深水鉆完井作業(yè)水合物的防治

劉少權(quán)，鄭偉，喬純上(中海油能源發(fā)展工程技術(shù)深圳分公司鉆完井技術(shù)中心，廣東 深圳 518067)

0 引言

深水作業(yè)環(huán)境下的流動安全保障措施是深水油氣田開發(fā)生產(chǎn)作業(yè)中不可缺少的組成部分，直接關(guān)系到油氣井壽命和油氣田開發(fā)效率。流動安全保障內(nèi)容中比較重要的就是涉及水合物生成預測、預防及堵塞處理、系統(tǒng)完整性保障等方面。

1 水合物的定義和分子結(jié)構(gòu)

天然氣水合物是流動安全保障中最重要的問題，在大部分深水完井作業(yè)中，海底環(huán)境低溫是導致井筒內(nèi)形成水合物的主要因素，主要靠預防加以控制。天然氣水合物是由甲烷、乙烷和丙烷等1種或幾種氣體的混合物，它的生成是在一定的溫度、壓力條件下和水三者共同作用的結(jié)果。天然氣水合物的分子結(jié)構(gòu)一般是籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體，如圖1所示。

圖1 水合物結(jié)構(gòu)

2 水合物生成條件

一般在低溫和高壓條件下就會生成水合物。在深水鉆完井作業(yè)過程中，水合物通常在泥線附近、油嘴節(jié)流管匯處、分離器處、流動通道變徑處等常見部位形成，因為這些關(guān)鍵節(jié)點滿足水合物的形成條件。一般情況下，水合物的形成需要滿足以下4個條件：

(1)水合物生成的首要條件是含有液態(tài)水。典型的水合物成分甲、丁烷，還有CO2、N2和H2S。水合物中的水來自生產(chǎn)儲層里的自由水、碳氫化合物冷卻產(chǎn)生的濃縮水或者水基鉆井液。

(2)低溫是形成水合物的另外一個重要條件。天然氣的溫度必須等于或低于天然氣中水汽的露點。水合物中水的摩爾百分比濃度是85 mol%，系統(tǒng)溫度并不需要降至0 ℃(冰點)來生成冰狀固體。海上水深大約914.4 m以下，泥線處的溫度明顯降到3.3～4.4 ℃，從井口到泥線的幾公里管線內(nèi)的氣體在這一溫度下很容易冷卻，這樣水合物在管線(以及井內(nèi))高壓下很容易形成[1]。

(3)高壓通常加快了水合物的生成。在3.3 ℃，通常天然氣會在0.7 MPa的低壓下形成水合物；在10.3 MPa壓力下，天然氣在18.9 ℃形成水合物。深水鉆井是在水深1 828.8～3 048 m作業(yè)，這樣的深度形成了低溫和高壓的良好環(huán)境。墨西哥灣水溫隨著水深變化的曲線圖如圖2所示。曲線顯示，76.2 m水深時溫度高達21.1 ℃，水深超過914.4 m時，海底溫度全都大約在4.4 ℃[2]。

圖2 墨西哥灣水溫隨著水深變化的曲線圖

(4)其他條件。壓力的波動、氣流方向改變及微小水化晶的存在也會導致水合物的形成。

3 實際生產(chǎn)作業(yè)過程中的水合物危害

3.1 水合物對井控風險非常大

水合物對深水鉆井、測試和完井的危害巨大，主要體現(xiàn)在以下6個方面：

(1)水合物會堵塞節(jié)流壓井管線，無法建立循環(huán)，使壓井作業(yè)失敗；

(2)水合物會堵塞防噴器或防噴器以下的空間，防噴器之下壓力無法檢測，同時水合物也會在鉆具與防噴器之間形成堵塞，使防噴器在需要關(guān)閉的時刻失效，防噴器連接器和井口連接器處形成水合物，會影響防噴器的解脫，在緊急時刻可能無法解脫BOP和LMRP；

(3)水合物也會堵塞隔水管、防噴器或套管與完井管柱的環(huán)空，進而在作業(yè)過程中無法移動完井管柱；

(4)當溫度和壓力發(fā)生變化時氣體水合物會逐漸分解，釋放出的氣體會導致井漏、井噴、套管和隔水管損壞等事故；

(5)井下工具的控制管線內(nèi)形成水合物，導致井下工具失效；

(6)在清井返排時，井下安全閥以上、油嘴阻流管匯易形成水合物，造成清井返排失敗。

3.2 影響鉆井液性能

(1)水合物的生成和分解屬化學變化，其中伴隨著熱量的變化，其分解會降低鉆井液密度，使整個環(huán)空液柱壓力降低。

(2)生產(chǎn)水合物的過程中會消耗鉆井液中水的含量，進而會改變鉆井液流變性能，此外，水合物的形成也會使得鉆井液失水，讓鉆完井液比重加重，進而壓漏地層發(fā)生井漏等復雜情況。

