郭小哲 薛秀敏 王福升 竇紅梅 胡 南 董繼龍

（1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249；2.大港油田公司，天津 300280；3.中石油西部鉆探試油公司，新疆克拉瑪依 834000）

天然氣生產(chǎn)時(shí)一般伴有水，當(dāng)井筒中的水達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，由于氣、水混和流體的密度較小，由井底到井口將保持較高的壓力，若遇到井筒溫度較低時(shí)，就會(huì)生成天然氣水合物晶體并隨著條件的進(jìn)一步成熟聚集在油管壁或者節(jié)流器而形成冰堵，給生產(chǎn)造成困難。尤其是氣井測(cè)試期間的工作制度頻繁改變，再加上對(duì)氣井生產(chǎn)狀態(tài)尚沒(méi)有形成清晰的認(rèn)識(shí)，井筒生成水合物的潛在威脅更大。為了盡可能避免操作過(guò)程中的疏忽帶來(lái)井筒或者井口的結(jié)冰事故，對(duì)井口生產(chǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及由此計(jì)算井筒多相流物性參數(shù)，以提供氣井水合物實(shí)時(shí)預(yù)警的理論方法具有重要意義。

氣井水合物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于井口和分離器之間，距離井口約10 m距離，實(shí)時(shí)收集經(jīng)過(guò)該點(diǎn)的天然氣壓力、溫度和流量，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)線傳送到帶有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電腦終端，經(jīng)計(jì)算分析后若達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)則發(fā)出報(bào)警聲音以提示現(xiàn)場(chǎng)操作人員做好預(yù)防準(zhǔn)備。

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)氣藏參數(shù)、井筒參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)及生產(chǎn)參數(shù)等計(jì)算井筒沿程壓力溫度分布，再由圖解法得到不同組分的天然氣水合物p-t，判斷井筒中是否達(dá)到水合物生成條件，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)警和預(yù)防。

依據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)以下3 個(gè)計(jì)算模塊：井筒參數(shù)計(jì)算、水合物生成預(yù)測(cè)、預(yù)警。

1 井筒參數(shù)

由距離井口約10 m 處取得的近似井口溫度、壓力和流量，把井的工作狀態(tài)分為開井和關(guān)井兩種，不同生產(chǎn)狀態(tài)的井筒參數(shù)計(jì)算有所不同。

1.1 開井狀態(tài)

當(dāng)氣體從井底沿井筒向上流動(dòng)時(shí)，由于氣體和井筒周圍地層之間存在溫差，因此必然通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射3 種傳熱方式向周圍地層傳熱，如圖1 所示［1］，熱傳導(dǎo)介質(zhì)為油管、環(huán)空、套管、水泥環(huán)和地層。

圖1 井筒向地層傳熱示意圖

根據(jù)Shui & Beggs 井筒溫度計(jì)算方法［1］得到井筒溫度分布公式為

式中，Tf（z）為井筒任一點(diǎn)的溫度，K；Twf為井底溫度（可近似為氣藏溫度），K；gT為地溫梯度，K/m；z為井深，m；A 為松弛距離，其值與產(chǎn)量、流體密度、油管直徑、地溫梯度等有關(guān)，m。

根據(jù)溫度模型可以求取井筒不同點(diǎn)溫度，進(jìn)而求取井筒壓力分布，壓力分布采用Beggs-Brill 方法計(jì)算［2］。其步驟為：以井口壓力為初始點(diǎn)壓力，設(shè)計(jì)迭代井段深度，估算目標(biāo)段壓力大小，判斷流型，計(jì)算流體相關(guān)參數(shù)，計(jì)算壓力梯度，得到理論計(jì)算的目標(biāo)段壓力，與之前估計(jì)的壓力進(jìn)行對(duì)比，若在誤差允許范圍則計(jì)算結(jié)果即為該段壓力，以此結(jié)果為下一段計(jì)算的起始?jí)毫υ龠M(jìn)行迭代，由此計(jì)算到井底得到全井沿程壓力分布。

