段瑞溪 王博 潘浩
(1.中國石油集團海洋工程公司工程設計院;2.中國石油集團海洋工程公司)
天然氣水合物廣泛存在于地球永久凍土層以及深海中。據估計,地球上天然氣水合物中所含有機碳資源總量相當于全球已知煤、石油和天然氣等化石燃料總和的兩倍[1]。初步預測結果表明,我國海域天然氣水合物資源量約800×108t油當量。由于巨大的能源存儲量以及清潔利用的可能性,受到全球的重視[2]。2017年5—7月,中國首次在南海神狐海域成功試采天然氣水合物,在60天的試開采時間內,累計產氣30.9×104m3,平均日產5 151 m3,甲烷含量最高達99.5%。目前已經完成的水合物試采包括加拿大Mallik,美國阿拉斯加,日本南海海槽[3-4],中國國家地質調查局南海神狐海域水合物試采,中海油南海神狐海域水合物試采[5]。2017年,國土資源部,廣東省政府、中石油集團簽署《推進南海神狐海域天然氣水合物勘查開采試驗區(qū)建設戰(zhàn)略合作協(xié)議》,同年,水合物新礦種獲得國務院批準,成為我國第173個礦種。開展水合物試采流動保障相關研究,對保障水合物試采成功,以及未來示范區(qū)建設中井筒中的生產、管線集輸中的流動安全有一定的積極作用。
試采的方法包括加熱法、置換法、降壓法、固態(tài)流化法。由于天然氣水合物埋藏較淺,儲層未成巖,試采過程中地層有一定的出砂趨勢。天然氣水合物中的主要成分是甲烷,少量的乙烷與丙烷,不存在硫化氫,而且在試采過程中,氣量較少,不會發(fā)生沖蝕問題。經過對國際上已經完成的水合物試采中流動保障問題以及措施的總結,水合物試采中主要的流動保障問題為水合物二次生成、砂沉積、段塞流的問題,見表1。
在目前的水合物開采方法中,降壓法效果較為有效,文中主要對降壓法試采中流動保障問題進行研究。由于目前公開的資料中,日本水合物試采的資料最為完善,該文研究以日本水合物試采為例開展。
日本在2013年(1次),2017年(2次)進行過三次試采,三次試采中采用的流程相同,2013年日本南海海槽水合物試采流程[5]見圖1。試采開始后,電潛泵抽取地層與油管中的液體,并通過壓井管線排出至水面平臺。由于油管吸入口插入與儲層聯(lián)通的篩管內,油管中的液位降低到一定高度后,井底壓力達到水合物分解區(qū)間,此時水合物開始分解。分解后形成的甲烷與水通過油管進入罐裝ESP(電潛泵),通過罐體與井筒的環(huán)空,在環(huán)空中氣水進行初步分離;分離后的水夾帶部分天然氣進入罐體內ESP吸入口處的分離器,氣水進行二次分離。分離的氣進入ESP罐體與井筒環(huán)空,通過上部的封隔器進入油管后通過油管輸送到地面測試設施。分離出來的水則通過ESP增壓后進入油管,并通過ESP上部的封隔器進入油管與井筒之間的環(huán)空,在泥面BOP處進入節(jié)流管線輸送到地面測試設施。
表1 水合物試采中的流動保障問題
圖1 2013日本南海海槽水合物試采流程
日本水合物管柱試采工藝特點分析如下:在井筒與罐裝泵之間的間隙氣、水進行第一次分離,在ESP入口分離器處進行二次分離,但水中仍含有較多的氣;在氣管路中,由于出口壓力較低,氣具有一定的攜液能力,可以將部分水攜帶排出至試采平臺;由于輸氣管道與輸水管道管徑較小,段塞中液量不大,試采平臺上的分離器可以處理[6],最嚴重的問題是砂沉積、水合物二次生成。
基于砂粒在垂直井筒的中的運動原理,砂粒在水中受重力,表面阻力的作用:
式中:Fw——重力,N;
FR——表面阻力,N;
ds——砂粒粒徑,m;
ρs——砂粒真實密度,kg/m3;
ρl——液體密度,kg/m3;
CD——砂粒阻力系數。
砂粒運動穩(wěn)定以后:
其中vs、vl分別為砂粒沉降速度和液體流速(m/s);在臨界液體攜砂速度vcl下,砂粒速度為0,臨界攜砂水速為:
計算公式是基于球形顆粒得到的,由于砂粒的不規(guī)則,砂粒在水中實際的沉降速度小于計算值,相應的臨界攜砂速度也小于計算值。在分析中,出于安全考慮,忽略砂粒形狀的影響。形狀不規(guī)則砂粒在流體中沉降的軌跡隨機性很大,而實際生產井井筒中產液的流速場又極具復雜性。需要參考借助實驗分析砂在井液中沉降的統(tǒng)計規(guī)律。李明忠[7]針對勝坨油田的油層出砂,以水為井筒產液,對粒徑為0.417 mm、0.355 mm、0.288 mm和0.149 mm的砂粒,在長4 m、內徑30 mm的有機玻璃管中進行了攜砂實驗。研究發(fā)現井筒產液的平均流速達到砂粒自由沉降末速的2.918倍以上。參考李明忠實驗結果,暫時取水臨界攜砂速度為理論值的3倍。
