氣井試井期間水合物的形成及解堵——工業(yè)論文

一研究的意義

要對水合物進行研究，首先要明白什么是水合物?天然氣水合物又稱可燃冰，是烷烴氣體和水分子形成的籠狀結(jié)晶，將二者分離，就能獲得普通的天然氣。這種外面看起來像冰一樣的物質(zhì)是在高壓低溫條件下形成的，也就是說，它通常存在于大陸架海底地層以及地球兩極的永久凍結(jié)帶。其形成于水的凝固點以上的某溫度下，此時或者液態(tài)水在高壓下與天然氣共存，或者氣體被冷卻到水化溫度以下而水被冷凝。水合物屬于一種被稱為籠形包合物類的物質(zhì)。它通常也被稱為水化物。

在氣井產(chǎn)能試井過程中，井內(nèi)油管是底層流體流出的唯一通道，經(jīng)常出現(xiàn)的井內(nèi)油管在400米左右至井口水合物聚結(jié)堵塞現(xiàn)象(在蘇76-4-19測壓時，在410米處遇見過水合物，這是我從事試井以來遇到的最深的水合物）。水合物聚結(jié)堵塞的危害性很大，井內(nèi)油管水合物聚結(jié)堵塞，不僅給試井電子壓力計的起、下帶來嚴重的影響，使得本來連續(xù)的試井過程中斷，影響資料的錄取，而且還會給后續(xù)的投放節(jié)流器施工增加多道工續(xù)。幾年來油管水合物堵塞至使多只壓力計落井，資料丟失，造成直接和間接經(jīng)濟損失達數(shù)百萬元。解堵通常情況下也是困難重重，加大了施工時間和費用的同時，處理不慎還會導(dǎo)致工程及安全事故發(fā)生。

如何判斷氣井油管內(nèi)什么部位出現(xiàn)水合物聚結(jié)堵塞？水合物聚結(jié)堵塞形成條件？怎樣采取有效措施？成了我們急需解決的重要課題。我蘇里格項目部試井隊多年來，通過多次施工記錄并實驗，查閱大量相關(guān)資料，認真分析水合物形成的原因和規(guī)律，經(jīng)歷了失敗的痛苦也經(jīng)歷了成功的喜悅，終于摸索出一套解決試井過程中水合物堵塞的措施，基本保障了試井資料的錄取工作正常運行。

二水合物生成條件及機理研究

2.1 水合物的結(jié)構(gòu)

要了解其生成條件必須先知道其結(jié)構(gòu)。天然氣水合物是在一定的溫度和壓力條件下，天然氣中某些氣體組分（甲烷、乙烷、丙烷、等）與液態(tài)水形成的白色結(jié)晶固體。天然氣水合物是一種由許多空腔構(gòu)成的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。大多數(shù)空腔里有天然氣分子，所以比較穩(wěn)定。這種空腔又稱為“籠”。幾個籠聯(lián)成一體的形成物稱為晶胞。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

研究表明，可燃冰結(jié)晶成下列兩種結(jié)構(gòu)中的一種：Ⅰ型—具有1.2納米參數(shù)的ＣsCl型體心立方晶格；Ⅱ型——具有1.73 ～1.74納米參數(shù)的金剛石型面心立方晶格。以上兩種晶格參數(shù)值都是在溫度為273.1K時測得。圖2-1概括地表示了Ⅰ型和Ⅱ型結(jié)構(gòu)的晶格。

2.2水合物生成條件預(yù)測

首先溫度不能太高，在零度以上可以生成，0－10℃為宜，最高限是20℃左右，再高就分解了。第二壓力要夠，但也不能太大，零度時，30個大氣壓以上它就可能生成。第三，地底要有氣源。因為，在陸地只有西伯利亞的永久凍土層才具備形成條件和使之保持穩(wěn)定的固態(tài)，而海洋深層300－500米的沉積物中都可能具備這樣的低溫高壓條件。因此，其分布的陸海比例為1∶100。

有天然氣的地方不一定都有“可燃冰”，因為形成“可燃冰”除了壓力主要還在于低溫，所以一般在冰土帶的地方較多。長期以來，有人認為我國的海域緯度較低，不可能存在“可燃冰”；而實際上我國東海、南海都具備生成條件。