在計(jì)算監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的井筒參數(shù)時(shí)，所使用的井口溫度和壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與真正監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并不相符，這是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)離井口有一段距離，地面管線的壓力損失和熱損失與流量、地面溫度有著很大關(guān)系，尤其是地面溫度過(guò)低時(shí)，監(jiān)測(cè)得到的溫度與井口溫度相差較多，因此，需要對(duì)井口參數(shù)進(jìn)行地面管線矯正。其壓力、溫度計(jì)算公式為［3］

式中，p1為計(jì)算井口壓力，MPa；p2為監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力，MPa；L 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)與井口管線長(zhǎng)度，m；T 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度，K；d 為地面輸油管直徑，cm；E 為效率系數(shù)；T1為計(jì)算井口溫度，K；T2為監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度，K；T0為地面溫度，K；a = KLπ d /mCp，m 為質(zhì)量流量， kg/d；K 為地面管線總導(dǎo)熱系數(shù)，W /（ m·K）。

1.2 關(guān)井狀態(tài)

關(guān)井后，井筒內(nèi)流體會(huì)向地層散熱，若考慮無(wú)限時(shí)間關(guān)井，則井筒溫度會(huì)趨向地層溫度。井筒內(nèi)溫度計(jì)算公式［4-5］為

各參數(shù)如圖2 所示。

圖2 井筒分段參數(shù)示意圖

地溫梯度按下式計(jì)算

式中，H 為氣層深度，m；Te為地層溫度，℃；T0e為常溫層界限處溫度，℃；z0為常溫層界限深度，m；T0為地面平均溫度，℃，其值可應(yīng)用當(dāng)天最高溫度和最低溫度插值得到。

若井口溫度可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，則可由井口推算到井底求取全井沿程溫度分布。

氣井關(guān)井時(shí)，井的沿程壓力與流體密度相關(guān)，其計(jì)算公式［1］為

為了更準(zhǔn)確地求取井筒壓力，可以應(yīng)用分段迭代方法。即設(shè)定井段長(zhǎng)度Δz，由井口向井底逐步推算，得到全井壓力分布。

2 水合物生成預(yù)測(cè)方法

計(jì)算得到井筒壓力溫度后，結(jié)合不同組分天然氣生成水合物預(yù)測(cè)的壓力溫度圖版即可進(jìn)行水合物生成條件判斷，進(jìn)而可預(yù)警。

預(yù)測(cè)天然氣水合物生成壓力和溫度的方法，主要有圖解法、經(jīng)驗(yàn)公式法、相平衡計(jì)算法和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)4 類方法［6-8］：圖解法通過(guò)查圖版得到水合物形成的p-t 圖；波諾馬列夫經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸整理，得出不同密度下天然氣水合物生成條件方程；相平衡計(jì)算法引入相平衡常數(shù)K 來(lái)計(jì)算天然氣水合物生成條件，對(duì)非烴含量多的氣體或高壓氣體，準(zhǔn)確性較差；統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法推導(dǎo)出了預(yù)測(cè)天然氣水合物生成條件的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)算法，計(jì)算精度較高，但涉及參數(shù)較多，計(jì)算很復(fù)雜。

氣井測(cè)試過(guò)程中，許多熱力學(xué)參數(shù)很難準(zhǔn)確獲得，因此不宜采用統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法，氣井有許多是高壓（井口可達(dá)20 MPa），因此不能采用相平衡法，圖解法和經(jīng)驗(yàn)公式法適用于氣井水合物生成預(yù)測(cè)，本文選用圖解法［9］，如圖3 所示。

圖3 不同天然氣相對(duì)密度的水合物p-t 圖

由圖3 可看出，天然氣相對(duì)密度越小生成水合物相對(duì)越容易，但當(dāng)溫度達(dá)到30 ℃時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出壓力無(wú)論多大也不會(huì)生成水合物的分界線。

