气井试井期间水合物的形成及解堵——工业论文

一研究的意义

要对水合物进行研究，首先要明白什么是水合物?天然气水合物又称可燃冰，是烷烃气体和水分子形成的笼状结晶，将二者分离，就能获得普通的天然气。这种外面看起来像冰一样的物质是在高压低温条件下形成的，也就是说，它通常存在于大陆架海底地层以及地球两极的永久冻结带。其形成于水的凝固点以上的某温度下，此时或者液态水在高压下与天然气共存，或者气体被冷却到水化温度以下而水被冷凝。水合物属于一种被称为笼形包合物类的物质。它通常也被称为水化物。

在气井产能试井过程中，井内油管是底层流体流出的唯一通道，经常出现的井内油管在400米左右至井口水合物聚结堵塞现象(在苏76-4-19测压时，在410米处遇见过水合物，这是我从事试井以来遇到的最深的水合物）。水合物聚结堵塞的危害性很大，井内油管水合物聚结堵塞，不仅给试井电子压力计的起、下带来严重的影响，使得本来连续的试井过程中断，影响资料的录取，而且还会给后续的投放节流器施工增加多道工续。几年来油管水合物堵塞至使多只压力计落井，资料丢失，造成直接和间接经济损失达数百万元。解堵通常情况下也是困难重重，加大了施工时间和费用的同时，处理不慎还会导致工程及安全事故发生。

如何判断气井油管内什么部位出现水合物聚结堵塞？水合物聚结堵塞形成条件？怎样采取有效措施？成了我们急需解决的重要课题。我苏里格项目部试井队多年来，通过多次施工记录并实验，查阅大量相关资料，认真分析水合物形成的原因和规律，经历了失败的痛苦也经历了成功的喜悦，终于摸索出一套解决试井过程中水合物堵塞的措施，基本保障了试井资料的录取工作正常运行。

二水合物生成条件及机理研究

2.1 水合物的结构

要了解其生成条件必须先知道其结构。天然气水合物是在一定的温度和压力条件下，天然气中某些气体组分（甲烷、乙烷、丙烷、等）与液态水形成的白色结晶固体。天然气水合物是一种由许多空腔构成的结晶结构。大多数空腔里有天然气分子，所以比较稳定。这种空腔又称为“笼”。几个笼联成一体的形成物称为晶胞。结构如图2-1所示。

研究表明，可燃冰结晶成下列两种结构中的一种：Ⅰ型—具有1.2纳米参数的ＣsCl型体心立方晶格；Ⅱ型——具有1.73 ～1.74纳米参数的金刚石型面心立方晶格。以上两种晶格参数值都是在温度为273.1K时测得。图2-1概括地表示了Ⅰ型和Ⅱ型结构的晶格。

2.2水合物生成条件预测

首先温度不能太高，在零度以上可以生成，0－10℃为宜，最高限是20℃左右，再高就分解了。第二压力要够，但也不能太大，零度时，30个大气压以上它就可能生成。第三，地底要有气源。因为，在陆地只有西伯利亚的永久冻土层才具备形成条件和使之保持稳定的固态，而海洋深层300－500米的沉积物中都可能具备这样的低温高压条件。因此，其分布的陆海比例为1∶100。

有天然气的地方不一定都有“可燃冰”，因为形成“可燃冰”除了压力主要还在于低温，所以一般在冰土带的地方较多。长期以来，有人认为我国的海域纬度较低，不可能存在“可燃冰”；而实际上我国东海、南海都具备生成条件。

另外流体加速、压力脉动、流向突变及结晶体等都是水合物形成的催化剂。

可燃冰形成的临界温度，可能是可燃冰存在的最高温度，高于此温度，不管压力多大，也不会形成可燃冰。天然气各组分生成可燃冰的临界温度见表2.1。

表2.1 天然气不同组分形成水合物的临界温度

实际工作施工当中，我们总结分析了气井油管中水合物形成的规律：气井产能试井过程中，根据理想气体状态方程（也称理想气体定律、克拉佩龙方程）PV=nRT（R=0.0814大气压·升/摩尔·K 为常数）可知气体在由于地层流体在油管内往上流动时压力越来越小，地温越来越低，使得气体的体积不断扩大，而气体的扩张又是一个吸热过程，因此温度越来越低，使地层流体中的水，天然气和凝析油聚结在油管内壁上，形成水合物冻堵。严重时会把井内完全堵死，越是气井产能高，产水量少，一般产气1万方同时产水量小于0.5方时,聚结乳化物最严重，再加上下压力计使用的钢丝会在流体内产生抖动，相当于对流体搅拌，也就更容易形成水合物了。如气井产出大量地层水，地层水一般温度较高而且降温较慢使得油管内环境温度升高大于临界温度，就不会形成水合物。

2.2水合物形成实验

我们搞清楚水合物的形成，进行了大量的实验，并对以下四种情况做出实验结论如下：1、不加搅拌的条件下，相同表面活性剂浓度、相同反应压力，反应温度越高，水合物形成速率越慢，产生相同体积水合物所需要的时间越长。2、在不加搅拌的条件下相同的反应压力反应温度，表面活性剂浓度在300mg/L时，水合物形成最快。3、在表面活性剂浓度条件、相同的反应温度、反应压力下，搅拌越快，水合物的形成速率越快。4、气态水可以使水合物的生成速率加快，但不能替代表面活性剂。

