郭 彪 李雪飛 唐譽文

中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司

0 引言

天然氣水合物（Natural Gas Hydrates）又稱可燃冰，是在一定的溫度、壓力和氣體飽和度等條件下，水與天然氣（如CH4等）結(jié)合形成的一種外觀似冰的白色疏松結(jié)晶化合物[1]，是水分子與氣體分子非化學(xué)計量的包藏絡(luò)合物，即水分子與氣體分子以物理結(jié)合體形式所形成的一種固體。這種物質(zhì)會堵塞井筒、節(jié)流管線、輸氣管道等，稱之為冰堵，影響油氣井的測試、生產(chǎn)及輸送過程。

目前天然氣水合物的研究主要集中在天然氣水合物的形成及開采方面[2-7]，對油氣田開發(fā)過程中出現(xiàn)的天然氣水合物的研究主要集中在集輸管線[8]，帶壓作業(yè)期間的天然氣水合物也有研究涉及[9-10]。

我國絕大部分油氣田開發(fā)過程中，冬季尤其是夜間，氣溫較低，多低于10℃，在油氣井連續(xù)油管作業(yè)期間極易因天然氣水合物造成冰堵?，F(xiàn)場作業(yè)期間若多次發(fā)生冰堵，造成施工中斷，則帶來施工復(fù)雜情況及井控風(fēng)險。本文分析了天然氣水合物形成的原因，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出有效的預(yù)防、控制措施，形成一套有效的冰堵防控方案，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，為連續(xù)油管安全作業(yè)提供技術(shù)保障。

1 天然氣水合物形成原因

日常生活中，冰堵較為常見，比如見于電冰箱的制冷系統(tǒng)。石油天然氣的開發(fā)過程中，冰堵同樣常見且?guī)聿焕蠊?。油氣開發(fā)過程中產(chǎn)生的天然氣水合物主要是Ⅰ型體心立方晶體結(jié)構(gòu)[11]。

1.1 壓力和溫度

一般而言，壓力越大，天然氣水合物受壓實程度越大，天然氣水合物也就越穩(wěn)定，通常壓力需大于10 MPa。壓力對于水合物形成的溫度會有一定的影響，天然氣水合物相平衡曲線如圖1所示[12]。

圖1 天然氣水合物相平衡曲線圖

溫度是天然氣水合物形成和分解最關(guān)鍵的因素。水合物的強度隨溫度的降低而增加。

天然氣中不同組分形成水合物的臨界溫度是該組分水合物存在的最高溫度。超過臨界溫度，無論壓力多大，都不會形成水合物。每種組分氣體形成天然氣水合物均有一個臨界溫度（表1）[13]。冬季氣溫大都在20℃以下，極易出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。

表1 常見氣體形成水合物的臨界溫度數(shù)據(jù)表

對于單一組分的天然氣水合物形成的溫度，與壓力近似有如下的關(guān)系式[14]：

式中t為天然氣水合物的形成溫度，℃；p為天然氣水合物的形成壓力，MPa。

通過上式計算在33.0～76.0 MPa的壓力下，形成天然氣水合物的溫度為24.0～30.5℃，這與在28.8℃時仍存在天然氣水合物的實際情況相符[15]。

1.2 流體飽和度

天然氣中含有水，甚至有游離態(tài)的水，天然氣的含水量處于飽和狀態(tài)[16]。氣井連續(xù)油管沖洗解堵、鉆磨等作業(yè)期間均氣液同出，水的含量較高，極易出現(xiàn)冰堵。

1.3 其他

成核基礎(chǔ)：對于連續(xù)油管作業(yè)而言，主要是管線轉(zhuǎn)彎處、井筒內(nèi)的砂粒或鉆屑等物質(zhì)。

流動條件突變：天然氣壓力的波動、氣體因流向的突變而產(chǎn)生的攪動，以及晶種的存在等造成的流動條件突變[17]，容易發(fā)生在放噴流程中、井口主閥連接處、防噴器、防噴管和防噴盒等處。

過冷度（Δt）：給定壓力下形成天然氣水合物的平衡溫度（te）與實際溫度（to）的差值為過冷度[18]，即

式中Δt為過冷度，℃；te為平衡溫度，℃；to為實際溫度，℃。

過冷度小于7.49℃時不會形成水合物，而當(dāng)過冷度超過11℃時，在25 min之內(nèi)（甚至瞬間）就會形成水合物[13]。在連續(xù)油管作業(yè)過程中，由于井口流程的節(jié)流，天然氣達(dá)到很高的過冷度，極易形成水合物。

2 連續(xù)油管作業(yè)期間冰堵的危害

連續(xù)油管作業(yè)期間產(chǎn)生的冰堵會對連續(xù)油管作業(yè)造成顯著影響，與輸氣管道等形成的冰堵相比，主要表現(xiàn)為如下幾方面的危害。