4 水合物預防措施

在設計過程中，首先要模擬生產(chǎn)過程中井筒剖面及地面流程的溫度、壓力場分布進而預測水合物的生成趨勢，繪制出水合物生成的包絡線圖版用于指導水合物防治。常見的預測方法有：圖解法、經(jīng)驗公式法、平衡常數(shù)法和統(tǒng)計熱力學法等。如果預測有形成水合物的風險，就要采取有效的防治措施。例如：在返排前后及過程中，應結(jié)合現(xiàn)場流動情況調(diào)整水合物抑制劑的注入量[3-4]。在深水完井和測試作業(yè)過程中，要在泥線、地面井口和油嘴管匯處的溫度壓力數(shù)據(jù)在水合物生成包絡線以外，亦宜注入水合物抑制劑，同時也要備用鋼絲及連續(xù)油管設備，以應對水下完井管柱出現(xiàn)水合物凍堵。

5 清除水合物的案例

國外某深水油田，水深1 500 m，采用立式采油樹完井。在清井放噴期間，修井隔水管(WOR)中產(chǎn)生水合物，通過鋼絲作業(yè)探到水合物在頂部位置后，下入連續(xù)油管清除水合物。

現(xiàn)場的作業(yè)情況是如下：該井上部完井已結(jié)束，并坐好油管掛，立式采油樹已安裝并測試合格。地層隔離閥(FIV)處于打開狀態(tài)，鋼絲作業(yè)探水合物頂部位于修井隔水管內(nèi)755 m。生產(chǎn)主閥(PMV)、生產(chǎn)清蠟閥(PSV)、井下安全閥(DHSV)關(guān)閉，修井隔水管/緊急解脫總成(EDP)與水下采油樹未連接，鉆井裝置已移至安全區(qū)。準備工作做好之后，開始連續(xù)在油管進行清除水合物作業(yè)。現(xiàn)場施工程序如下：

(1)吊裝鵝頸頭及注入器至鉆臺，連接設備液壓管線并進行功能試驗，試驗合格后將連續(xù)油管插入鵝頸頭及注入器，上提注入器至適當高度，通過固井泵對連續(xù)油管通水并記錄油管容積。

(2)然后組裝連續(xù)油管工具接頭并按操作要求對工具接頭進行拉力測試，測試值為11.3 t(本次作業(yè)使用1.75”連續(xù)油管)。

(3)關(guān)閉地面測試樹壓井翼閥，打開地面測試樹清蠟閥，依次連接井下工具串，校0。

(4)連接連續(xù)油管注入器、防噴器、地面測試樹，打開地面測試樹主閥，下放工具串至連續(xù)油管防噴器半封位置以下，關(guān)閉半封，對連續(xù)油管、管線、防噴器半封試壓1.7 MPa,觀察5 min，如未發(fā)現(xiàn)泄漏，增加壓力至34.5 MPa并保持10 min。如果可以穩(wěn)壓，快速從連續(xù)油管單流閥下游泄壓至1.7 MPa并觀察10 min，泄壓為0，然后打開連續(xù)油管防噴器半封。最后對防噴器本體和防噴盒試壓1.7 MPa,觀察5 min，如未發(fā)現(xiàn)泄漏，增加壓力至34.5 MPa并保持10 min，泄壓為零，試壓結(jié)束。

(5)下入連續(xù)油管，變徑處需緩慢下放，控制好下放速度。水合物面以上適當位置，記錄上提下放懸重，繼續(xù)緩慢下放至水合物面，確認深度。上提連續(xù)油管2 m，頂替比重為1.39 sg的氯化鈣鹽水至修井隔水管，同時從地面測試樹和修井隔水管防噴閥(WOR-LV)的注入點以1 L/min的泵速注入乙二醇，并通過地面測試管匯油嘴控制返出。

(6)連接甲醇注入泵，以最大排量通過連續(xù)油管泵入1 m3甲醇。下放連續(xù)油管輕探水合物面并通過連續(xù)油管替入1.39 sg的氯化鈣鹽水，等待30 min以使甲醇與水合物反應。期間注意觀察地面井口壓力，壓力應保持在1.0 MPa。如壓力升高，從油嘴管匯泄壓至緩沖罐。浸泡30 min后，連續(xù)油管下探水合物面。如水合物仍存在，重復上述甲醇泵入步驟。如水合物被清除，繼續(xù)下放連續(xù)油管至修井隔水管底部，同時以最大排量循環(huán)1.39 sg的氯化鈣鹽水，并保持以1 L/min的泵速注入乙二醇。

(7)確認修井隔水管中的水合物被完全清除后，起出連續(xù)油管，關(guān)閉修井隔水管防噴閥、地面測試樹主閥、地面測試樹清蠟閥及地面測試樹翼閥，最后拆甩連續(xù)油管設備。

6 結(jié)語

在深水鉆完井作業(yè)中水合物帶來的風險非常巨大，需引起高度重視。對水合物的防治要從多方面著手，深水石油勘探開發(fā)過程中要提前做好水合物清除準備工作，確保作業(yè)順利進行。