步玉環(huán) 景韶瑞 楊恒 郭勝來 柳華杰 劉合興

摘要：針對南海海域可能鉆遇淺層水合物，且在深水井測試過程中井筒生成天然氣水合物造成井筒堵塞的難題，從環(huán)空保護(hù)液的角度出發(fā)，以南海某深水氣井為例，采用數(shù)值模擬方法，研究深水氣井測試時不同產(chǎn)量下不同環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)對井筒生成水合物和淺層水合物分解的影響。結(jié)果表明：環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)越低，井筒生成水合物的臨界測試產(chǎn)量越低，當(dāng)環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)低至0.10 W/（m·℃）時，可滿足產(chǎn)量5×10⁴m³/d，井筒內(nèi)不生成水合物；隨著環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)降低，井筒外緣溫度隨之降低，淺層水合物越不容易發(fā)生分解；現(xiàn)場測試產(chǎn)量下的井口溫度與模擬結(jié)果誤差均小于5%，驗(yàn)證了計算模型的可行性。

關(guān)鍵詞：深水氣井； 環(huán)空保護(hù)液； 井筒生成水合物； 淺層水合物分解

中圖分類號：TE 256 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：步玉環(huán)，景韶瑞，楊恒，等.深水氣井測試條件下井筒水合物生成及淺層水合物分解的環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，47（1）：81-88.

BU Yuhuan， JING Shaorui， YANG Heng， et al. Influence of thermal conductivity of annular protective fluids on wellbore hydrate formation and hydrate decomposition in shallow formation during deep-water drilling and well testing［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（1）：81-88.

Influence of thermal conductivity of annular protective fluids on

wellbore hydrate formation and hydrate decomposition in shallow

formation during deep-water drilling and well testing

BU Yuhuan^1，2， JING Shaorui^1，2， YANG Heng^1，2，? GUO Shenglai^1，2，? LIU Huajie^1，2， LIU Hexing³

（1.Key Laboratory of Unconventional Oil & Gas Development （China University of Petroleum （East China））， Ministry of Education， Qingdao 266580， China;

2.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

3.CNOOC China Limited， Zhanjiang Branch， Zhanjiang 524057， China）

Abstract： During deep-water drilling of hydrate bearing formations， natural gas hydrates in near wellbore formation can decompose， and in well testing or production of deep-water oil and gas reservoirs， hydrates can be formed in wellbore， causing blockage. Special annular protective fluids can be used to mitigate those problems.In this study， taking a deep-water gas well in the South China Sea as an example， a numerical simulation method was used to study the influence of the thermal conductivity of annular protective fluids on wellbore hydrate formation and shallow hydrate decomposition under different drilling and well test conditions. The simulation results indicate that the lower the thermal conductivity of the annular protective fluid， the lower the critical gas production rate for hydrate generation in wellbore. When the thermal conductivity of the annular protective fluid is as low as 0.10 W/（m·℃），the critical gas rate for no hydrate generation in wellbore can be reduced to 5×10⁴m³/d. Low thermal conductivity of the annular protective fluid is also beneficial to reduce heat transfer between wellbore and nearby rock formation， which can inhibit hydrate decomposition during drilling when drilling fluid with higher temperature is used. The accuracy of the simulation model has been verified by comparing the wellhead temperature measured during field gas production testing with the simulation results， with errors being less than 5%.

Keywords：deep-water gas wells; annular protective fluid; wellbore hydrate formation; shallow formation hydrate decomposition