在日本試采中,根據地層取心分析,地層中砂分布數據為見表2。90%的砂粒徑小于156.16 μm,90%的淤泥粒徑小于436.70 μm,90%的黏土粒徑小于448.76 μm。在2013年試采過程中,最初幾乎無砂產出,但是在第6天,有大量砂突然產出,其中上部試采設施中大約有30 m3砂產出。此次分析中取粒徑最大的黏土d90數據進行分析,粒徑取450 μm。在砂大量產出時,水產量約為400 m3/d。臨界攜砂水速為28.3 cm/s,管道中的水速為54.5 cm/s,可以將產出的大部分砂攜帶至水面試采設施,證明計算方法是準確的。
表2 日本地層砂粒徑分布 單位:μm
在輸氣管路中,水合物二次生成的風險較小,而且生成以后,可以通過繼續(xù)降低井底的壓力,促使水合物分解,水管線中水合物二次生成的風險更大。針對2013年水管線沿線的水力熱力情況進行分析,發(fā)現水管線有很大的區(qū)域處于水合物二次生成區(qū)域,日本2013年水合物試采水管線水合物二次生成風險分析見圖2。
圖2 日本2013年水合物試采水管線水合物二次生成風險分析
針對水管線中水合物二次生成后是否會導致堵塞的問題,日本相關學者[8]采用甲烷與水模擬南海海槽的試采流道做了水-甲烷流動條件下的實驗。實驗表明,在高含水的條件下,水合物生成后會呈漿體分散在水中,無論層流還是紊流條件下都很難黏在管壁上,但是在轉彎等水速幾乎為0為的位置,有水合物的黏附。根據美國科羅拉多礦業(yè)大學[9]在長95 m,管徑為97.2 mm高壓水平實驗環(huán)路上,壓力為6.89 MPa條件下,使用含鹽35 ppt的水與純度為99.99%的甲烷進行了水合物生成與流動實驗。實驗表明,當水相中水合物的體積濃度低于14%時,水合物會均勻分布在水中,同時對水的濃度影響很小。在流動條件下,水管道中較難發(fā)生水合物堵塞的事故,2013年日本水合物試采中均無水合物堵塞的相關報告。
但是在管線關停時,在BOP與水管線的連接處,會形成一段氣袋,長時間關停后,水合物可能生成,并將水管線堵塞。在2017年第二次試采中,由于避臺風需要,平臺與管線暫時解脫,在平臺重新回接,生產恢復后,連續(xù)發(fā)生水合物堵塞事故,影響生產約3天。根據日本公開發(fā)表的文獻來,推測在停產期間BOP(防噴器)中生成了水合物,水合物顆粒附著在BOP內部的管壁上,生產以后水合物隨水流動,并在BOP與水管線的連接處聚集,最終導致管道的堵塞,流動中斷,日本第二次試采水合物二次生成情況見圖3。
因此需要在關停前,將BOP處的甲烷、水用水合物抑制劑置換,避免水合物的產生。同時在關停以后重新開井時,利用化學藥劑注入閥向井中注入藥劑,避免水與管道中的殘存氣接觸生成水合物,同時促使已生成的水合物分解。常用的水合物抑制劑包括甲醇、乙二醇,由于甲醇為劇毒,使用乙二醇更為合適。
圖3 日本第二次試采水合物二次生成情況(2017)
通過對國外水合物試采流動保障經驗的總結,以及對日本試采過程流動保障問題的分析,得到了水合物試采中不同生產工況下存在的流動保障問題,分析方法以及應對措施。根據國內外對水合物試采流動保障研究的現狀以及試采中的工程需要,對未來水合物流動保障研究提出建議如下:
1)在開展水合物試采流動保障研究的同時,針對示范區(qū)建設相關的井、集輸方案開展流動保障研究。
2)開展水合物不發(fā)生堵塞的安全流動條件分析,目前國內外這針水-甲烷體系下的水合物堵塞問題進行了研究,但尚未形成一套可用于生產條件下計算、分析的方法。
3)開展含砂條件下水合物、砂共同沉積與堵塞研究,目前國內外針對砂對水合物二次生成影響開展了一些研究,但對影響生產的水合物與砂聯(lián)合沉積與堵塞的機理,計算方法研究尚淺。
4)開展低劑量水合物抑制劑研究,常規(guī)的熱力學抑制劑用量大,在產水量高時用量更大,成本高,同時具有一定的毒性,將會增大下游水處理工藝的難度與成本。