气井天然气水合物预警临界线预测与试验对比分析

2013-08-20郭小哲中国石油大学北京石油工程学院北京102249

石油天然气学报 2013年2期

郭小哲（中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）

王福升，赵志辉（中石油西部钻探试油公司，新疆克拉玛依834000）

气井在测试过程中，由于工作制度频繁变化、复杂的不可预见因素较多、现场管线保温等措施不够完善等，井口会时常遇到高压低温情况，而此时井筒内结冰冻堵的现象就可能会发生，甚至条件进一步恶化将导致重大工程事故。为了及时预防，可通过对井口的温度、压力和产量进行实时监控，根据天然气的组分预测在实时温度与压力情况下水合物生成的可能性，并给出预警结果。

为了保证预警结果的准确性，对水合物生成的界限（即某压力下的结冰温度或者天然气水合物的p－t图）需要进行研究。通过气样水合物生成试验与理论方法预测的对比来设定水合物生成界限具有充分的科学依据。

1 天然气水合物生成理论预测方法

预测天然气水合物生成压力和温度的方法，主要有图解法、经验公式法、相平衡计算法和统计热力学4类方法[1～3]：图解法通过查图版得到水合物形成的p－t图；波诺马列夫经验公式法对大量试验数据进行回归整理，得出不同密度下天然气水合物生成条件方程；相平衡计算法引入相平衡常数K来计算天然气水合物生成条件，对非烃含量多的气体或高压气体，准确性较差；统计热力学方法推导出了预测天然气水合物生成条件的统计热力学算法，计算精度较高，但涉及参数较多，计算很复杂。

气井测试过程中，许多热力学参数很难准确获得，因此统计热力学方法不宜采用；气井有许多又是高压（井口可达20MPa），因此相平衡法不能采用；图解法和经验公式法适用于气井的水合物生成预测。

对于同一组分天然气（相对密度为0.66），应用图解法和波诺马列夫经验公式计算结果如图1所示。

水合物是高压低温下形成的，因此曲线为形成水合物的临界线，曲线的左边是水合物形成区域，曲线的右边为非形成水合物区域，当井筒中天然气压力温度位于曲线的左边时，井筒中满足生成水合物的条件。

如图1中的两种方法计算的临界曲线存在一定差距，且随着温度的升高，差距愈来愈大。在相同温度下，波诺马列夫经验公式法预测生成水合物的压力要比图解法低较多，即波诺马列夫经验公式法预测结果要比图解法更易生成水合物。但对于预警来讲，过早报警意味着小题大做；若用图解法进行预测，又担心过晚报警造成监测的失败。因此，应该综合分析。

从水合物生成过程来看[4]，其对应的水合临界线实际上是指有水合笼状物（或者结晶体）条件刚达到界限，而真正在井筒内结冰是需要聚集、长大、吸附、增厚等过程，因此，预报水合物生成并不是指已经有冰生成，而是预报在可能的条件下会有冰生成。基于此考虑，不能见风就是雨，可把报警临界线适当降低，由此减少施工工作量及作业成本。而且采用图解法基本不会造成报警过晚。

图1 图解法和经验公式法预测结果对比

2 天然气水合物生成室内试验

生成天然气水合物试验装置示意图如图2所示[5]。

处于恒温箱中的高压反应釜是水合物生成的空间，通过手摇泵向反应釜中推进气体并不断加压，反应釜中已配制好的地层水与天然气接触，在搅拌器的搅拌下模拟气体的运动，通过反应釜侧面的玻璃视窗可直接观察冰渣是否形成，并通过温度压力数据采集系统读出水合物形成的温度和压力。改变不同的温度重复试验，即可得到水合物生成的p－t图。

试验气样来自于准噶尔盆地滴西气田和彩南气田2个工区，分别为DX184井、DX1835井、DX1428井和彩510井。4口井的气体组分构成如表1所示。

图2 天然气水合物试验装置示意图

表1 各井气体组分对比表

图3为4个气样的水合物室内试验结果对比图，从图3中可以看出，DX184井，DX1835井和DX1428井的天然气水合物生成曲线的趋势是大致相同的，彩510井曲线有差异。

彩510井曲线差异的原因是气样中有凝析油存在，而凝析油对水合物的生成又有一定的抑制作用[6]，但当凝析油吸附在内壁或者轴承上时，抑制作用减少，水合物生成难度降低，因此出现异常。

4个气样基本遵循临界线规律，即：温度达到一个较高值（一般30℃左右）以后，温度升高较小的幅度时，若形成水合物则需要压力增加更大的幅度。

气组分密度是影响水合物生成的关键因素，密度越大，同一温度下生成水合物的压力就越小[7，8]，试验中气组分密度由小到大为彩510 井、DX1428 井、DX184井、DX1835井，曲线表现的形式为同一温度下，密度大的易生成水合物，即彩510井气样对应的生成压力最高，其次是DX1428井和DX184井，生成压力最低的是DX1835井。除彩510井异常外，其他理论与试验相符合。

图3 水合物室内试验生成曲线对比图

3 理论预测与试验结果对比

试验结果与图解法对比如图4～7所示。

图4 DX184井理论与试验结果对比图

图5 DX1835井理论与试验结果对比图

图6 彩510井理论与试验结果对比图

图7 DX1428井理论与试验结果对比图

从以上4种不同组分天然气水合物生成室内试验及理论计算对比看出，预测曲线与试验结果总体趋势比较一致，但两者之间也存在差别，尤其是温度越高，两者之间的临界线分化越明显。

试验曲线处于理论曲线的下方，说明相同温度条件下，试验所得水合物生成要比理论预测的早，即若选用图解法时，可能造成水合物预警过晚。

但在和波诺马列夫方法对比时分析一样，图解法在现场不会形成预警过晚的情况。试验中观测水合物生成的临界点时是考查的分解压力，即当水合物生成后降压使水合完全分解时的压力，此时确实有水合物晶胞存在，但结冰需要晶胞的聚集和生长，并吸附在管壁上，况且在气井中，气体的流动与试验中的搅动尚有较大差别，试验中形成的冰晶保持在容器中越变化越大，而气井中形成的冰晶会随着气体流出井筒，不至于积累。因此，有冰晶形成的条件并不一定能够结冰，甚至可以说即便冰晶条件再进一步发展（即压力升高或者温度降低），也不一定能够结冰。

此外，除DX1835井误差较大以外，其他3个气样临界线都在波诺马列夫经验法预测临界线之上，因此，在气井水合物监测时，选用图解法进行水合物的临界线的预测可实现有效的即时预警的目的。