深海油氣勘探開發(fā)生產(chǎn)過程中，熱量通過井筒向四周擴(kuò)散，致使井筒流體溫度逐漸降低，可能導(dǎo)致井筒內(nèi)天然氣水合物的生成，堵塞井筒^［1-2］；當(dāng)淺層存在水合物，可能引起淺層水合物發(fā)生分解，造成氣涌、氣侵，影響井壁和地層穩(wěn)定，甚至引發(fā)安全事故^［3-5］。自20世紀(jì)80年代起，國內(nèi)外學(xué)者就對預(yù)防井筒生成水合物的問題進(jìn)行了大量研究。Wang等^［6］和Sun等^［7］針對井筒內(nèi)容易形成天然氣水合物的問題，開發(fā)了井筒溫度、壓力和水合物形成區(qū)域預(yù)測方法；BJ Services公司先后研究和現(xiàn)場應(yīng)用了兩代水基環(huán)空保護(hù)液，即ABIF和ATIF，在預(yù)防天然氣水合物的生成等方面起了關(guān)鍵作用^［8-10］；郭道宏^［11］采用保溫涂層材料對油管進(jìn)行保溫，并取得了一定的現(xiàn)場效果；李琦鈺等^［12］采用隔熱套管，通過計算套管下深來實(shí)現(xiàn)井筒保溫。上述方法雖然都有一定的效果，但隔熱套管價格昂貴，隔熱涂層干透的標(biāo)準(zhǔn)無法判斷，且目前的環(huán)空保護(hù)液的研究往往停留在降低其導(dǎo)熱系數(shù)方面，而很少有通過相關(guān)計算研究其對實(shí)際井筒的保溫能力、井筒生成水合物和淺層水合物分解的影響。筆者以中國南海深水某氣井測試制度下得到的數(shù)據(jù)為例，提出在深水氣井測試過程中采用環(huán)空保護(hù)液來減少海水以及地層與井筒之間的傳熱，并根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果確定低產(chǎn)量下井筒內(nèi)不生成水合物時最佳的環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)，從而最大化地實(shí)現(xiàn)井筒保溫，降低在泥線處形成天然氣水合物的風(fēng)險。

1 深水氣井井筒溫度-壓力計算模型

1.1 井筒溫度計算模型

在深水氣井的生產(chǎn)過程中，流體從井底向井口流動，在流動過程中熱量逐漸散失，根據(jù)中國南海深水某井的井身結(jié)構(gòu)，井筒流體攜帶的熱量在徑向上依次傳遞給油管、a環(huán)空、油層套管、b環(huán)空、技術(shù)套管、c環(huán)空、表層套管、水泥環(huán)并最終傳遞至地層（圖1），當(dāng)井筒外緣溫度過高時可能引起淺層水合物的分解。

在計算井筒流體傳熱過程中，假設(shè)^［13-15］：①井筒流體的熱量在井筒內(nèi)為徑向傳遞，為一維流動，不考慮軸向熱量傳遞；②井筒流體的熱量從井筒內(nèi)至二界面（水泥環(huán)與地層的交界面）為穩(wěn)定傳熱，二界面至地層深處為非穩(wěn)態(tài)傳熱；③忽略井筒流體化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化。

在井筒內(nèi)，單位時間內(nèi)微元段深度dz的熱損失為dQ，井筒中心到井筒外緣的穩(wěn)態(tài)傳熱方程為

dQ=2πr₂U（T_f-T_h）dz.??? （1）

其中

式中，T_f為井筒內(nèi)熱流體溫度，℃；T_h為井筒外緣溫度，℃；U為單位長度井筒總傳熱系數(shù)，W/（m·℃）；r_oilin、r₁、r₃、r₅、r₇和r₉分別為油管、油層套管、技術(shù)套管、表層套管、導(dǎo)管、隔水管的內(nèi)徑，m；r_oilout、r₂、r₄、r₆、r₈和r10分別為油管、油層套管、技術(shù)套管、表層套管、導(dǎo)管、隔水管的外徑，m；λ₀、λ₁、λ₂、λ₃、λ₄和λ₅分別為油管、油層套管、技術(shù)套管、表層套管、導(dǎo)管、隔水管的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；λ_a1、λ_a2、λ_a3、λ_a4和λ_a5分別為油管與油層套管之間、油層套管與技術(shù)套管之間、技術(shù)套管與表層套管之間、表層套管與導(dǎo)管之間、油管與隔水管之間環(huán)空物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；i為某一微元段井深，m；h₁為水深，m；h₂、h₃、h₄和h₅分別為導(dǎo)管、表層套管、技術(shù)套管和油層套管的下深，m。

