春晓气田水合物形成预测及防止方法.doc

春晓气田水合物形成预测及防止方法徐 东（辽河油田钻采院采油所）摘 要：通过对天然气水合物的性质、形成条件及预防水合物方法的探讨，分析计算出春晓天然气井在现有井底及井筒温度和压力条件下不会形成水合物，但经过油嘴节流产出后，可以形成水合物，建议采用喷注已二醇方法来防止水合物形成。关键词：春晓气井 水合物 预测及防止天然气水合物是采气中经常遇到的一个重要问题。在一定的温度和压力条件下，天然气中某些气体组分（轻烃或其它轻质气体，如氮气、二氧化碳）能和液态水形成水合物。水合物在油管中生成时会降低井口压力，影响产气量，妨碍压力计下井，严重的会堵塞油管，增加修井费用；天然气输送过程中水合物的产生还可造成分离设备和仪表的堵塞。为保证生产的正常进行，必须判断天然气在井筒和输送条件下，是否有水合物的产生及不生成水合物所允许的最大含水量。1 水合物的性质天然气水合物是一种笼形晶格包络物，即水分子籍氢键结合成笼形晶格，而气体分子则在范德华力的作用下被包围在晶格的笼形孔室中。其外观为白色的结晶体，类似松散的冰或致密的雪，密度为0.880.90g/cm3。在水合物中，与1个气体分子结合的水分子数不是恒定的，这与气体分子的大小和性质以及晶格中孔室被气体分子充满的程度等因素有关。水合物的通式为MnH2O，天然气各组分的水合物分子的分子式为：甲烷 CH46H2O 氮气 N26H2O乙烷 C2H68H2O 二氧化碳 CO26H2O丙烷 C3H817H2O 硫化氢 H2S6H2O异丁烷 iC4H1017H2O戊烷和己烷以上烃类一般不形成水合物。水合物有两种典型的结晶结构：型结构：由甲烷、乙烷和硫化氢等构成体心立方晶格；型结构：由丙烷和异丁烷等较大分子构成金刚石型晶格。2 水合物形成条件天然气水合物是在天然气温度高于水的冰点温度下，在一定压力下生成的晶体。生成水合物的温度称之为“水合温度”。当天然气的温度等于或低于某一压力下的露点温度时，天然气中就会凝析出自由水。这些凝析水对水合物的生成是必不可少的条件。天然气水合物形成的主要条件综述如下：（1）天然气的温度必须等于或低于天然气中水蒸汽的露点温度，天然气中存在有凝析水；（2）在一定的压力和天然气组分条件下，天然气温度低于水合温度；（3）操作压力高，会使水合温度上升到操作温度；以下的因素会助长和加速水合物形成：（4）高的气流速度或气流通过油管、节流装置、地面管线和设备时搅动很厉害，或压力波动；（5）存在微小的水合物晶体“籽晶”；作者简介：徐东，男1970.7出生，1994年毕业于江汉石油学院，获学士学位，现在辽河油田钻采院采油所从事采油工艺方案设计工作。（6）H2S和CO2的存在，有助于水合物的形成，因为这些酸性气体比碳氢化合物更容易溶解于水中。3 防止水合物生成的方法防止水合物的方法很多，比如：提高温度、降低压力、加防冻剂、干燥气体法等方法均可预防水合物的生成。矿场上常用提高温度法和加防冻剂法。（1）提高温度防止水合物生成此法的实质是把气流温度升高到生成水合物的温度以上。常使用蒸汽加热和水套炉加热。前者利用锅炉产生的蒸汽加热天然气，后者是以水和蒸汽作传热介质的间接加热。（2）在天然气中加注抑制剂抑制剂的加入后使气流中的水分溶于抑制剂中，改变水分子之间的相互作用，从而降低表面上水蒸汽分压，达到抑制水合物的目的，使气流在较低温度（-30-50）下不生成水合物。抑制剂种类很多，有有机抑制剂（甲醇、已二醇、二甘醇）和无机抑制剂（氯化钠、氯化镁及氯化钙）两类，采气中常用的是已二醇。（3）采用井下节流降低气井井口压力在气井安装井下油嘴达到井下节流，降低气井井口压力和输气压力的目的，不仅可以防止气井形成水合物，而且可以提高天然气在井筒中的流动速度，有助于气井排液。气井井下节流工具有井下活动油嘴和固定工作筒油嘴两种类型。4 春晓气井计算与分析4.1 春晓气井井口流动温度计算根据井筒温度、压力分布关系，计算出不同产量条件下井口流动温度，见表1。 表1 不同产量条件下井口流动温度 单位：井号层序层位射孔井段m井的产量104m3/d353025201510春晓一井花港组3203.0-3212.066.7361.3855.3848.7341.5233.99春晓三井平糊组3348.0-3356.555.3350.1144.4738.4432.1625.804.2 春晓气井井口压力计算表2 不同产量条件下井口压力 单位：MPa井号层序层位射孔井段m井的产量104m3/d353025201510春晓一井花港组3203.0-3212.021.6422.3623.0123.5724.0824.46春晓三井平糊组3348.0-3356.5-22.4024.18备注井口压力为在原始地层压力、管柱内径为76mm条件下计算值。4.3 春晓气井水合物形成的温度预测不同压力条件下水合物形成的温度计算结果见表3。 