气井井筒内天然气水合物形成预测及预防措施研究

张 锟，江厚顺，张红伟，孙宏亮 （长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

气井井筒内天然气水合物形成预测及预防措施研究

张 锟，江厚顺，张红伟，孙宏亮 （长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

天然气水合物是由水和天然气组成的结晶化合物。在气井降压生产的过程中，井筒中通常容易形成水合物，这些水合物一旦形成，会导致井底积液，对气井的正常生产带来很大的危害。因此了解井筒中水合物形成的条件，预测和预防水合物的形成就显的尤为重要。计算了XX区块M4井不同油管尺寸、不同日配气量、不同井底流压下井筒水合物形成的温度和压力，通过分析计算结果，归纳了影响水合物形成的因素，最后针对区块气井提出了井筒水合物的预防措施。

天然气水合物；井筒水合物预测；井筒水合物预防

天然气水合物也称做水化物，在一定的条件 （温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值）下由天然气中饱和水［1］和天然气组成的类似冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。可用M·nH2O来表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数。

天然气水合物的形成与分布主要受烃类气体来源和一定的温度、压力条件控制，天然气水合物的形成除高压、低温条件以外，还必须拥有充足的天然气来源和含水介质。形成天然气水合物的基本条件主要包括：①天然气温度等于或低于天然气中水汽的露点，组分中有自由水的存在；②低温，达到了水合物生成的温度点；③高压，水合物存在的最高温度称为水合物生成的临界温度，如果高于此温度，在任何压力下都不会形成水合物；④水合物形成的其他条件，如高流速、压力波动，气流受干扰、酸性气体（硫化氢和二氧化碳）的存在、微小水化晶核的诱导等。

1 天然气水合物的主要危害

①周壁上如果形成水合物，会使光滑的管壁变成粗糙管壁。部分混合流体通过这段管壁，而另一部分液体在管壁上滑脱。②水合物在管壁内会形成不致密的网状塞子，在混合液举升过程中，气体穿过不致密的塞子，部分液体碰上这个塞子自动滑脱，使井底的积液越来越多，最终使气井过早停喷。③水合物会在油管内形成致密的塞子，完全把油管横截面堵死，使气井再也无法正常生产。

2 水合物预测方法选择

目前，确定天然气水合物生成条件 （温度和压力）的方法可归纳为相平衡计算法、图版法、波诺马列夫方法和统计热力学法［2］。前3种方法比较简便实用，但其误差可达20%；统计热力学方法是根据系统理论，将天然气水合物宏观相态行为与其分子间的相互作用联系起来，引入配分函数来描述气体水合物生成条件。理论基础严密，通用性强，便于运用计算机在较宽的范围内对水合物生成的温度、压力条件进行连续求解。统计热力学法是以Vander Waalshe和Platteuw的统计热力学为基础，研究水合物晶格中的化学势，根据热力学位势能平衡理论，得到一非线性方程，并采用牛顿迭代法求解，该方法得到的结果精确度较高。

3 水合物形成的温度、压力平衡条件差异性分析

在一定的压力下，生成水合物的温度称为水化温度。因为必须要有自由水存在才有可能形成水合物，所以水化温度总是低于天然气的露点温度。天然气水合物生成的压力、温度主要与天然气的组成有关，以XX区块气藏的M4井天然气组分为例 （如表1所示），在地层压力为33MPa，井底温度为120℃的情况下进行闪蒸计算（使用Pipesim软件），计算结果如图1所示。

天然气水合物形成的基本条件中，低温条件比高压条件更具控制作用。利用天然气水合温度－压力平衡图可以得出：①当正常生产的温度和压力曲线与水合物的温度－压力平衡相图相交时，这时候会形成水合物；当生产的温度、压力曲线与水合物的平衡相图没有交点时，则不会形成水合物。②水合物的温度和压力的平衡具有明显的过程差异性。

分析计算结果可以看出，当温度T≤－53℃时，临界分解压力仅为0.08MPa，低于大气压，说明当水合物温度低于－53℃时，在常压下也不会分解；当－53℃≤T≤0℃时，水合物的临界分解压力由0.09MPa增加到1.23MPa。即每降低1℃需要增加0.0215MPa的压力，就可以使水合物不分解；当水合物温度在0℃以上时，随着温度的升高，每降低1℃需要增加更多的压力才能保证水合物不分解。

表1 M4井天然气组分

以上温度和压力平衡的过程差异性表明，在低温条件下时，天然气水合物稳定性好，对压力条件要求低，但在非低温条件下时，天然气水合物很不稳定，而且对压力条件要求高。

图1 水合物温度－压力平衡相图

4 井筒内水合物形成预测

对于气井来讲，井口温度的大小主要受气井产气量和采气管柱结构的影响，一般而言，产气量越高井口温度越高；产气量一定时，采气油管尺寸越大气井井口温度越低。这里以XX区块的M4井计算为例，通过使用Pipesim软件建立井模型，预测了不同油管尺寸、不同井底流压、不同产气量下井筒水合物生成情况［3－4］。计算的过程中没有考虑井下是否存在节流降温。