井筒外緣至井筒外環(huán)境的非穩(wěn)態(tài)傳熱方程為

式中，λ_e為導(dǎo)熱系數(shù)，泥線以上為海水導(dǎo)熱系數(shù)，泥線以下為地層導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；T_e為環(huán)境溫度，泥線以上為海水溫度，泥線以下為地層溫度，℃。

f（t）為地層熱傳導(dǎo)時間函數(shù)^［16］，表達(dá)式為

式中，α為地層熱擴(kuò)散系數(shù)，m²/s；t為熱擴(kuò)散時間，s。

以井口為坐標(biāo)原點(diǎn)，單位時間流入和流出微元段的熱量分別為Q（z）和Q（z-dz），微元段內(nèi)熱損失為dQ，由能量守恒得

Q（z）=Q（z-dz）+dQ.??? （4）

其中

式中，c_pm為流體定壓比熱容，J/（ kg·℃）；

w_t為井筒流體質(zhì)量流量，kg/s。

由式（1）和（4）可得

依據(jù)井身結(jié)構(gòu)將井筒劃分為若干井段，在井段入口處z=z_in，其邊界條件為

T_f=T_fin， T_e=T_ein.

式中，z_in為井段入口端井深，m；T_fin為井段入口端井筒流體溫度，℃；T_ein為井段入口端地層溫度，℃。

結(jié)合邊界條件以及式（7）耦合得到井筒溫度場方程為

T_fout=T_eout-exp（B（z_out-z_in））（T_eout-T_fin）. ???（6）

其中

式中，T_eout和T_fout分別為井段出口端環(huán)境和流體溫度，℃；z_out為井段出口端井深，m。

1.2 井筒壓力計算模型

高壓是天然氣水合物生成的必要條件之一，若想預(yù)測井筒內(nèi)天然氣水合物的生成區(qū)域，就必須計算出井筒內(nèi)部壓力場。與溫度場計算相似，取單位井深微元控制段dz，深度相同位置的流體物理性質(zhì)相同。海洋氣水同產(chǎn)井井筒壓力控制方程^［17-19］為

其中

李琦鈺等^［11］通過實(shí)驗(yàn)獲得了不同井筒壓力下水合物生成的臨界溫度，并將水合物生成的井筒壓力與井筒溫度擬合，得到水合物相態(tài)溫度曲線。擬合結(jié)果為

p′=3.3163exp（0.0774T′）. ???（8）

式中，p′為井筒壓力，MPa；T′為井筒溫度，℃。

依據(jù)井筒溫度模型可以計算不同條件下的井筒流體溫度隨深度的分布；依據(jù)井筒壓力模型可以計算出井筒流體壓力隨深度的分布，結(jié)合天然氣水合物的臨界溫壓條件可以得到不同井深的水合物生成的相態(tài)溫度。結(jié)合不同井深的水合物生成的相態(tài)溫度和井筒流體溫度可以判斷該深度是否生成水合物。

計算井筒溫度和壓力分布時，將井筒劃分為若干微元段，確定邊界條件與初始條件，由井底往上進(jìn)行迭代計算，上一個微元段的計算結(jié)果是下一個微元段的初始條件，最終得到井筒的溫度和壓力分布，計算流程如圖2所示。

1.3 模型驗(yàn)證

依據(jù)現(xiàn)場所給資料，南海某氣井在2019年進(jìn)行測試，該井的井身結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。套管、地層和水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)分別為57、1.72和0.933 W/（m·℃），生產(chǎn)時間為0.25 d，水深1833 m，泥線、海面和井底地層溫度分別為2.4、20和65 ℃，地溫梯度為5.4 ℃/100 m。采用本文中模型模擬計算測試制度下不同產(chǎn)量時的井口溫度與實(shí)測數(shù)據(jù)對比見表2。

由表2可得，模型計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，誤差均小于5%，平均誤差2.81%。驗(yàn)證了計算模型的可行性。

2 環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)對井筒水合物生成及淺層水合物分解評估

以1.3節(jié)中的南海某深水氣井為例，模擬計算環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)對測試制度下井筒水合物生成及淺層水合物分解的影響。海水溫度分布^［20-22］為