另外流體加速、壓力脈動、流向突變及結(jié)晶體等都是水合物形成的催化劑。

可燃冰形成的臨界溫度，可能是可燃冰存在的最高溫度，高于此溫度，不管壓力多大，也不會形成可燃冰。天然氣各組分生成可燃冰的臨界溫度見表2.1。

表2.1 天然氣不同組分形成水合物的臨界溫度

實際工作施工當中，我們總結(jié)分析了氣井油管中水合物形成的規(guī)律：氣井產(chǎn)能試井過程中，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程（也稱理想氣體定律、克拉佩龍方程）PV=nRT（R=0.0814大氣壓·升/摩爾·K 為常數(shù)）可知氣體在由于地層流體在油管內(nèi)往上流動時壓力越來越小，地溫越來越低，使得氣體的體積不斷擴大，而氣體的擴張又是一個吸熱過程，因此溫度越來越低，使地層流體中的水，天然氣和凝析油聚結(jié)在油管內(nèi)壁上，形成水合物凍堵。嚴重時會把井內(nèi)完全堵死，越是氣井產(chǎn)能高，產(chǎn)水量少，一般產(chǎn)氣1萬方同時產(chǎn)水量小于0.5方時,聚結(jié)乳化物最嚴重，再加上下壓力計使用的鋼絲會在流體內(nèi)產(chǎn)生抖動，相當于對流體攪拌，也就更容易形成水合物了。如氣井產(chǎn)出大量地層水，地層水一般溫度較高而且降溫較慢使得油管內(nèi)環(huán)境溫度升高大于臨界溫度，就不會形成水合物。

2.2水合物形成實驗

我們搞清楚水合物的形成，進行了大量的實驗，并對以下四種情況做出實驗結(jié)論如下：1、不加攪拌的條件下，相同表面活性劑濃度、相同反應(yīng)壓力，反應(yīng)溫度越高，水合物形成速率越慢，產(chǎn)生相同體積水合物所需要的時間越長。2、在不加攪拌的條件下相同的反應(yīng)壓力反應(yīng)溫度，表面活性劑濃度在300mg/L時，水合物形成最快。3、在表面活性劑濃度條件、相同的反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力下，攪拌越快，水合物的形成速率越快。4、氣態(tài)水可以使水合物的生成速率加快，但不能替代表面活性劑。

三水合物的解堵措施

水合物的解堵方法有很多，但最常見的，同時我試井隊用的是注醇解堵法和加熱解堵法。而注醇法是最常用的。

3.1注醇解堵法

一般從支管、壓力表短節(jié)、防噴管瀉壓閥等處注入甲醇、來消除油管內(nèi)發(fā)生水合物造成的堵塞。具體方法是將水合物抑制劑壓入油管內(nèi)，溶解油管內(nèi)的水合物，然后跟隨產(chǎn)出的氣體流動，從而將油管內(nèi)水合物的堵塞解除。但是考慮到乙二醇、二甘醇等水合物抑制劑成本高，我們一般通過注甲醇來解堵。

甲醇的理化性質(zhì)

甲醇是最簡單的飽和醇，甲醇含有一個甲基(CH3-和一個羥基(-OH)。因為它含有甲基，所以能進行甲基化反應(yīng)，又因它含有羥基，所以具有醇類的典型反應(yīng)。甲醇的化學(xué)性質(zhì)非常話潑，可與一系列物質(zhì)反應(yīng)，所以甲醇在工業(yè)上有廣泛的用途。

甲醇是最常用的有機溶劑之一，能與水和多種有機溶劑互溶。甲醇水溶液的密度隨甲醇濃度和溫度的增加而減少；甲醇水溶液的沸點隨其液相中甲醇濃度的增加而降低；甲醇屬強極性有機化合物，具有很強的溶解能力，能和多種有機溶液互溶，并形成共沸混合物的特性。?