4.1 不同油管尺寸下井筒内水合物形成预测

在预测M4井不同油管尺寸下水合物的生成情况时，模型的入口压力取系统试井提供的目前情况下井底流压，以23/8in、27/8in、31/²in、4in油管尺寸作为敏感参数，计算了气井产量为1×104m3／d时的水合物生成情况，计算结果如图2所示。通过上面的计算结果可以看出，对于M4井，在产气量比较低的情况下 （产气量设置为1×104m3／d），采用31/²in、4in油管生产井筒内有水合物生成，采用23/8in、27/8in油管生产井筒内没有水合物生成。

目前区块气井的产量较低，因此建议区块气井采用23/8in、27/8in小尺寸油管，可以有效防止水合物的生成。

4.2 不同井底流压下井筒内水合物形成预测

由于XX区块采用衰竭式的方式进行开采，随着开采的进行，井底流压越来越低，井筒内的温度也会降低。取M4产量为2×104m3／d，油管尺寸选择23/8in，对不同井底流压下井筒水合物的生成进行了预测，计算结果如图3所示。通过计算结果可以看出，井底流压在17MPa以上时，井筒中没有水合物生成；当井底流压降到17MPa以下，井口的温度、压力都随之降低，这时水合物曲线和生产P-T曲线有交点，说明井筒中有水合物生成。

4.3 不同产气量下井筒内水合物形成预测

以产气量作为敏感性参数，以M4井为例，计算了不同产气量下水合物的生成情况，计算结果如图4所示。通过上面的计算结果可以看出，对于M4井，当产气量为1×104m3／d和2×104m3／d时，井筒没有水合物生成；当产气量为4×104m3／d时，生产P-T曲线与水合物相图相交，井筒中有水合物生成。

图2 M4井产气量为1×104 m3／d的水合物预测曲线

图3 M4井不同井底流压下水合物形成预测

5 井筒内水合物形成预防

笔者提出的预防水合物的措施［5－6］主要有以下几个方面：①从上面的分析可以看出，气井的井筒温度随产量的增大而升高，因此可以通过调节气井产量的方法预防水合物的形成。在开发初期，在地层压力比较高时可以适当提高区块气井的产量来预防水合物的形成；在开发的中、后期，可以采取部分井关井等措施，避免气井在特低产情况下生产，从而预防水合物的形成。②在产量固定的情况下，气井水合物的形成与油管的尺寸有关。油管直径越大，越容易形成水合物。因此针对目前区块单井产量普遍较低的情况，建议采用尺寸较小的油管进行生产。③要保持比较平稳的工作制度：气井生产工作制度波动大，会造成气井的压力波动过大，易形成水合物。

图4 M4井不同产气量下井筒水合物生成预测

6 结论及认识

（1）水合物温度和压力平衡的过程差异性表明，在低温条件下时，天然气水合物稳定性好，对压力条件要求低；但在非低温条件下时，天然气水合物很不稳定，而且对压力条件要求高。

（2）对于XX区块的M4井，在产气量一定的情况下，通过分析可以看出，采用小尺寸油管尺寸可以有效预防水合物生成；在油管尺寸一定的情况下，选择较低的日配气量可以有效预防水合物的形成。

［1］栾春芳，董娟 .计算饱和天然气中含水量的新方法 ［J］.国外油田工程，2006，19（7）：38-40.

［2］杨继盛 .采气工艺基础 ［M］.北京：石油工业出版社，1992：247-257.

［3］杜含彬 .天然气水化物形成条件及预测方法 ［J］.科技致富向导，2011（21）：203-207.

［4］李安星，天然气水合物形成速度的影响因素 ［J］.油气田地面工程，2008，27（7）：8-10.

［5］王樊科，张积峰 .采输气工程中水化物的形成、预测及防止分析 ［J］.天然气与石油，2000，18（4）：16-19.

［6］张亮，马认琦，苏杰，等 .天然气水合物形成机理及有效清除 ［J］.石油钻采工艺，2010，32（3）：35-36.

Prediction and Measures for Natural Hydrate Formation in Gas Wellbore

ZHANGKun，JIANG Hou-shun，ZHANG Hong-wei，SUN Hong－liang（Yangtze University，Wuhan430100）

Gashydrate is a kind of crystalline compounds composed of water and gas.In the process of depressurized producting of gas well，it is easy to form hydrate in the wellbore.Once these hydrate is formed，it could lead to bottom effusion and bring great harm to the normal production of gas well.So it is particularly important to predict and prevent the formation of hydrate while understanding the formation conditions of the hydrate.The paper calculates the different tubing sizes，the different gas daily output，and the temperature and pressure for forming the wellbore hydrate under different bottom-hole flowing pressures of M4Well in XX Block.Through analysis on the calculation results，the paper summarizes the factors that has influence on the formation of hydrate.Finally it puts forward preventive measures of preventing wellbore hydrate for the gas well in this block.

hydrate；wellbore hydrate forecast；wellbore hydrate prevention

TE311

A

1673-1409（2013）20-0094-03

2013-03-12

张锟 （1986-），男，硕士生，现主要从事采油工程方面的研究工作。

［编辑］ 洪云飞