气井针阀电加热解堵工艺参数计算与试验研究

宗庆伟，韩永亮，孙晓飞，秦诗涛，熊天华，宗庆凤，张 镇

(1.中国石油集团 渤海钻探工程技术研究院，天津 300280 2.中国石油集团 渤海钻探定向井分公司，天津 300280)

电动针阀是一种集成了远程生产智能控制技术、气井在线生产优化等技术，能够实现天然气井生产自主管理与远程管理[1]的装置。该装置能够将气井内流体的高压力平稳地降低到采气所需压力，输送到管网，再由集气站进行处理。但是，电动针阀在冬季面临着严重的冻堵问题，导致管线堵塞、气井无法正常生产。以苏里格气田为例，该地区气藏非均质性强、单井产量低、压力下降快[2]，需要频繁的开关井，因此广泛装有电动针阀。随着气井出水不断增多，在冬季生产过程中，气井管网冻堵现象频繁，严重影响冬季生产[3]。为了解决电动针阀冬季冻堵的问题，在分析电动针阀冻堵的成因，了解常用的解堵方式后，笔者发现电加热解堵有着安全、环保、高效、节能等明显优势。目前，对电加热解堵所需热量、加热位置、加热过程中的传热过程等研究较少。笔者通过理论计算与现场试验，分析传热过程中的影响因素，构建传热模型，提出一种高效、低耗的电加热解堵方案。

1 解堵方式分析

在冬季，地面管线由于气井产水，当管线外的气温低于零度，管线易产生更多凝结水而形成冰堵，导致气井无法正常生产，给气田冬季生产管理带来很大麻烦[4]。电动针阀由于节流作用在一侧形成高压，在高压低温的条件下水分子(主体分子)通过氢键结合形成笼形结构, 气体分子(客体分子)在范德华力作用下被包络在水分子的笼形结构之中[5]，形成天然气水合物，其化学表达式为CH4·xH2O，为冰状结晶物，堵塞阀门，造成冻堵。与冰堵比较，冻堵的危害更大，因为其成因更易，影响范围更广。

针对冰堵、冻堵的问题，常用的解堵方式主要有加注化学抑制剂溶解解堵、物理放空引导解堵、电伴热加热解堵3种方式[6]。化学抑制剂解堵法就是注醇作业，通过向管线内加注甲醇来抑制水合物的形成。但是，该方法需要向管线内笼统注醇，需要大量甲醇，施工费用高、周期长。同时，甲醇对人体和环境的危害较大。如果注醇作业不能够解堵，会采取物理放空引导解堵，这项作业需要断开生产井与管网的连接，拆开闸门管线。采用直接的物理放空解堵或者靠井内压力辅助解堵，容易造成环境污染，气井再投产周期长。电加热解堵通过传递热能打破天然气水合物的稳定存在条件，使之分解成水和天然气。该方法有着施工成功率高、施工周期短、风险小、投资少、无污染等优点。

2 电动针阀冻堵分析

2.1 电动针阀的结构

电动针阀由软件部分和硬件部分组成。硬件部分包括电动执行机构、可调节式针阀和智能控制器；软件部分由各种功能程序组成。其供电系统由井口风电互补系统供给。电动执行机构主要用于驱动可调节式针阀，控制针阀的闭合，以及不同开度的调节；可调节式针阀与传统针阀差别不大，靠阀杆前段的顶针与下阀座之间的匹配关系控制整个管内通径；智能控制器控制设备的运行。可调式针阀结构如图1。

1—下阀座；2—密封件；3—轴承；4—连接套；5—上阀座；6—丝母；7—阀杆。

2.2 电动针阀冻堵位置分析

分析冻堵的成因可知，天然气水合物的形成主要受温度和压力影响较大。在电动针阀需要通过开度控压时，由于节流作用将在进口侧与出口侧产生一定压差，此时形成天然气水合物临界条件降低，其形成的边界温度将提高。根据电动针阀结构，冻堵主要在2个部位：首先，在阀杆与腔体之间形成冰堵、冻堵，导致阀杆不能有效伸缩，造成针阀无法开关井；其次，在下阀座节流位置处形成冰堵、冻堵形成通道堵塞。

2.3 天然气水合物热分解计算

为了使天然气水合物分解，需要打破其稳定存在的平衡条件，通过改变温度和压力，可破坏其平衡条件进而分解。在分解过程中，产气速率主要受气液两相流动、传热和水合物分解动力学性质影响[7]。由于气井电动针阀发生冻堵，管线处于堵塞状态，故不考虑气液两相流动及压力变化，只考虑加热分解天然气水合物，整个过程可表示为：

