淺談高壓、低溫氣井工藝參數控制與研究

吳有明　李國漢　楊文忠

摘 要：隨著地質勘探、鉆井與氣井完整性管理等技術不斷提升，近幾年在地層深部陸續發現、開采了很多高壓、高產、高溫的“三高”氣井，天然氣產量大幅度增長。然而，并不是所有的都是“三高”氣井，在氣藏邊緣，受地質因素及儲層改造等原因，出現了高壓、低滲井，這些井具有高壓、低產、低溫的特點，在生產過程中因節流、降壓容易生成水合物，造成地面工藝管線凍堵，回壓升高，引發聯鎖關井，甚至有爆管的可能，給安全生產帶來了重大隱患，降低了氣田整體開發水平。在現有的條件下，如何調整生產工藝參數及措施就變得成為重要。

關鍵詞：高壓;低溫;水合物;凍堵

1 背景介紹

近幾年，隨著地質勘探、鉆探技術不斷提高，在深層構造中不斷發現了高壓油氣藏，井深達5000m以上，多數采氣單井具有“三高”氣井的特點，但部分單井受物性條件、儲層改造措施影響，關井油壓70MPa以上，無阻流量在20-30×104m3之間，出現了高壓、低孔、低滲特征油氣藏，為了科學開發氣田，作為氣藏邊緣井，加大采氣速度的同時、考慮了疏松的地層結構與合理的井底流動壓差，單井配產在10-15×104m3/d左右。因井深、產氣量低，無法將井底高溫帶至井口，井口溫度在25℃左右，導致氣井高壓、低溫。

單井井場生產工藝通過三級節流將70MPa以上的油壓降壓至12.00MPa左右的系統壓力生產。大幅度節流、降壓后，因熵變，溫度急劇降低，水合物析出，與生產出來的雜質溶合在一起，造成井場地面工藝管線回壓升高，頻繁關井，影響氣井正常生產。

2 分析原因

2.1 氣井中產出的天然氣中為什么會有水

①區塊為層狀邊水斷背斜型濕氣氣藏，且處在氣藏邊緣;

②溫度低，且低于各井的水合物形成溫度。

2.2 成分及有利用生成水合物的條件：

2.2.1 汞元素

在構造中含有大量的汞元素，在高溫下汞為氣體，常溫狀態下銀白色重質液體，可自然揮發，低溫下為液態汞。

2.2.2 砂、蠟等雜質

因加大開采力度，造成輕微出砂，含蠟，析蠟溫度在7℃～25℃之間。

2.2.3 成核/晶體

途經閥門、三通、彎頭、焊接處等產生的阻力，有利于水合物成核/晶體。

2.2.4 水合物形成溫度

在系統壓力下，水合物形成為18℃左右（表1），因節流導致溫度下降，二級節流后溫度一般在5-10℃之間，個別單井在0℃以下。

2.2.5 流動狀態

井口出來的介質在兩級節流后進入管線，因高速流、方向、壓力變化造成的攪動，會使密度大的砂、蠟、液態汞等雜質與水合物結合在一起，在有阻力的地方沉積。

2.3 水合物的處理方式

2.3.1 脫水

利用設備將天然氣中的水去除。目前采氣單井不具備脫水條件，增加脫水裝置也意味著開采成本的增加。

2.3.2 加熱

如果天然氣從井底、井筒帶上來的溫度足夠高， 氣體水合物也會融化。根據區塊各單井井場工藝流程，高壓、低產井都安裝了真空加熱爐。遺憾的是真空加熱爐安裝在二級節流后，主要解決三級節流后采氣支線進站管線凍、堵問題。目前主要矛盾集中在二級節流后至真空加熱爐入口的管線。

2.3.3 降壓

如果節流后壓力足夠低，會降低水合物形成。作為西氣東輸的源頭，結合整個氣田的運行，降低系統壓力生產基無可能。

通過以上節點分析，生產出來的天然氣，經井口兩級籠套式節流閥節流、降壓，在進入真空加熱爐前，因熵變使溫度下降，當溫度低于水露點時水合物析出，在節流閥、彎頭、焊接處因阻力增大，造成水合物與砂、蠟、汞等雜質一起沉積下來，形成一種非化合物性質的冰水混合物，導致回壓升高。

增加脫水裝置成本太高，要解決問題只能從現有工藝、技術上去做調整。精細化調整生產參數或增加其他輔助措施，確保二級節流后的采氣支線不發生凍堵，達到單井平穩生產。

3 措施及方法

高壓氣體節流主要產生焦耳--湯姆遜膨脹，即較高壓力下的氣體經節流后向較低壓力方向絕熱膨脹過程。節流后產生低溫效應，再結合單井產出游離水，在管道內形成以水合物、砂、蠟、汞等結晶的混合物，造成工藝管線凍堵。