式中，T_sea為海水溫度，℃；h為海水深度，m；T_s為海水表面溫度，℃；a₀=-130.13719，a₁=39.39839，a₂=2.30713，a₃=402.73177。

2.1 環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)對井筒生成水合物的影響

在使用常規(guī)環(huán)空保護(hù)液（導(dǎo)熱系數(shù)0.62 W/（m·℃）^［23-25］）測試條件下，根據(jù)測試制度下氣井產(chǎn)出量設(shè)計6種不同產(chǎn)量，依據(jù)井筒溫度模型計算不同產(chǎn)量下的井筒流體溫度隨深度的分布，如圖3所示。

由圖3可得，泥線1833 m以下，從井底至泥線，井筒流體溫度逐漸降低，產(chǎn)量越低，井筒流體溫度降低幅度越大；泥線以上，隨著深度減小，井筒流體溫度逐漸降低，且產(chǎn)量越低，井筒流體溫度越低。將天然氣水合物相態(tài)溫度曲線和各產(chǎn)量的井筒流體溫度曲線相結(jié)合，由此可確定出天然氣水合物分布區(qū)域，水合物相態(tài)溫度曲線左側(cè)（陰影部分）即為天然氣水合物的生成區(qū)域，水合物的生成區(qū)域中兩曲線的橫向差值為天然氣水合物的過冷度，橫向的最大差值為最大過冷度。產(chǎn)量分別為5×10⁴、10×10⁴、15×10⁴m³/d時，井筒流體溫度線與水合物相態(tài)溫度線相交，存在井筒流體溫度低于水合物相態(tài)溫度的井段，該井段會生成水合物。產(chǎn)量為30×10⁴、60×10⁴、90×10⁴m³/d時，井筒流體溫度線與水合物相態(tài)溫度線不相交，且產(chǎn)量越大，井筒流體溫度曲線距離水合物相態(tài)溫度線越遠(yuǎn)，即越不容易生成水合物。

由圖3得到的不同產(chǎn)量下水合物生成井段及所對應(yīng)的井筒流體溫度范圍和最大過冷度，如表3所示。由表3可知，產(chǎn)量越低，水合物生成井段越長，最大過冷度越大。

因?yàn)閼?yīng)用現(xiàn)場所使用的環(huán)空保護(hù)液滿足不了低產(chǎn)量（5×10⁴、10×10⁴、15×10⁴m³/d）時井筒中不生成水合物的要求，因此探究BJ Services公司研制和現(xiàn)場應(yīng)用的第一代環(huán)空保護(hù)液ABIF（導(dǎo)熱系數(shù)0.52 W/（m·℃））和第二代環(huán)空保護(hù)液ATIF（導(dǎo)熱系數(shù)0.35 W/（m·℃））對井筒內(nèi)生成水合物的影響。圖4為使用第一代環(huán)空保護(hù)液ABIF和第二代環(huán)空保護(hù)液ATIF之后不同井深的井筒流體溫度分布。

由圖4可以看出：在使用了第一代環(huán)空保護(hù)液ABIF后產(chǎn)量為5×10⁴、10×10⁴、15×10⁴m³/d時，以及使用第二代環(huán)空保護(hù)液ATIF之后產(chǎn)量為5×10⁴、10×10⁴m³/d時，仍存在井筒內(nèi)熱流體溫度低于水合物相態(tài)溫度的井段，但是相比較常規(guī)環(huán)空保護(hù)液，井筒流體溫度曲線明顯右移，使用ABIF和ATIF之后水合物生成井段分別最大減小了286和487 m，且最大過冷度明顯下降；圖4（b）中在產(chǎn)量為15×10⁴m³/d時，水合物相態(tài)溫度線與井筒流體溫度線不相交，說明在導(dǎo)熱系數(shù)為0.35 W/（m·℃）、產(chǎn)量超過