1）井下工具遇卡。流體過流通道減小甚至堵塞連續(xù)油管與油（套）管環(huán)空，造成流體上返受阻，鉆屑、砂粒可能下沉而造成工具、連續(xù)油管遇卡、被埋的風(fēng)險。

2）應(yīng)力腐蝕。若天然氣中含有硫化氫、二氧化碳等酸性氣體，與水結(jié)合而形成的水合物，形成酸性液體，對連續(xù)油管產(chǎn)生危害較大的應(yīng)力腐蝕，易造成連續(xù)油管氫脆、斷裂等事故或事件。

3）管柱損傷。對于高壓井，因冰堵造成流體返出不暢，圈閉壓力增加，造成工具上頂、連續(xù)油管擠毀等事故或事件。

4）井控設(shè)備失效。天然氣水合物積聚在防噴器或防噴盒內(nèi)，造成在緊急情況下不能關(guān)閉防噴器閘板、防噴盒失效等井控事件。

3 冰堵判斷

最易產(chǎn)生冰堵的連續(xù)油管作業(yè)工藝主要有兩種類型，一是需要向井筒泵注液體并循環(huán)出井口的工藝，如鉆磨、沖洗解堵作業(yè)；二是地層有液體和氣同時沿著井筒返出地面的工藝，如速度管柱作業(yè)。

作業(yè)期間發(fā)生冰堵，可以通過工藝參數(shù)來判斷，以便及時采取有效措施，解除冰堵。

首先，觀察壓力變化情況，如冰堵發(fā)生在防噴器位置，井口壓力與地面流程的壓力可能有明顯差異；若發(fā)生在井筒與放噴流程連接處，油壓/套壓急劇降低，直至降為0。

其次，起下連續(xù)油管基本沒有位移，與井下遇卡不同，上提時懸重迅速增加但是無向上的位移，下放時懸重迅速減小，同樣無位移。

再次，一些輔助判斷方法也可幫助確定冰堵，如測量井口裝置的表面溫度會小于10℃。

4 預(yù)防控制措施

從天然氣水合物形成條件，分為兩個方面來抑制和解除連續(xù)油管作業(yè)期間的水合物，一是從設(shè)備及原材料上，包括物理和化學(xué)兩種方法；二是從工藝技術(shù)措施上。

4.1 物理法

主要從形成天然氣水合物的壓力、溫度等方面來控制水合物的形成和分解。

4.1.1 加熱

即增加溫度到水合物形成的臨界溫度之上，抑制水合物的形成，或使水合物分解?，F(xiàn)場可通過一些方法來實現(xiàn)，如用水套加熱爐提高節(jié)流閥前天然氣的溫度，或者敷設(shè)熱水管線，使氣體流動溫度保持在水合物的生成溫度以上。

4.1.1.1 蒸汽加熱

使用蒸汽發(fā)生器、鍋爐車等產(chǎn)生蒸汽，加熱連續(xù)油管防噴管和井口閘門等，由于出水口水量較大、溫度較高，或需要耗油成本較高，目前在現(xiàn)場應(yīng)用較少。

4.1.1.2 工業(yè)防爆電熱毯或電加熱帶

這是目前最常用的保溫方式。連續(xù)油管井口裝置包括防噴盒、防噴管、防噴器及井口閘門等，既有圓形管道形狀，也有類似長方體、圓柱體，還有一系列控制管線接頭的不規(guī)則形狀，這樣需要根據(jù)特定形狀包裹來加熱保溫。

對于防噴管這種規(guī)則形狀的裝置，在防噴管上覆蓋防爆工業(yè)電熱毯，工作溫度可達(dá)65℃（圖2）。

圖2 工業(yè)電熱毯包裹在防噴管上的現(xiàn)場圖

對防噴盒、防噴器、井口閘門這些異型件，一方面可以用根據(jù)形狀定制的防爆工業(yè)電熱毯來加熱；另一方面可以先纏繞電加熱帶，再覆蓋阻燃保溫棉。

4.1.2 注熱水

考慮到實際情況和成本，該方法主要用于發(fā)生冰堵后，通過流程向連續(xù)油管與油管/套管的環(huán)空泵注熱水來分解水合物。該方法適用于作業(yè)現(xiàn)場其他井返出較高溫度的流體（如60℃）。

4.2 化學(xué)抑制劑

通過化學(xué)添加劑，改變水合物形成的熱力學(xué)條件、結(jié)晶速率，實現(xiàn)井筒內(nèi)的流體正常流動?；瘜W(xué)抑制劑一般分為有機物和無機鹽兩種類型。