3.1 如何調整井口參數

生產穩定后，當井口油壓P1保持不變，節流后壓力P2降低，瞬間產氣量會增大，當P2的壓力降低到某值PC時，產氣量 qsc將達到最大值，即臨界流量;在此狀態下，若油壓不變，P2進一步降低，流量也不再進增加;當P2上升但不超過油壓，短暫時間過后，流量也不會減少;兩種狀態臨界的壓力比值為：

P_C/P₁=（2/（K+1））^{sqrt（K/（K-1））}

按大北區塊天然氣相對密度為0.6，K值取1.3，此時的臨界比為PC/P1=0.546。在此情況下，保持一級籠套式節流閥開度，確保油壓、產氣量不變;增大P2，緩解因壓力降低導致的溫度損失，即可上提介質溫度。

3.2 為什么上調節流后壓力會提高溫度

節流閥節流主要產生焦耳--湯姆遜膨脹效應，即熵變。在氣井井場工藝流程系統中，介質與外界無物質和能量的交換，這種反應遵守熵增加原理，直到反應達到平衡。天然氣從節流前P1、T1的狀態，經節流后變化為P2、T2的狀態，根據能量守恒定律，P2值越小，T2值越小，為提高單井節流后的溫度，增大P2的壓力值，在不影響產量的情況下，P2值越接近PC值，效果越好。

根據現場工藝流程，通過一級籠套式節流閥調控井口油壓、產氣量，二級籠套式節流閥控制一級節流后壓力，真空加熱爐出口節流截止閥控制二級后壓力。參數調整過程中，保持一級籠套式節流閥開度情況下，調節二級籠套式節流閥、真空加熱爐出口調節閥，建立合理的差壓梯度，既滿足正常的配產量，也保證各級差壓基本相同，不會因節流壓差過大導致某級節流閥損傷;最核心調整是在真空加熱爐及二級節流后工藝管線的設備參數基礎上，盡可能的上調二級節流后壓力、提高溫度，減少或降低水合物形成。下表為壓力調整后參數對比表。

3.3 輔助措施

通過現場工藝流程的調整，仍然不能解決問題，在此基礎上增加其他輔助措施，保證單井平穩生產。

3.3.1 保溫設施

在二級節流后增加高功率的電伴熱帶，對輕微的凍堵可起到緩解作用。

3.3.2 加入水合物抑制劑及其他藥劑

安裝移動注劑撬，在二級節流后注入水合物抑制劑，破壞水合物的氫鍵、降低形成溫度，抑制水合物的生成?，F場使用最多、最廣泛的是甲醇和乙二醇。根據天然氣成分、溫度等因素考慮，采用了甲醇抑制劑，因為甲醇對溫度使用范圍更大，注入氣流中后，首先，甲醇會全部或大部分蒸發到氣相中，并隨水合物蒸氣的冷凝而均勻地溶于水溶液中，有足夠的抑制劑濃度，溶液凝固點低、粘度小，較好起到了抑制作用;其次是甲醇不與凝析油反應，不會造成水合物粘度上升。在此基礎上根據單井含蠟量、析蠟溫度等因素，按一定比例摻入清蠟劑，達到降低水合物生成、去除蠟結晶。

同時在生產過程中，根據壓力、溫度判斷，定期開大三級節流閥降壓、沖洗，清除管內水合物及雜質，也可緩解凍、堵現象。

4 結論與效果

通過精細化參數調整和增加輔助設備，目前在該區塊有多口高壓、低溫井保持正常生產，日產氣量達200× 104m3/d左右，這些處于氣藏邊緣井的正常開采，給氣藏頂部、高點的采氣井延緩了見水時間，為氣田整體開發提供了有力支持。

目前采氣井地面生產工藝是相對成熟的技術，特別是通過加入藥劑進行防堵、解凍，維持設備、生產系統的正常運行，在各氣田廣泛實施。

通過精細化調整高壓、低溫氣井參數，保時率，促生產，對于指導此類型氣井的生產有重要意義。在其他相類似的氣井進行整體設計時，可以考慮在井筒內安裝井下節流器，也可在油套管環形空間增加自控式加熱設備，以此來提高井口溫度，確保采氣單井平穩運行，為提高氣田整體開發水平具有指導意義。

參考文獻：

[1]陳月明，李淑霞.天然氣水合物開采理論與技術[M].北京：中國石油大學出版社，2011.

[2]嚴明卿.天然氣輸配技術[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3]李椿著.熱學[M].北京：中國科學技術大學出版社，2014.

作者簡介：

吳有明（1975- ），男，漢族，籍貫：重慶，采氣高級技師，成人本科，從事石油天然氣開發專業，塔里木油田分公司博大油氣開發部。

李國漢（1981- ），男，漢族，籍貫：甘肅，中級職稱，本科，從事石油天然氣開發專業，塔里木油田分公司博大油氣開發部，油氣田開采，中級職稱。

楊文忠（1970- ），男，漢族，籍貫：四川，石油技校，從事石油天然氣開發專業，塔里木油田分公司博大油氣開發部，采氣工，技師。