15×10⁴m³/d時井筒內(nèi)都不會生成水合物，井筒保溫效果大大提高。

不同產(chǎn)量下水合物生成情況如表4所示。

通過對比常規(guī)環(huán)空保護(hù)液、ABIF和ATIF對井筒水合物生成的影響，可以看出：環(huán)空保護(hù)液的導(dǎo)熱系數(shù)越小，水合物生成井段越短，且在低產(chǎn)量情況下越不容易生成水合物。由于3種環(huán)空保護(hù)液均不能滿足低產(chǎn)量（5×10⁴、10×10⁴m³/d）下井筒內(nèi)不生成水合物，故通過模擬計算，調(diào)試出可以滿足低產(chǎn)量時的不生成水合物的環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)。綜合分析圖3和4可得，環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)越低，井筒內(nèi)越不容易生成水合物。

以第二代環(huán)空保護(hù)液ATIF導(dǎo)熱系數(shù)0.35 W/（m·℃）為基礎(chǔ)，對低于該基礎(chǔ)導(dǎo)熱系數(shù)的環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，得到不同環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)下的井筒流體溫度，如圖5所示。由圖5可知：產(chǎn)量為10×10⁴m³/d條件下，在導(dǎo)熱系數(shù)為0.27 W/（m·℃）時，水合物相態(tài)溫度線仍與井筒流體溫度線相交，所以將導(dǎo)熱系數(shù)繼續(xù)進(jìn)行下調(diào)，在導(dǎo)熱系數(shù)為0.25 W/（m·℃）時兩線不相交，因此環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)須小于等于0.25 W/（m·℃）時井筒內(nèi)才不生成水合物；產(chǎn)量為5×10⁴m³/d條件下，在導(dǎo)熱系數(shù)為0.10 W/（m·℃）時水合物相態(tài)溫度線與井筒流體溫度線不相交，因此環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)須小于等于0.10 W/（m·℃）時井筒內(nèi)才不生成水合物。

2.2 環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)對淺層埋藏水合物分解的影響

依據(jù)該氣井測試制度下淺層水合物（A、B、C、D）4處深度位置的地層壓力，根據(jù)式（10）計算得出該深度淺層水合物相態(tài)溫度，如表5所示。

產(chǎn)量越高，井筒溫度越高，當(dāng)井筒外緣溫度大于淺層水合物相態(tài)溫度時，淺層水合物發(fā)生分解。不同產(chǎn)量下4個水合物深度位置的井筒外緣溫度分布如圖6所示。

由圖6可以看出：不同產(chǎn)量下，常規(guī)環(huán)空保護(hù)液、第一代環(huán)空保護(hù)液ABIF以及第二代環(huán)空保護(hù)液ATIF均能滿足淺層水合物不發(fā)生分解；越接近泥線的位置（淺層水合物A）越不容易發(fā)生淺層水合物分解，井筒入泥越深井筒外緣溫度越接近水合物相態(tài)溫度，可能引起淺層水合物發(fā)生分解；環(huán)空保護(hù)液的導(dǎo)熱系數(shù)越低，井筒外緣溫度越低，越不容易發(fā)生淺層水合物分解。

3 結(jié) 論

（1）在深水井深層油氣的測試過程中，井筒流體溫度隨深度降低而逐漸減小，產(chǎn)量越低井筒溫度越低，井筒內(nèi)越容易生成水合物；環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)越低，井筒溫度越高，水合物生成井段越短，越不容易生成水合物。

（2）對于南海某氣井采用3層套管（油層套管-技術(shù)套管-表層套管）的井身結(jié)構(gòu)，與常規(guī)環(huán)空保護(hù)液相比，產(chǎn)量為15×10⁴m³/d時，使用ABIF后水合物生成井段最大減小了286 m；產(chǎn)量為10×10⁴m³/d時，使用ATIF后水合物生成井段最大減小了487 m。測試過程中，當(dāng)環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)為0.10 W/（m·℃）時，可滿足產(chǎn)量低至5×10⁴m³/d時井筒內(nèi)不生成水合物。

（3）水合物埋藏深度越深，井筒外緣溫度越接近水合物相態(tài)溫度，淺層水合物越可能發(fā)生分解。環(huán)空保護(hù)液導(dǎo)熱系數(shù)越低，保溫效果越好，井筒外緣溫度越低，淺層水合物越不容易發(fā)生分解。

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（編輯 李志芬）