三水合物的解堵措施

水合物的解堵方法有很多，但最常见的，同时我试井队用的是注醇解堵法和加热解堵法。而注醇法是最常用的。

3.1注醇解堵法

一般从支管、压力表短节、防喷管泻压阀等处注入甲醇、来消除油管内发生水合物造成的堵塞。具体方法是将水合物抑制剂压入油管内，溶解油管内的水合物，然后跟随产出的气体流动，从而将油管内水合物的堵塞解除。但是考虑到乙二醇、二甘醇等水合物抑制剂成本高，我们一般通过注甲醇来解堵。

甲醇的理化性质

甲醇是最简单的饱和醇，甲醇含有一个甲基(CH3-和一个羟基(-OH)。因为它含有甲基，所以能进行甲基化反应，又因它含有羟基，所以具有醇类的典型反应。甲醇的化学性质非常话泼，可与一系列物质反应，所以甲醇在工业上有广泛的用途。

甲醇是最常用的有机溶剂之一，能与水和多种有机溶剂互溶。甲醇水溶液的密度随甲醇浓度和温度的增加而减少；甲醇水溶液的沸点随其液相中甲醇浓度的增加而降低；甲醇属强极性有机化合物，具有很强的溶解能力，能和多种有机溶液互溶，并形成共沸混合物的特性。?

我们就是利用甲醇独特的热力学性质，能与水和多种有机溶液互溶，并形成共沸混合物的特性，并且造价低廉。这是它成为反应掉油管水合物堵塞的最佳理由，是我们的最佳选择。

注醇的方法：

加注甲醇预防水合物形成的效果主要取决于：一是加注位置，要在形成水合物堵塞位置之前加注；二是利用甲醇在天然气中有良好的分散性，控制甲醇在油管内与地层流体的均匀接触；三是控制甲醇加注量，以达到有能有效的化解水合物又能降低经济成本

测静压及下节流器时的注醇方法

1，一般从支管、压力表短节、防喷管泻压阀等处连接上一根能承受40MPa的软管线。

2，软管线另一端连接注醇泵 ，连接管线的接头要放入密封垫来加强密封 。

3，开启注醇泵开始注醇，在注醇的时候要时刻盯住注醇泵的压力表，压力一旦超过35MPa立刻停泵。

4，在注醇一段时间后，下放工具串油管内检测是否解堵。如此直至400m。

测流压的注醇方法

1，利用油套井底联通这一条件，在井口一侧的套压阀门外接法兰处安装一根油管，加装固定地锚两根，油管的另一头安装一个直角三通，三通一个口垂直向上，用于加注甲醇上丝堵，另一个口安装卸压阀门和安装压力表，同时也是给此管线试压泵接口。给此管线试压30Mpa 20分钟无压降。

2，借鉴大牛地计算公式获得注醇量，加上经验值，合理调节醇的使用。

3，在开井试气前用此管线作环空连通器，灌注两管甲醇（70L）,当开井后根据气井的产量决定多长时间灌注适量甲醇，一般为2小时灌注一次，甲醇从环空降至井底置换到油管内随地层流体流出，从而达到对乳化物有效的化解作用。

4，根据井出液量，可以考虑在注醇的同时，加注适量泡排挤。

3.2加热解堵法

利用热源（如热水、蒸气）加热天然气，将其流动温度加热上升至水合物形成的平衡温度之上，使已形成的水合物受热分解。研究证明，与金属接触面的水合物温度上升至 30℃～40℃就可以使水合物迅速分解。这种方法适用条件比较严格，须满足以下两个条件；1，水合物堵塞位置距井口很近；2，井场上有加热炉的存在。

具体方法：1，加热炉中注满水后与气井连接并充气。2，点燃加热炉将炉中水加热至70摄氏度以上。3，将加热好的水朝着采油树底部不间断的浇灌，直至解堵。

以上两种解堵方法各有优点和缺点。在实际工作中可以根距现场条件和水合物堵塞程度来决定哪种方法，也可以两种同时采用。

注醇法

优点：能解决任何条件下和任何程度的水合物堵塞。

缺点：对于没有通径这种严重的水合物堵塞，解决较长；解堵成本较高；甲醇是有毒物品，使用时要小心。

加热法

优点：对于处在井口附近、没有通径这种严重的水合物堵塞，解决迅速；解堵成本低。

缺点：必须满足3.2的条件，无法解决堵塞位置很深的情况。

四结论

本文通过研究天然气水合物在产能试井期间油管中地生成和分解机理，分析其形成的化学条件、以及产生堵塞安全的处理方法等，得到以下结论：

形成天然气水合物的三个基本条件：一是水存在于天然气中；二是还要有低温和高压。对于一定温度和一定组成的天然气，压力降至水合物形成压力之下则天然气水合物不会形成；而对于一定压力和一定组成的天然气，温度高于水合物形成温度天然气水合物也不会形成。三是温度必须低于天然气水露点（是指在一定压力下，与天然气绝对湿度相等的天然气中水蒸气的饱和含量所对应的温度）。

对产能试井期间油管中形成堵塞的常用处理方法主要有两种：注入抑制剂法、加热解堵法。两种方法各有优缺点，用时根据现场条件和水合物堵塞情况决定。

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