  气井水合物的生成机理概述水合物是在一定压力和温度下 , 天然气中的某些组分和液态水生成的一种不稳定的具有非化合物性质的白色结晶固体 , 密度在 0188~ 0190 g/ 间。气体水合物的形成过程可以看成一个结晶过程 ,包含晶核的形成和晶体生长过程 \[1 \]。形成水合物的整个过程开始于水分子和气体分子聚集成团。从水分子接纳气体分子时开始 , 形成的络合物就可能具有了水合物晶格的形式。一般这时的群体在热力学上是不稳定的。直至达到一个临界尺寸 , 这时群体尺寸的进一步增加就不会再增大自由能 , 群体在热力学上就变得稳定了 , 从而形成了稳定的水合物核。天然气水合物的形成主要有 3 个条件 \[2 \]:(1) 天然气中有液态水存在或天然气处于水汽和过饱和状态。(2) 有足够高的压力和足够低的温度。(3) 必须有辅助条件 , 如压力的波动、气体流向的突变而产生搅动和晶核存在等。112  气井水合物生成预测为研究汪家屯气田水合物的生成规律 , 有针对性地采取预防措施 , 利用“压力搜索法”实验装置 (主要由恒温空气浴、高压蓝宝石釜、搅拌装置和温度压力测量系统组成 ) 对汪家屯气田 4 口气井水合物的生成界限进行了室内实验 , 得出了 4 口气井水合物生成的温度、压力界限 (表 1) 。表 1   4 口气井天然气水合物实验数据汪 829 井平衡温度/ ℃平衡压力/ 215 井平衡温度/ ℃平衡压力/ 217 井平衡温度/ ℃平衡压力/ 3211 井平衡温度/ ℃平衡压力/ 11732 0 11802 0 11660 0   11455110 21000 210 21140 210 21018 210 11940210 21220 410 21700 410 21590 310410 21680 610 31260 610 31295 410 21420510 31110 810 41340 710 510515 31240 815 41575 810 41155 610 31120610 31480 910 41900 815 41320 710 31525615 31720 915 51320 910 41620 810 31968710 31860 1010 51548 915 51140 815 41220715 41282 1015 61120 1010 51340 910 41480810 1110 61550 1015 51646 915 41720对 4 口井室内实验结果进行拟合 , 回归出汪家屯气田气井生成水合物条件方程为p = 01028 4 01084 5 t + 11740 4将由测井资料得到的线性方程 p = f ( h) 、 t = f·27· 第 23 卷    第 3 期    大庆石油地质与开发     2004 年 6 月( h) 代入由水合物生成界限数据得到的回归方程 p =f ( t) 中 , 可计算水合物生成井深界限。利用上述方法 , 对汪 24215 井等 10 口井进行预测 , 符合率达到 80 % (表 2) 。表 2   10 口气井水合物生成预测与实际情况对比井 号井深 2压力方程/ 温度方程/ ℃预测水合物生成深度 / 4215 p = 213 + 0122 h t = 3 + 314 h - 190 不节流 正常 符合汪 26219 p = 216 + 01002 h t = 216 + 315 h - 62 不节流 正常 符合汪 6214 p = 1112 + 011324 h t = 1512 + 213 h - 58 不节流 节流 不符合汪 10214 p = 1210 + 010924 h t = 713 + 4112 h - 134不节流 节流 不符合汪 32219 p = 217 + 01021 h t = 616 + 3126 h - 184不节流 正常 符合汪气 125 p = 210 + 01092 h t = 3 + 410 h - 70 不节流 正常 符合升 81 p = 418 + 010332 h t = 4169 + 416 h 80 节流 节流 符合升气 121 p = 816 + 01071 h t = 1013 + 313 h 120 节流 节流 符合升气 124 p = 5175 + 0104 h t = 612 + 411 h 125 节流 节流 符合东 4 p = 510 + 01269 h t = 615 + 410 h - 20不节流 正常 符合2  气井防治水合物技术研究211  井下节流防治气井水合物技术21111  井下节流防治水合物机理 [3 ]水合物是在一定的压力、温度平衡体系中形成的 , 根据室内实验结论 , 预防水合物形成的方法就是降低井筒内天然气压力或提高采出天然气的温度。