(1)

由胡亚飞等[8]介绍的推导过程，天然气水合物的分解热可以利用克拉伯龙方程求得，即：

(2)

△V=VG+VW-VH

(3)

若忽略天然气水合物分解前和分解后水的体积变化，则有：

△V=VG

(4)

将气体状态方程pV=ZRT和式(4)带入式(2)可得：

(5)

式中：p为水合物形成压力,MPa；T为水合物形成温度，K；VH为分解前固态水合物的体积,m3；VW为分解后水的体积，m3；VG为分解后气体的体积，m3；Z为天然气水合物物质的量；R为气体理想气体常数；△HD为水合物的分解热，kJ/mol。

根据Dickens等[9]提出的天然气水合物相平衡计算公式，可以通过压力求得水合物的分解温度：

(6)

式中：T1为天然气水合物的相平衡温度，K；p1为对应压力，MPa。

根据唐良广等[10]建立的模型，传递给天然气水合物的热量一部分用于升高分解区的温度，另一部分用于分解水合物，还有一部分通过移动边界传导给未分解的水合物区域，其中热量的有效利用率为：

(7)

式中：η为热效率；Tp为天然气水合物温度，K；SH为天然气水合物饱和度；QD为天然气水合物分解热，kJ/mol；ρ为水合物的密度，kg/m3；k为分解区热传导系数，W/(m·K)；α为分解区热扩散系数，m2/s。

取井口压力为3.5 MPa，带入式(6)计算出天然气水合物的相平衡温度为275.03 K。假设天然气水合物结构类型为Ι型水合物，其分子式为CH4·5.75H2O，密度取910 kg/m3，体积为308.41×10-6m3，带入式(5)可以算出天然气水合物的分解热为53.5 kJ/mol，分解所需要的热量为125.65 kJ。根据唐良广等[10]给出条件和式(7)，可以计算出热效率为0.753。由于在给电动针阀加热的过程中，电动针阀本身还会吸收热能，所以，如果忽略系统边界上传热与损失，最终热效率为0.198。通过计算可以得知天然气水合物分解所需热量并不高，大部分热量用于给系统升温，天然气水合物的分解需要持续的热量供给，保证天然气水合物分解的传质传热过程。

2.4 传热模型

由傅里叶冷却定律的推论可以得到均匀介质里的三维热传导，其表达式为：

(8)

式中：μ为温度，K；t为时间，s；k为热传导系数，W/(m·K)，ρ为密度，kg/m3；c为比热容，J/(kg·K)。

根据式(8)可以得知，对于已知物体，其具有固定的导热性能，热传导主要与三维各轴向面积有关。利用ANSYS中瞬态热分析模块对加热过程中传热情况进行分析。首先建立传热模型，将三围模型简化为铁管，管内物质设定为天然气水合物，其传热系数、密度、比热取计算时采用数值。根据计算，天然气水合物热分解效率不高，考虑到现场井控需求和防爆等级要求，选取常见电伴热作为热源，模型拟定以12 W的热通量对铁管进行加热，与环境边界条件导热系数设为1 W/(m·K)，仿真时间为120 min，分析最终热通量分布情况，结果如图2。根据传热仿真结果，大量热量沿管子的径向传递，电加热解堵需要解决边界传热的问题。

图2 基于ANSYS热通量模型

3 构建试验系统

3.1 系统要求

1) 根据计算和仿真可以得知天然气水合物分解需要热量不多、热效率低。因此，试验系统选取热源应该能够长时间、恒定供热。

2) 根据计算和仿真可以得知热量主要损失在系统内外的径向传热。传热过程中物体主要受两端温度和热传导系数影响，在无法改变热传导系数的前提下，提高物体两端温度可以有效减少热量传递。因此，要求对天然气水合物所在周边一起供热，减少径向传热；同时，加热系统应该尽可能减少与环境的传热。

3) 能够监控试验过程中温度变化情况，用于数据回测。

3.2 技术参数选取

电伴热可以持续稳定供热。电热带柔软，易缠绕于不规则物体。因此，系统选取热源为电伴热。电热带宽度为20 mm，厚度4 mm，其使用电压为200 V，功率为90 W/m，最高可加热至120 ℃。

