深层气井定产试采施工冻堵问题处理及预防方法

李 铁

中国石油大庆油田有限责任公司试油试采分公司试油大队

1 问题的提出

在大庆油田油气当量重上5 000×104t/a的大背景下，为进一步确定储量及配合天然气回收施工，探井定产试采施工逐年增多。这类试采井在施工设计上通常分为3个阶段，即产能测试阶段、定产试采回收阶段、压力恢复阶段。

水合物冻堵是影响深层气井试气试采顺利施工、资料录取连续的主要问题。水合物是在高压低温情况下[1]由天然气某些组分（如甲烷、乙烷等）和游离水形成的笼形结构的冰状晶体，为非化学计量型固态化合物，外观类似松散的冰或致密的雪[2]，因其外观像冰一样且遇火即可燃烧，所以又被称作可燃冰[3]。其生成的必要条件：气体处于水汽的饱和或者过饱和状态并存在游离水；有足够高的压力和足够低的温度。辅助条件：压力的波动和气体高速流动；流向突变产生的搅动；水合物的存在及晶体停留的特定物理位置（阀门、孔板、弯头、粗糙管壁）；酸性气体(硫化氢和二氧化碳)的存在、微小水合物晶核的诱导等因素也起促进作用[4]。

庆深气田的深层气井试气施工中，平均每年都会出现10井次（约560 h）以上的因水合物冻堵而关井的现象，冻堵位置通常在井筒内、井口或油嘴管汇下游处。水合物冻堵在严重影响试气资料录取的同时，还延长了施工进度、增加了施工成本和施工风险。这类深层气井井口压力普遍都超过30 MPa，最高可达45 MPa。根据水合物的形成条件，在开井施工后，井内流体在井筒内及地面试气流程中高速流动，井筒及地面流程压力随之降低，使得井内流体经过节流后温度急剧降低，极易在井筒或地面流程中发生水合物冻堵，而这一问题在环境气温低的冬季尤为明显。

2 SS103H井的冻堵问题及处理过程

SS103H井是松辽盆地北部深层构造的1口深层水平探井，该试采区块平均地层压力系数为1.05，平均温度梯度为4 ℃/100 m，属正常压力系统和正常温度梯度。该井进行过2次系统试气，标准试气结论均为工业气层。该井井口压力高达37 MPa，开井后压力下降较快，最高产气量16×104m3/d，井内管柱为底部带有筛管的Ø73 mm NU油管。为了进一步落实储量及加快产能建设，该井试采定产为4×104m3/d，属于典型的高压、低产气井，因此极易发生水合物冻堵现象。

2.1 钢丝作业测采前静压及压力梯度施工中出现的冻堵及处理过程

由于该井井口四通位置有1个尺寸为53 mm的缩径变扣，因此选用外径为48 mm的井下工具进行钢丝测压作业。在下放通井工具过程中，钢丝工具反复在井下5 m处遇阻。随后上提起出工具，工具上带有大量水合物（图1），从而判断该井由于长时间关井造成井筒内水合物冻堵，冻堵位置为距井口5 m处。

图1 钢丝通井工具上带有的大量水合物照片

水合物的分解要消耗大量的热[5]，因此可应用挤注热水法进行解堵。用泵车向油管内挤注85 ℃的热水。由于大量水合物冻堵在该处，完全堵塞了油管，泵压迅速升高至40 MPa，导致油管内无法挤入热水，因此改为向套管内挤注热水间接解堵。该井油套环空间隙较小，为保证解堵效果，向套管内挤注热水时，须严格控制挤注的流量速度。每次向套管内挤注热水2～3 h后，改为向油管内挤注热水，如果泵车迅速起压，表明解堵未成功，须要继续从套管内挤注。经反复试验，排量控制在1 m3/h时解堵效果较好。反复解堵7 d，解除了井筒内水合物造成的井堵，完成了钢丝作业测静压梯度施工。