4.2.1 有機物

有機物分為以下兩種，主要是降低天然氣的露點，防止水合物的生成。

一是甲醇類化合物，主要是甲醇，沸點較低，溫度高時損失大，用于較低溫度的場合，中等程度毒性，現(xiàn)場不使用。

二是甘醇類化合物，主要是乙二醇、二甘醇。如乙二醇含量10%時，冰點可降至-4.1℃?，F(xiàn)場常用泵注10%以上濃度的乙二醇來抑制水合物的形成，對于已經(jīng)形成的水合物也可有效分解。

另外對于表面活性劑（如十二烷基硫酸鈉）和聚合物類（如丙烯酸酯）的抑制劑只能控制水合物的形成，但是不能分解已經(jīng)形成的水合物，故現(xiàn)場應(yīng)用較少。

4.2.2 無機鹽

無機鹽也分為以下兩種。

一是NaCl、CaCl2等。溶液中含有無機鹽時，則溶液上面水汽的分壓將下降，這樣天然氣中水汽含量也就降低，地層流體的礦化度越高，天然氣越不易形成水合物。研究表明，鹽水使得天然氣水合物厚度變薄，在20 MPa、50℃的純水中加入3.5%的NaCl，穩(wěn)定的水合物厚度減小9%[19]。這樣增加鹽度，可抑制冰堵的產(chǎn)生，也有助于解除冰堵。最常用的是NaCl，隨著NaCl濃度的升高，水合物的生成量逐漸減小，當(dāng)NaCl濃度達(dá)到12%時不再生成天然氣水合物[20]。另外30%的CaCl2水溶液效果也較好。這樣某些井可選擇使用流體抑制水合物的形成。

二是除硫劑。對于含硫油氣藏，硫化氫含量高的天然氣容易形成水合物，在6.9 MPa時，將10%的硫化氫加入不含硫的天然氣中，其產(chǎn)生水合物的溫度會增加8℃，而二氧化碳對其的影響極小[12]。在10 MPa時，硫化氫含量9%或二氧化碳含量6.7%，18℃形成水合物。這樣含硫油氣井作業(yè)期間泵注含一定濃度的除硫劑可有效抑制水合物的形成。

4.3 物理法和化學(xué)法的常用復(fù)合方式

現(xiàn)場實際作業(yè)中可以根據(jù)實際情況使用上述一種或幾種方法來預(yù)防和控制冰堵，主要有如下幾種復(fù)合方式：

①工業(yè)電熱毯或電熱帶、注熱水；

②工業(yè)電熱毯或電熱帶、注乙二醇；

③鍋爐車或蒸汽發(fā)生器、注熱水；

④工業(yè)電熱毯或電熱帶、注NaCl或CaCl2；

⑤工業(yè)電熱毯或電熱帶、除硫劑。

4.4 工藝技術(shù)措施

在冬季連續(xù)油管作業(yè)的整個過程中，可以從如下工藝技術(shù)措施方面降低水合物的形成：

①井口聚集有氣體的井采用氮氣試壓；

②在需要打開防噴器閘板進行作業(yè)時采用打開平衡閥的方式來平衡閘板上下的壓差，使用雙聯(lián)防噴盒，增強井口裝置的有效性；

③施工作業(yè)前循環(huán)脫氣，減少含天然氣的液體向井口流動；

④作業(yè)過程中，選用合適的油嘴有效地控制井口壓力，使其等于或略小于開井之前的井口壓力；

⑤若出現(xiàn)冰堵跡象，則間斷上提連續(xù)油管，并降低上提速度；

⑥施工等停時用液氮對連續(xù)油管和油套環(huán)空進行吹掃，泵注液氮使液面降至距井口10 m以下。

4.5 對冰堵防控措施的實踐認(rèn)識

綜上所述，結(jié)合現(xiàn)場實踐認(rèn)識，冬季低溫條件下連續(xù)油管作業(yè)中防控冰堵需要注意以下幾個要點：

①連續(xù)油管井口裝置的保溫措施，這對于預(yù)防冰堵至關(guān)重要；

②乙二醇可抑制和分解水合物，現(xiàn)場使用效果較好；

③入井流體中添加NaCl和除硫劑，可抑制和分解水合物；

④控制連續(xù)油管上提速度，減少含天然氣的液體向井口流動，可有效降低冰堵的發(fā)生；

⑤冰堵后向環(huán)空泵注熱水、CaCl2液體可有效分解水合物。

5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

5.1 案例一

Y203H2-1井完成24段加砂壓裂后，采用?50.8 mm連續(xù)油管帶?100 mm磨鞋鉆磨完成全部23個橋塞后，2019年12月19日07:28起至距離井口6.4 m時遇阻2 t，初步判斷連續(xù)油管已起出井口，停泵，試關(guān)井口閘門不能關(guān)閉，井口壓力40.5 MPa，兩次上提、下放連續(xù)油管，均無位移（圖3）。