为此 , 研究了固定式和活动式井下节流器。井下节流工艺原理是将地面气嘴移到井下产层上部油管内 , 使天然气的节流、降压、膨胀过程发生在井筒内。通过井下气嘴节流、降温后的天然气仍可吸收地层热量 , 降低气嘴上部天然气压力 , 提高采出天然气的井口温度 , 破坏水合物的生成条件 , 达到防治水合物生成的目的。21112  井下节流参数优化为保证井下节流工艺预防水合物的生成 , 开展了井下节流参数优化研究 , 对井下节流器油嘴的设计及下入深度进行优化。通过研究得出计算公式为 ( 273) β K - Z ( K - 1) / K - ( 273) ] (1)式中   ——不生成水合物的气嘴最小下入深度 ,m ; ——地温增率 , m/ ℃ ; ——地面平均温度 , ℃ ; β K ——— 01546 ; Z ———气体压缩系数 ; ——深度为 h 处的井筒温度 , ℃。d = 01015 684 γg 1( 1) [ ( 2K + 1) 2 - ( 2K + 1) K+ 1 ]2)式中   d ———气嘴直径 , ——标准状态下通过气嘴的体积流量 , d ; ——气嘴入口处的压力 , γ g ———天然气相对密度 ; ——气嘴入口处温度 , K; ——气嘴入口状态下的气体压缩系数 ; K———天然气的绝热指数。212  气井解冰剂防治水合物技术在治理水合物的过程中 , 井下节流工艺发挥了重要的作用 , 但该技术在应用中也暴露出一些问题。为此 , 在现有工艺技术的基础上 , 研究开发出适合于气井水合物特点的低成本高效解冰剂 , 以解决水合物冻堵问题。该解冰剂主要利用动力学抑制原理 \[4 \], 通过降低水合物的成核速率、延缓直至阻止临界晶核的生成、干扰水合物晶体的优先生长方向及影响水合物晶体定向稳定性等方式抑制水合物的生成。选用解冰剂原料的前提是不伤害管柱、无不溶物、不与地层水发生反应、对人体无伤害和满足环保要求。根据水合物性质及形成原因 , 采用物理吸附的方式并通过大量低温实验 , 筛选出溶解水合物的最佳配方 , 筛选条件是 :(1) 具有多个强吸电子基的低分子有机化合物 ;(2) 与水分子结构相近。选取了 3 种药品作为解冰剂主要原料 , 结构式为 : R — C — C — C — ( C) — C — R — C —(C) — C — 分别命名为 , 其中 R、 强吸电子基团 , 它和水分子中的氢原子以氢键的方式形成多点结合 , 从而破坏水合物晶体结构 , 达到解除冻堵的目的。3  防治水合物技术现场应用情况311  井下节流现场应用2 a 来 , 共在 10 口气井进行了井下节流工艺试验。 2002 年 , 对易产生水合物的 6 口井采用井下节流措施。措施前 , 6 口井平均月开井仅有 12 d , 措施后平均油压下降了 2125 实现了连续生产。 2003年实施井下节流 4 口井 , 其中 3 口井下入节流器前 ,开井时率只有 70 % , 措施后 , 平均油压由试验前6164 降至 3151 下降了 3113 实现了连续生产。312  化学解冰剂的现场应用为检验化学解冰剂的现场应用效果 , 特选取 4 口经常发生水合物冻堵的气井进行解冰作业 , 均解除了冻堵 , 且都实施了井下节流工艺。升 66 井于 1989 年投产 , 2002 年 10 月进行了 压裂后油压由 3 至 10 产量达到了 115 × 104 由于工作制度的变化 , 压裂后经常发生水合物冻堵问题。 2003 年 3 月 , 在进行井下节·37·  2004 年 6 月           纪宝君 : 气井水合物防治技术研究与应用流器投送的过程中 , Φ 60 通井规下到井下 69 m 的时候遇阻 , 采用 Φ 50 加重杆通井 , 经反复撞击无效 ,决定加入液体解冰剂。 加药量为 20 d , 在连续加药 1 周后 , Φ 60 通井规顺利下到了井底 , 使节流工艺得以实施。汪 10214 井于 2001 年投产 , 油压 614 套压819 日产气 01448 × 104井在冬季生产过程中经常发生冻堵 , 在投送井下节流器前进行通井时 , 发现下到井下 60 m 遇阻 , 判断为水合物冻堵 ,对其加入化学解冰剂进行解堵施工 , 加药量为30 d。 10 d 后 , 再次进行通井作业 , 通井规顺利下到井底 , 实施井下节流器投送。