2.2 产能测试开井降压清液施工中出现的冻堵及处理过程

产能测试初期，多次采用Ø4.76 mm油嘴和Ø5.56 mm油嘴控制开井试气，均在试气过程中出现因水合物冻堵而关井的现象，试气过程及处理冻堵的方法如表1所示。

用Ø4.76 mm油嘴试气2次，Ø5.56 mm油嘴试气3次，都在开井6 h内（低于8 h才算稳定的试气标准要求[6]）出现了井下产生的水合物返出地面造成地面流程冻堵的现象（图2、3）。由于开井时间较短，没有达到资料录取要求，决定改用Ø6.35 mm油嘴控制试气。试气的同时用锅炉车不间断地刺地面流程易冻堵处，并用关小三相分离器进口盘管处针阀的方法进行二次节流，这样做是为了让流程内的流体充分吸收锅炉车释放的热蒸汽和分离器水柜内的温度，以达到提高流体温度、预防水合物的目的。这两项措施的实施，使得地面流程管线虽然也出现结水合物的现象，但整个地面流程并未被水合物完全堵死，保证了试气的连续性，取得了较好的预防效果。该油嘴下开井试气25 h，实测日产气14×104m3左右，在达到资料录取要求后实施地面关井。此时，为处理水合物冻堵投入施工成本约150万元。

表1 Ø4.76 mm和Ø5.56 mm油嘴试气结果及处理方法对比表

图2 Ø4.76 mm油嘴下水合物堵塞图

图3 Ø5.56 mm油嘴下水合物堵塞图

2.3 定产试采施工中预防水合物所形成的施工措施

本着对水合物预防为主、防治为辅的原则[7]，为保障该井定产试采阶段的顺利进行，减少水合物冻堵的次数和时间，通过总结产能测试阶段处理水合物冻堵的施工经验，在该井定产试采阶段，主要从以下几方面开展了预防工作：①改进地面试气流程。在地面试气流程中（图4）加入加热炉，同时在油嘴管汇上、下游加装了4根保温管线，采用局部加热[8]的方法为地面试气流程保温（图5）。②开井前向除砂器砂筒内倒入乙二醇防冻堵剂至出气口位置，保持砂筒浸泡在乙二醇中（图6）。③将加热炉内及分离器水柜内的水加热至85 ℃。④产能测试阶段的试验表明，为便于控制定产试采时的气产量（4×104m3/d），优化选择出较合理的油嘴尺寸为4.73 mm[9]。⑤采用二级节流降压法（图7）。即固定油嘴进行一级节流降压后，利用分离器进口盘管处的针阀进行二级节流降压。⑥在压差异常点上游阀室[10]（例如井口采气树针阀处和油嘴管汇上游数据头处）持续向井内和地面流程中注入乙二醇防冻堵剂。经试验，确定注入量为10 kg/h时效果较好。

图4 产能测试阶段地面流程示意图

图5 定产试采阶段改进后的地面流程示意图

图6 试采时向除砂器砂筒内倒入乙二醇照片

图7 试采时用三相分离器针阀二级节流降压照片

以上几项预防工作的开展，使得该井在定产试采阶段没有发生水合物冻堵，资料录取完整、连续，定产试采施工顺利完成。

3 冻堵问题分析、预防和处理方法

3.1 问题分析

在试气过程中，防止水合物生成和解冻有两种途径：一是控制热力学参数，使其不生成水合物或已生成的水合物发生分解；二是用表面活性剂改变水合物的聚集状态或管壁性质，使生成的水合物不易结块或难以黏附管壁[11]。因此要想法破坏掉了水合物形成的条件，具体包括压力条件、温度条件以及湿度条件。在这几个条件中，压力条件和温度条件符合气态方程关系，在压力降低的情况下，会使气体吸热，对此压力降幅大小应匹配于加热情况[12]。