圖3 井口冰堵曲線圖

接下來測試螺桿馬達(dá)運轉(zhuǎn)正常。通過防噴器旁通泄壓，井口壓力由40.5 MPa下降至15 MPa，無法活動油管，初步分析井口閘門變徑處發(fā)生冰堵遇卡。

鍋爐車的蒸汽對井口變徑法蘭升溫，結(jié)合同平臺其他井返出的較高溫度返排液（約55℃），從壓井接口間斷小排量泵注返排液，12月21日間斷上提連續(xù)油管，01:14成功解除冰堵（圖4）。

圖4 冰堵解除曲線圖

5.2 案例二

2020年12月27日，YSH10-1井?50.8 mm連續(xù)油管帶速度管柱懸掛工具下至1 m，遇阻1 t，反復(fù)嘗試4次無法通過，初步判斷為冰堵。

起至井口，試關(guān)1號閘門，關(guān)至第8圈（總28圈）時無法關(guān)閉。

于是，分3次從防噴器旁通泵注乙二醇分別約100 L、60 L、40 L，試提連續(xù)油管，懸重7.6 t上升至17.6 t，位移1.3 m，下放懸重迅速降為0（正常下放懸重范圍為7.2～7.7 t）；緊油管掛頂絲，井口憋壓14.5 MPa。繼續(xù)用電加熱帶加熱，冰堵解除。油管掛座封到位，完成下速度管柱作業(yè)。

5.3 案例三

2019年12月29日，YS204H1井連續(xù)油管鉆磨完第14只橋塞后，因夜間不能施工，上提至2 500 m停止。12月30日，07:00開始上提出井檢查工具，無法上提下放，判斷井口冰堵，無法活動7號閘門。

遂用伴熱帶加熱井口裝置，從防噴器旁通泵注返排液（50℃以上）加熱井口裝置，冰堵解除。

5.4 案例四

2021年11月8日01:30，XL1井下?44.5 mm連續(xù)油管 + ?44.45 mm單流閥 + ?44.45 mm沖洗頭至1 030 m，懸重測試后，下放遇阻，上提遇卡，循環(huán)壓力逐漸上漲，井口壓力緩慢下降，井筒冰堵。

此時循環(huán)壓力不斷上漲，泵車停泵，循環(huán)壓力50 MPa，井口壓力44 MPa，關(guān)閉防噴器卡瓦、半封閘板，持續(xù)對井口和放噴流程針閥處蒸汽加熱，連續(xù)油管內(nèi)補壓70 MPa防止擠毀油管，環(huán)空泵注高溫CaCl2液體解除冰堵。

6 結(jié)論與認(rèn)識

1）溫度和壓力、流體飽和度、井筒內(nèi)的砂?；蜚@屑等物質(zhì)、流動條件的突變等因素均為冰堵成因，在井口附近、防噴器、防噴盒和防噴管等處最易出現(xiàn)冰堵。

2）冰堵可能導(dǎo)致井下工具遇卡、應(yīng)力腐蝕、管柱損傷、井控設(shè)備失效等危害。

3）冰堵的判斷，最易產(chǎn)生冰堵的連續(xù)油管作業(yè)工藝主要有兩種類型，一是需要向井筒泵注液體并循環(huán)出井口的工藝，如鉆磨、沖洗解堵作業(yè)；二是地層有液體和氣同時沿著井筒返出地面的工藝，如速度管柱作業(yè)。作業(yè)期間發(fā)生冰堵，可以通過觀察工藝參數(shù)的變化異常情況來進行判斷，以便及時采取有效措施。

4）冰堵的預(yù)防、控制措施，物理方法如蒸汽加熱、用工業(yè)防爆電熱毯或電加熱帶保溫、泵注熱水等，化學(xué)方法為添加化學(xué)抑制劑（如乙二醇、除硫劑、CaCl2等），實際是使用上述一種或幾種方法的復(fù)合方式以預(yù)防或控制冰堵，同時從連續(xù)油管作業(yè)過程中的具體工藝技術(shù)方面，提出了可采取哪些技術(shù)細(xì)節(jié)措施以防控冰堵。

5）將研究成果應(yīng)用于現(xiàn)場，通過4口井連續(xù)油管作業(yè)期間發(fā)生異常，判斷為冰堵后采取相應(yīng)措施、成功解除冰堵的案例，證明研究成果有效，能為現(xiàn)場連續(xù)油管安全作業(yè)提供技術(shù)保障。

致 謝

感謝中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司連續(xù)油管作業(yè)人員的支持、幫助。