保温材料选取了铝箔隔热棉，隔热棉采用NBR材质，厚度20 mm，初始导热系数为0.032 W/(m·K)，具有良好的隔热保温作用，在加热过程中能够减少整个系统的环境传热。

为了能够准确有效地监控电加热解堵过程中的温度变化，需要1台能够检测环境温度和加热温度的仪器，要求反应灵敏，量程大(-30～50 ℃)，测量精度高。温度检测仪主要由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器部分采用PT100热电阻，根据不同的温度对应不同的阻值，其温度测量范围为-200～650 ℃，误差≤1%，温度阶跃变化50%响应时间t<5 s；信号转换器主要由测量元件、信号处理和转换单元组成。该设备可巡回检查8个分路信号，各个输入通道信号之间无干扰，显示精度±0.2%FS±digit。

整个系统由便携式柴油发电机供电，功率为3 kW，实际油耗为0.3～0.5 L/h。

3.3 试验系统方案

通过敲击法对试验井冻堵段进行分析，估算出天然气水合物的体积为308.41×10-6m3，进而计算出大约需要对电动针阀加热100 min。

拟定对电动针阀缠绕电热带的方式进行加热，对可能冻堵点位进行密集缠绕增加其热量获得，加热时间为2 h。用保温材料外包进行保温，利用数显式温度检测仪直接对电动针阀6个点位进行温度监测，监测点分布在针阀进出口位置以及管线上。

温度检测仪共有6个传感器，与监测点对应，其中检测点1设置在电动针阀阀体上端，监测点2设置在电动针阀阀体中央，监测点3设置在电动针阀入口，监测点4设置在电动针阀出口，监测点5设置在出口管线上。监测点6空置，用于检测环境温度，如图3。

图3 电动针阀各个监测点位置

4 试验结果

4.1 现场试验情况

2019-03-13T17∶00∶00，在试验井安装试验工具并调试正常，共计缠绕加热带11 m。2019-03-14T06∶00∶00开始试验，于06∶11∶00至8∶10∶00对电动针阀进行加热，并记录各个点位的温度变化情况。停止加热后于08∶20∶00试开井，电动针阀正常工作，解堵成功并完成开井动作。在加热试验过程中，测得电热带平均电压为226 V，平均电流为4.3 A，因此得出电热带整体功率为971.8 W。该试验所用电热带总长为11 m，求得单位功耗为88.35 W/m。

4.2 试验数据记录

详细记录试验过程中各个监测点的温度变化情况，结果如表1。根据试验数据绘制加热温度-时间曲线，如图4。

表1 加热过程中各个监测点温度 ℃

图4 加热过程中温度时间曲线

由图4知，监测点5的升温速率明显高于其他点位。对比现场安装图，监测点5缠绕的加热带更密集、热通量更高，与观测值相符；监测点2和监测点4曲线基本一致，因为两者一个在阀体中央，另一个在阀体出口处，相距不远，缠绕加热带密集度相同；监测点3加热带缠绕密集度大于监测点2、4，所以在初始升温速率上更快。由于其在出口管线上与输气管网相连，经过热交换，其后续升温速率明显低于监测点2、4；监测点1与监测点3类似。

4.3 数据对比

根据传热模型对测点5的温度变化进行预测，对比测点5的实际温度变化情况，如表2。根据表2绘制温度-时间曲线，如图5。

表2 理论温度与实际温度对比 ℃

图5 理论与实际温度曲线

通过对比可以发现前50 min，实际温度上升要比理论计算快，这是因为理论计算只考虑了天然气水合物传热过程,天然气水合物分解造成管线内部热导率降低，导致前期实际升温速度要快，证明天然气水合物分解主要集中在前50 min；模型预测与实际温度趋势近似，传热模型与实际相符。

5 结论

1) 理论计算和现场试验表明，采用电加热的方式对电动针阀冻堵位置进行外部加热，热能可以有效传递到内部，解决电动针阀冬季冻堵问题。

2) 天然气水合物分解所需热量不高、有效效率低，其分解需要时间；加热过程中的热量稳定供给主要受到传热影响，大部分的热量被用于系统的升温和传热。

3) 单纯提高冻堵位置的热量供给，解堵效率不高。为了优化电加热解堵方案、提高解堵效率，需要在电加热的过程中对冻堵位置周围同时加热，减少加热位置的径向传热；采用外壳保温的方式，减少系统与环境的热交换。

4) 本试验共计使用柴油1.5 L、作业时间2 h。电加热解堵在经济、作业周期方面比其他解堵作业有着明显的优势。