SS103H井定产试采阶段能够在没有发生水合物冻堵的情况下顺利完成，其主要措施在以下几个方面。

1）在地面试气流程中加入加热炉和保温管线。利用锅炉车对地面流程保温管线进行保温，并将加热炉内及分离器水柜内的水加热至85 ℃，保证井内流体在开井后产生压降时能够吸收足够量的热量，同时在多级降压时进行多级加热[13]。目的就是让管线内流体的温度一直高于水合物形成的临界温度，破坏水合物形成的低温条件。

2）采用油嘴管汇、分离器二级节流降压，提高油嘴管汇下游与分离器之间的压力至10 MPa， 使压力不能迅速下降，破坏水合物形成的压力条件。

3）在井口和油嘴管汇上游处注入乙二醇防冻堵剂、向除砂器砂筒内倒入乙二醇防冻堵剂至出气口位置，改变水合物的聚集状态和管壁性质，使水合物不易生成和难以黏附管壁。

3.2 预防及处理方法

在定产试采施工中，用小油嘴试气时，会因为多次产生水合物堵塞管柱及地面流程，给操作人员和设备带来了较高的安全风险。因此建议在以后的定产试采井中应做到以下几个方面。

1）施工前做好地面保温工作，油嘴管汇上、下游各连接两根保温管线。施工时用锅炉车对保温管线持续保温。如果出现地面流程冻堵，则需要地面关井，泄压后用锅炉车刺地面流程冻堵处，直至刺通方可继续施工。

2）产能测试降压清液施工时，如果直接用小油嘴试气，极易因高压低产而增加保温难度，造成管柱及地面管线冻堵。应先采取选用偏大油嘴尺寸控制放喷[14]，然后用油嘴尺寸从大到小逐级降产降压的方案。先用大尺寸油嘴控制放喷，降低井内压力，待井底积液返出或将井底热量通过天然气流动传递到地面流程后，再逐级调小油嘴尺寸至设计要求。

3）在定产试采施工时，在二级节流降压的基础上，进行三级节流降压。即油嘴管汇使用固定油嘴进行一级节流；关小加热炉进口针阀控制油嘴管汇下游和加热炉之间的压力至15 MPa，进行二级节流；关小三相分离器进口盘管针阀控制加热炉和分离器之间的压力至8 MPa，进行三级节流。让流经加热炉和分离器盘管内的井下流体充分吸收加热炉和分离器水柜内的温度，使地面流程整体温度由零下提高至零上，以达预防水合物形成的目的。

4）从井口采气树针阀和油嘴管汇上游数据头处，持续向地面流程中注入乙二醇防冻堵剂，抑制水合物的聚集和黏附管壁，注入量由现场实际情况而定；向除砂器砂筒内倒入乙二醇防冻堵剂至出气口位置，保持砂筒浸泡在乙二醇中，防止砂筒内形成水合物，避免堵塞除砂器。

5）施工中若出现井筒内或井口冻堵，可用向油管内挤注热水并配合锅炉车刺井口的方法解堵；若油管内完全被水合物堵塞，无法挤注热水，可改用套管挤注法。挤注热水的时间和排量须根据现场实际情况而定。

4 结论

SS103H井定产试采施工的顺利完成，为今后在深层气井高压低产定产试采施工中，处理水合物冻堵和预防水合物形成积累了一定的施工经验：

1）提前介入设计[15]，在设计阶段对施工井的压力和环境温度进行冻堵预判，选择合理的地面试气流程，并制定合理的工作制度。

2）做好各项预防工作，准备好保温设备和保温车辆以及足量的防冻堵剂和热水。

3）采用油嘴尺寸由大到小逐级降压法，并结合二级或三级节流降压法进行试气施工。

水合物的预防处理措施不仅能够保障试气施工的顺利进行，还确保了资料录取的连续性，提高了资料的合格率，降低了施工人员的安全风险，并可节约处理冻堵施工成本约10万元/d。该井预防水合物的措施和方法不仅能在深层气井定产试采中应用，还可在深层气井系统试气中推广应用。该方法目前已推广应用10口井，均做到了一次性成功开井并顺利施工，为庆深气田的深入勘探开发打下了良好的基础。