我們就是利用甲醇獨特的熱力學(xué)性質(zhì)，能與水和多種有機溶液互溶，并形成共沸混合物的特性，并且造價低廉。這是它成為反應(yīng)掉油管水合物堵塞的最佳理由，是我們的最佳選擇。

注醇的方法：

加注甲醇預(yù)防水合物形成的效果主要取決于：一是加注位置，要在形成水合物堵塞位置之前加注；二是利用甲醇在天然氣中有良好的分散性，控制甲醇在油管內(nèi)與地層流體的均勻接觸；三是控制甲醇加注量，以達到有能有效的化解水合物又能降低經(jīng)濟成本

測靜壓及下節(jié)流器時的注醇方法

1，一般從支管、壓力表短節(jié)、防噴管瀉壓閥等處連接上一根能承受40MPa的軟管線。

2，軟管線另一端連接注醇泵 ，連接管線的接頭要放入密封墊來加強密封 。

3，開啟注醇泵開始注醇，在注醇的時候要時刻盯住注醇泵的壓力表，壓力一旦超過35MPa立刻停泵。

4，在注醇一段時間后，下放工具串油管內(nèi)檢測是否解堵。如此直至400m。

測流壓的注醇方法

1，利用油套井底聯(lián)通這一條件，在井口一側(cè)的套壓閥門外接法蘭處安裝一根油管，加裝固定地錨兩根，油管的另一頭安裝一個直角三通，三通一個口垂直向上，用于加注甲醇上絲堵，另一個口安裝卸壓閥門和安裝壓力表，同時也是給此管線試壓泵接口。給此管線試壓30Mpa 20分鐘無壓降。

2，借鑒大牛地計算公式獲得注醇量，加上經(jīng)驗值，合理調(diào)節(jié)醇的使用。

3，在開井試氣前用此管線作環(huán)空連通器，灌注兩管甲醇（70L）,當開井后根據(jù)氣井的產(chǎn)量決定多長時間灌注適量甲醇，一般為2小時灌注一次，甲醇從環(huán)空降至井底置換到油管內(nèi)隨地層流體流出，從而達到對乳化物有效的化解作用。

4，根據(jù)井出液量，可以考慮在注醇的同時，加注適量泡排擠。

3.2加熱解堵法

利用熱源（如熱水、蒸氣）加熱天然氣，將其流動溫度加熱上升至水合物形成的平衡溫度之上，使已形成的水合物受熱分解。研究證明，與金屬接觸面的水合物溫度上升至 30℃～40℃就可以使水合物迅速分解。這種方法適用條件比較嚴格，須滿足以下兩個條件；1，水合物堵塞位置距井口很近；2，井場上有加熱爐的存在。

具體方法：1，加熱爐中注滿水后與氣井連接并充氣。2，點燃加熱爐將爐中水加熱至70攝氏度以上。3，將加熱好的水朝著采油樹底部不間斷的澆灌，直至解堵。

以上兩種解堵方法各有優(yōu)點和缺點。在實際工作中可以根距現(xiàn)場條件和水合物堵塞程度來決定哪種方法，也可以兩種同時采用。

注醇法

優(yōu)點：能解決任何條件下和任何程度的水合物堵塞。

缺點：對于沒有通徑這種嚴重的水合物堵塞，解決較長；解堵成本較高；甲醇是有毒物品，使用時要小心。

加熱法

優(yōu)點：對于處在井口附近、沒有通徑這種嚴重的水合物堵塞，解決迅速；解堵成本低。

缺點：必須滿足3.2的條件，無法解決堵塞位置很深的情況。

四結(jié)論

本文通過研究天然氣水合物在產(chǎn)能試井期間油管中地生成和分解機理，分析其形成的化學(xué)條件、以及產(chǎn)生堵塞安全的處理方法等，得到以下結(jié)論：

形成天然氣水合物的三個基本條件：一是水存在于天然氣中；二是還要有低溫和高壓。對于一定溫度和一定組成的天然氣，壓力降至水合物形成壓力之下則天然氣水合物不會形成；而對于一定壓力和一定組成的天然氣，溫度高于水合物形成溫度天然氣水合物也不會形成。三是溫度必須低于天然氣水露點（是指在一定壓力下，與天然氣絕對濕度相等的天然氣中水蒸氣的飽和含量所對應(yīng)的溫度）。

對產(chǎn)能試井期間油管中形成堵塞的常用處理方法主要有兩種：注入抑制劑法、加熱解堵法。兩種方法各有優(yōu)缺點，用時根據(jù)現(xiàn)場條件和水合物堵塞情況決定。

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