4  结 论(1) 井下节流技术降低了油管内压力 , 破坏了水合物的生成条件 , 是防治水合物经济有效的方法。(2) 应用井下节流工艺技术 , 无法直接测量井底流压 , 测量前需将井下节流器捞出。参考文献 :\[1 \]杨继盛 1 采气工艺基础 \[M\]1 北京 : 石油工业出版社 , 19941\[2 \]吴德娟 1 天然气水合物新型抑制剂的研究进展 \[J \]1 天然气工业 , 1998 , 18 (6) 1\[3 \]刘鸿文 1 井下节流机理及应用 \[J \]1 天然气工业 , 1990 , 10 (5)1\[4 \]陈慧芳 1 天然气水合物抑制剂 \[J \]1 石油与天然气化工 , 1996 , 3(2) 1编辑 : 徐衍彬(上接第 69 页 )4  结 论(1) 改进了拟三维裂缝缝中流体及近缝地层温度场计算模型及其解法 , 避免了在计算温度场时计算缝内液体流速 , 便于实际应用。(2) 缝内流体与岩石壁面存在温度差。(3) 在裂缝中 , 缝口单元温度接近井底温度 , 缝端单元温度接近地层温度。(4) 压裂液冷却效应波及距离呈曲线变化 , 在缝口最大 , 在缝端最小近缝地层除边界等温线呈椭圆形外 , 其它等温线近似为平行四边形。符号说明 :A ———平均裂缝截面面积 , t ———施工时间 ,s ; q ———平均流体流量 , s ; x ———以井筒为原点裂缝上各点的距离 , m ; ——裂缝平均缝高 , m ;——滤 失 速 度 , m/ s ; ——裂 缝 内 流 体 的 温度 , ℃ ; λ ———换热系数 , (s) ; ρ f ———流体密度 , ——流体比热 , ( ) ; ——缝壁岩石的温度 , ℃ ; ——岩石温度 , ℃ ; y ———垂直于裂缝壁面的距离 , m ; δ ———滤失带厚度 , m ;φ ———地层孔隙度 , 小数 ; ——液体传导系数 ,(m· s·℃ ) ; ——岩石传导系数 , (m· s·℃ ) ;ρ r ———岩石密度 , ——岩石比热 , ( ) ; ——滤失系数 ; τ ———液体到达 x 处的时间 , s ; —— ;参考文献 :\[1 \] [J \]1 1962 , (4) : 4221\[2 \]熊宏杰 , 任书泉 1 一种新的缝中温度场模型 \[J \]1 西南石油学院学报 , 1986 , (2) : 142181\[3 \]李 平 1 水力压裂裂缝的缝中温度计算公式 \[J \]1 天然气工业 ,1991 , 11 (1) : 392421\[4 \]李青山 1 水力压裂裂缝三维延伸数值模拟研究 \[ D \]1 四川南充 :西南石油学院 , 19961\[5 \]H D R L P of n [J \]11993 , 32 (5) : 382471\[6 \]张 平 , 赵金洲 , 郭大力 1 水力压裂裂缝三维延伸数值模拟研究\[J \]1 石油钻采工艺 , 1997 , 19 (3) : 532591编辑 : 何先华·47· 大庆石油地质与开发          第 23 卷  第 3 期 of t to to D : 100023754 (2004) 0320061204A of of et ( on of of of in by of of of It is on of by D : 100023754 (2004) 0320065203of of in , 63517 , of on as of of of It of a of of D : 100023754 (2004) 0320068202A of et ( 2D we in is a is in at in to of is is D : 100023754 (2004) 0320070202in et (,63453 , on of by D : 100023754 (2004) 0320072203of , 63514 , of of it is to of to of of of is By be of of of of of of of to of 0 to of of is an to of D : 100023754 (2004) 0320075202of to et ( 63318 , 622 as of as to S (to we 11 102 of : 1) .      2004     \[5 \]
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