表3 不同压力条件下水合物形成的温度 （温度：）井号层序层位压力，MPa5.06.07.08.09.010.015.020.0P实Pr春晓一井Hu-2B15.3316.5816.8617.4317.9418.3920.1721.4421.5923.00H1-1B14.6515.9216.4817.0517.5618.0119.7821.0521.2022.83H1-1C15.9817.1917.1517.7218.2218.6820.4421.7121.7123.57H1-2A14.0315.3116.1716.7317.2417.6919.4620.7321.1622.67H1-2A15.6716.8917.0217.5818.0918.5420.3121.5819.9423.59春二井Hu-2A15.0716.3316.7117.2817.7918.2420.0221.2919.8022.42H1-1C14.9216.1716.6017.1717.6718.1319.9021.1719.5322.68春晓三井16.6418.0117.7618.3318.8419.2921.0722.3422.6423.3815.8117.1817.3317.9018.4118.8620.6421.9111.3723.27Hu-2B15.7117.0817.2817.8518.3518.8120.5821.8621.8623.3216.1917.5517.5218.0918.6019.0520.8222.0921.9723.6416.3617.7117.6118.1718.6819.1320.9022.1717.9523.97P415.3816.7317.1017.6718.1718.6220.3921.6620.8423.82天外天一Hu-117.3618.7118.1218.6819.1819.6421.4022.6616.7623.74Hu-3A14.5815.9416.6917.2617.7618.2219.9921.2615.4822.47Hu-3C12.2813.6415.4916.0616.5717.0218.8020.0719.7521.46天二井Hu-3C11.1812.5414.9215.4916.0016.4618.2319.50说明：P实实测井口压力； Pr原始地层压力4.4 节流温降计算利用Hyprotech Ltd开发的软件HYSYS计算节流温降的结果见表4。表4 预测井口压力经气嘴节流后，不同输出压力下的温度井号层序层位预测井口给定输出压力压力MPa温度7.0MPa8.0MPa9.0MPa节流后温度t节流后温度t节流后温度t春晓一井Hu-2B21.7950.3410.82-6.0415.50-1.9319.751.81H1-1B20.5049.8012.25-4.2316.85-0.2021.053.49H1-1C20.8952.6813.62-3.5318.430.7122.794.57H1-2A23.8051.489.76-6.4114.34-2.3918.521.28H1-2A3.5840.67-春晓二井H1-2A13.0748.0827.8211.1131.9014.6235.6517.86H1-1C-春晓三井Hu-2B22.2449.9310.15-6.1614.72-2.1618.891.51P416.6849.5319.933.7524.247.4928.191094说明：表中t为同一压力下节流后温度与形成水合物温度之差。其中正数表示节流后温度比形成水合物温度高；负数表示节流后温度比形成水合物温度低。预测的井口压力和温度是在井斜450、日产气量25104m3/d、油管内径76mm条件下计算所得，其中春晓一井第层按产气量为18104m3/d计算。根据春晓构造地温梯度3.75/100m，地压梯度0.99MPa/100m，平均完钻垂深3300m和3400m，折算地层温度为123.75和127.50，地层压力为32.67MPa和33.66MPa；天外天构造地温梯度3.90/100m，地压梯度0.99MPa/100m，平均完钻垂深3000m，折算地层温度为117.00，地层压力为29.70MPa，在此条件下，天然气不会形成水合物。当压力为5.031.411MPa时，水合物的形成温度为12.2823.97，而当气井产量大于10104m3/d时，井筒中的流动温度均高于25.8，因此天然气在井筒中不会形成水合物。天然气经过油嘴节流产出后温度大大降低，一般低于输气压力下水合物形成的温度，因此必须采取措施来防止水合物形成，建议采用喷注抑制剂已二醇的方法来防止水合物形成。4.5 抑制剂注入量计算注入天然气系统中的抑制剂，一部分与液态水混合成为抑制剂水溶液称为富液，一部分蒸发与气体混合形成蒸发损失。计算抑制剂注入量时，因已二醇沸点高，一般不考虑气相中的量。富液浓度可按哈默施米特公式计算。式中 WR-已二醇富液浓度（质量百分浓度），%； M-已二醇的相对分子量； t-水合物形成温度降，； KC-抑制剂常数，对于已二醇KC=2220。吸收1kg水汽所需的已二醇贫液量（kg）称为已二醇喷注比。已二醇的喷注比用下式计算 式中 G已二醇喷注比，kg（已二醇）/kg（水）； WL已二醇贫液浓度，%。一般使用7080%（质量）浓度的已二醇。每处理1万立方米所需的日喷注量； Gd=Qg（W1-W2）G式中 Gd已二醇日喷注量，kg/d； Qg天然气流量（P=0.101325MPa，t=20），104m3/d； W1、W2 天然气在节流前、后温度和压力条件下的饱和水含量，kg/