气井水合物预测与防治技术

摘 要：目前预测水合物生成的方法常用的有图解法、平衡常数法、经验公式法和热力学统计法。根据天然气水合物生成条件，气井水合物防治工艺技术主要分为以下四类：注化学抑制剂、加热、降低压力、提高流速。

关键词：水合物预测 自由水 化学抑制剂

龙深气田和长春气田气井在试气生产过程中普遍存在水合物冻堵情况，从现场情况分析，地面管线冻堵情况居多，井下冻堵较少、位置较浅（预测在距井口200米以内），且多发生在秋冬季节（11月-6月）。

一、概述

1.天然气水合物的定义

天然气水合物（Hydrates）是在一定的压力与温度条件下天然气中的水与甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、氮气，二氧化碳以及硫化氢等分子所形成的笼形结晶状化合物。

2.天然气水合物结构类型

Ⅰ型结构：46个水分子组成两个内径为0.52纳米的小空穴和6个内径为0.59纳米的大空穴，理想化学式为8X・46H20或X・5.75H20；

Ⅱ型结构：136个水分子形成8个内径为0.69纳米的大空穴和16个内径为0.48纳米的小空穴，其化学式为8X・136 H20或X・17H20。a

H型结构：34个水分子组成，含有6个空腔，其中3个是512型空腔；2个为435663型空腔，1个为51262型空腔，理想分子式为6X・34H2O。

3.天然气水合物生成过程

初始条件：压力和温度均满足生成水合物的取值5范围；不稳定簇团：一旦气体进入水中，立即形成不稳定簇团；聚结：不稳定簇团通过面接触聚结，从而增加无序性；初始成核及生长：当聚结体的大小达到某临界时，晶体开始生长。

4.天然气水合物的基本性质

晶体特征：烃类气体充填在水分子的空穴中，在低温和一定压力下通过范德华作用力稳定地结合在一起。

物理性质：天然气水合物与冰之间在物理性质方面具有明显相似性。

5.水合物生成条件及影响因素

自由水存在，天然气温度必须等于或低于天然气水的露点；低温，体系温度必须达到水合物生成温度；高流速-压力波动-气体扰动-H2S和CO2等酸性气体存在和微小水合物晶核诱导等因素。

天然气组分，组分组成是决定是否生成水合物的内因；搅拌速率，搅拌速率越大，其水合物形成温度越高；酸性气体，酸性气体的含量越高，其形成水合物温度越高；电解质，含电解质水溶液，其水合物的形成温度将会降低；生产系统情况，气体产量、地温梯度、油管直径以及螺纹连接处的密封好坏都与水合物的形成有关。

二、水合物生成预测方法

预测天然气水合物的生成方法常用的有四种：图解法、平衡常数法、经验公式法和热力学统计法。

图解法主要根据天然气的密度预测水合物生成条件，只要根据天然气的组成用状态方程计算出气井采输系统各节点处天然气的相对密度，即确定体系是否会生成水合物。

平衡常数法是利用气固平衡常数来预测水合物生成条件。

经验公式法：波诺马列夫公式；P-T相图的回归公式；特定气田经验公式；二次多项式。

统计热力学算法都是基于Van Der Waalsh和Platteeuw提出的气体吸附模型，运用热力学公式、图表计算水合物气、液和固相化学位差异及各组分逸度，最后判断水合物生成条件。

三、水合物冻堵防治技术

根据天然气水合物生成条件，气井水合物防治工艺技术主要分为以下四类：注化学抑制剂、加热、降低压力、提高流速。

1.化学抑制剂防治技术

热力学抑制剂的加入后会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气分压，使气流在较低温度（-30～-50℃）下不生成水合物。

动力学抑制剂通过显著降低水合物的成核速率、延缓乃至阻止临界晶核的生成、干扰水合物晶体的优先生长方向以及影响水合物晶体定向稳定性等方式抑制水合物的生成。

1.1抑制剂理论用量计算

在水合物预防和去除过程中，抑制剂用量由两部分组成：一是为保证水合物生成温度的降低所需一定浓度水溶液必须的抑制剂用量；二是为饱和气体所必须的抑制剂用量。

1.2抑制剂加注工艺

目前常用的抑制剂加注工艺分挤注法和循环法两种。挤注法：利用泵车或高压注入设备将抑制剂挤入油套管的方式，多用于已发生冻堵井。循环法：又分油套环空循环和井下毛细管循环，利用循环通道实现抑制剂实时加注，降低水合物生成温度，抑制水合物形成，保障试采气顺利进行。

2.加热防治技术

2.1井口保温

该技术可有效改变近井地带温度场，可有效防治井口、地面管线及井下水合物冻堵，已广泛应用。

3.2.2水套炉加热

部分气井生产测试过程中井筒不生成水合物，由于井口节流，造成井口和地面管线存在严重水合物冻堵情况，水套炉加热是一种常用有效的防治井口和地面管线水合冻堵措施。

3.井下节流工艺技术

3.1井下节流工艺原理

井下节流技术是在井下某一深度油管内座放一定规格的节流器，实现井筒中节流降压，将压能转变成动能，提高流体流动速度，使节流后的流体始终保持临界流动状态，减少井口压力波动对井底的影响，并充分利用地热能量，防止水合物的生成。

3.2井下节流技术特点及分类

分类：井下节流器有三种类型：活动式、固定式、丢手式，其中活动式应用较为广泛。

特点：可有效降低井口、集气管线压力，提高管线安全系数；改善水合物形成条件，降低水合物形成温度，实现水合物的有效防治，节约地面加热装置，减少或取消注醇；提高气液携液能力，降低井底积液的可能性；有效防止地层激动，实现气井的稳定生产；井口流程简单易于实现井口无人值守，减少地方工程投资。

4.提高流速防治水合物技术

通过提高流速，可以降低井筒压力，提高井筒温度。对水合物的形成起双重抑制作用。因此在地质条件允许的前提下，采取提高单井产量的方式，尽可能提高产气量可以减少水合物生成可能性。

作者简介：王晓辉，工程师，现在吉林油田松原采气厂厂长办公室从事天然气钻采技术研究工作。