托甫台区高压气井水合物形成规律研究

托甫台区高压气井水合物形成规律研究

张川

中石化西北油田分公司采油三厂 新疆乌鲁木齐 830011

摘要：根据TP12-8井区高压气井水合物冻堵规律，建立气井生产模型，结合现场实践，分析了高压气井水合物形成规律。指出水合物是依靠氢键和范德华力形成的半稳态结晶物，形成的主要受控因素为压力和温度，只有在足够高的压力和足够低的温度条件下水合物才能形成；水合物的形成位置的风险点在井口附近及一次节流之后；运用经验公式法对水合物的形成温度、压力进行理论计算，对后期现场高压气井的现场管理提供了理论指导和技术指导。

关键词：高压气井、水合物、形成规律、温度、压力

天然气水合物，别名甲烷水合物、笼形包合物，由于外形与冰相同且具有可燃性，因此又被行业称之为气冰、可燃冰、固定瓦斯。在一定温度和压力条件下，天然气在开采、加工和运输过程中，天然气和水在一定条件下能生成水合物，这种物质附着在管线、设备设施等内壁上，逐渐堆积造成堵塞，严重时可堵死甚至导致爆炸，影响天然气的开采、运输，造成人身、财产损失。

1托甫台区高压气井现状

TP12-8井区高压气井井口压力高，具体表现为井口一级节流后压力为8-15MPa，井温仅有8-22℃。四口气井均存在不同程度的冻堵，气井冻堵后一次节流后压力大幅上涨，拆开气井油嘴套检查，可在气井油嘴处发现大量白色霜状物质，由于气井水合物形成，被迫需要关井解除冻堵，影响气井生产时效。目前经常使用的防止冻堵管线水合物形成的主要方法为地面保温，但气井还存在冻堵情况，因此对于气井后流程压力、温度的控制还亟待改进。

2水合物形成规律研究

2.1水合物物性分析

现有大量研究表明，天然气水合物是一种由水分子和碳氢分子组成的结晶状固态简单化合物，在这种冰状或湿状的结晶体当中，水分子通过氢键作用形成一种点阵晶体结构，形成主体结晶网络，包裹着小气体分子的水的固体结晶物，结晶物中的缝隙填充着非轻烃或轻烃分子客体，分子主体和分子客体之间靠范德华力组成既稳定又不稳定的半稳定的固体结晶物。大量的实验表明：只有当系统温度足够低，同时气体压力大于它的水合物分解压力，含水蒸汽的气体才可能自发生成水合物。

2.2气井生产模型

要全面探究气井水合物的形成，就必须从气井整体的生产过程出发，研究气井生产过程确定水合物生成的风险点。首先建立气井生产模型，高压气井生产的过程可近似看作：流入段、垂管段、井口段、后流程生产段。

①流入段：天然气从地层流入井底的过程，全过程天然气处于高温（90℃以上）、高压（30MPa）环境中，高温条件下水合物无法形成，因此该段风险等级很低。

②垂管段：凝析气从井底到井口的过程，这个过程中气体举升过程中，压力、温度不断降低，井口附近可能存在满足水合生成的环境条件，因此该段风险等级高。

③井口段：气井的井口流动过程，天然气在经过一级节流油嘴后，压力降低的同时大量吸热，温度急剧下降，该段风险非常高，气井冻堵也基本发生在这一段。

④后流程生产段：在一次节流之后的所有生产过程，由于后续有水套炉加热，同时回压降低至1MPa左右生产，水合物不具备生成条件。该段风险等级很低。

2.3水合物生成预测方法

目前确定天然气水合物生成压力和温度的方法大致可分为图解法、物质平衡法、经验公式法三类，下面重点介绍下经验公式法。

2.3.1 经验公式法-波诺马列夫法

对实验平衡曲线进行回归分析，建立水合物形成的压力、温度的相关关系，据此预测水合物形成的压力或者温度条件。波诺马列夫对大量实验数据进行了回归整理，得出不同密度的天然气水合物形成条件方程，

当温度大于273.15K时，压力与温度的关系为：

lgP=-1.0055+0.0541（B+T-273.15）

当温度小于273.15K时，压力与温度的关系为：

lgP=-1.0055+0.0171（B₁+T-273.15）

式中：P——压力，MPa；T——水合物平衡温度，K；B，B₁——与天然气密度有关的常数。

3 TP12-8井区试验气井产状分析

根据经验公式法内容，对目前现场TP12-8井区的试验1井进行一次节流后的产状进行分析，判断是否能够形成水合物，并提供下步的控制措施意见。

3.1 试验1井

该井目前井口产状：5.5mm油嘴生产，油压12.89MPa，一级节流后压力6MPa，井温13℃。

根据最近一次测压情况结合波诺马列夫法曲线，作出井筒内温度对比图（图1），井筒内无水合物生成风险；一级节流后生产点作在波诺马列夫平衡曲线上，处于生成区内，利用嘴流规律进行，反推计算（表1）。

下步措施：井口产状在水合物生成区内，下步建议二级节流缩嘴把回压控制至7MPa，井温预计可涨至22℃，满足生产（图2）。

表1 TP12-Q1H井嘴流公式反推计算表

图 1 试验1井筒温度对比图 图 2 试验1井目前及下步生产图

4结论与认识

（一）气井冻堵主要是受水合物影响,水合物是依靠氢键和范德华力形成的半稳态结晶物；水合物形成的主要受控因素为压力和温度，只有在足够高的压力和足够低的温度条件下水合物才能形成。

（二）将气井的生产过程简化为流入段、垂管段、井口段、后流程生产段，经过分析研究气井水合物的形成位置的风险点在井口附近及一次节流之后。

（三）目前TP12-8井区内的试验1井一次节流后产状在水合物生成区内，下步可以通过调整二级节流油嘴，将气井产状控制在水合物非生成区内，防止水合物形成。