由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及計(jì)算的井筒壓力分布，從圖解法中獲得該壓力下對(duì)應(yīng)的水合物生成溫度，與監(jiān)測(cè)及計(jì)算的井筒溫度進(jìn)行對(duì)比，可判斷是否達(dá)到水合物生成條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)警，并提供出現(xiàn)水合物的井段范圍，以便采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

3 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

計(jì)算所得井筒壓力溫度已經(jīng)達(dá)到預(yù)測(cè)的水合物生成條件時(shí)，并不意味著一定要生成水合物。因此，預(yù)警設(shè)置還需要根據(jù)不同情況進(jìn)行設(shè)置。

由天然氣生成機(jī)理［10-11］可知，在天然氣水合物生成過(guò)程中，首先是初始條件下晶胞形成，隨著狀態(tài)的維持或者進(jìn)一步深入，晶胞會(huì)聚集生成晶體，此時(shí)晶體在氣水混合物中仍可以懸浮，隨著晶體增多，晶體聚集會(huì)形成冰渣，在一定程度上，井筒中有冰渣也不一定能形成冰堵，但冰渣在油管、彎頭、閥門上的吸附會(huì)使溫度降低，條件進(jìn)一步惡化就會(huì)堵塞井筒或者井口。因此，具有水合物生成條件時(shí)并不一定形成冰堵，但冰堵一定需要達(dá)到水合物生成條件。

由以上分析可知，報(bào)警界限的設(shè)置既要避免無(wú)意義或者小題大做，又要避免滯后形成晚報(bào)警而錯(cuò)過(guò)預(yù)防時(shí)機(jī)，因此，為了能夠靈活地進(jìn)行報(bào)警界限的確定，可以根據(jù)計(jì)算所得水合物生成溫度進(jìn)行界限浮動(dòng)，當(dāng)?shù)孛鏈囟冗^(guò)低時(shí)報(bào)警界限需要提高，當(dāng)?shù)孛鏈囟容^高時(shí)報(bào)警界限可適當(dāng)放寬。

當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已開始報(bào)警，需要提示對(duì)應(yīng)措施，預(yù)防設(shè)置可增加預(yù)防的及時(shí)性。預(yù)防設(shè)置可選擇為：井口加熱、增大流量、油管加熱、注抑制劑、井下節(jié)流、注熱水或蒸汽等項(xiàng)目。

在以上理論與方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并編制了集實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析計(jì)算、敏感性分析、監(jiān)測(cè)井管理及監(jiān)測(cè)報(bào)表生成與打印等多功能為一體的綜合系統(tǒng)（如圖4 所示），并和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)采設(shè)備相連達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

圖4 氣井水合物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)界面

由準(zhǔn)噶爾盆地DX1426 井實(shí)時(shí)測(cè)試的井筒沿程壓力溫度分布與理論計(jì)算得到結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差基本可控制在5%以內(nèi)。

4 結(jié)論與建議

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為氣井測(cè)試和生產(chǎn)過(guò)程中提供了未雨綢繆、提前布控的報(bào)警功能，加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防水合物的關(guān)注程度。

（2）結(jié)合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，為了避免結(jié)冰事故帶來(lái)的被動(dòng)，應(yīng)該特別重視以下四個(gè)方面工作：應(yīng)用氣井水合物動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件在測(cè)試時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，做好動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，提前報(bào)警提前預(yù)防；完善開井流量控制、關(guān)井時(shí)機(jī)及快慢程度、地面管線加熱及防護(hù)措施、應(yīng)急處理程序等操作規(guī)范，避免不當(dāng)操作引發(fā)結(jié)冰事故；冬季（特別是前半冬季）是水合物高發(fā)期，近井200 m 內(nèi)，是重點(diǎn)防護(hù)井段，重視高危時(shí)段和井段，做到重點(diǎn)防護(hù)；重點(diǎn)防護(hù)井段可采用直接加熱方式，注抑制劑可采用井筒上端部位設(shè)置注入閥等。

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