超深水井测试期间储层固相产出对水合物生成影响研究*

黄 熠 刘书杰 孟文波 蒋东雷 余 意 赵东睿 窦亮彬 左雄娣 陈景杨

(1. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司 广东湛江 524057; 2. 西安石油大学石油工程学院 陕西西安 710065)

近年来，随着海洋油气田开发技术的进步，海上开发已逐步由近浅海区域油气储层转向超深水(水深>1 500 m)储层，该类储层在进行生产作业时面临井筒水合物的生成沉积堵塞风险大，造成严重的作业和安全问题。本文以琼东南盆地松南低凸起为例，该区域平均水深在1 800 m以上，目的层为裂缝性花岗岩储层，测试期间易发生固相产出、水合物生成等问题。为保障该区块气井测试及生产正常进展，有必要对测试期间的水合物生成特别是固相和天然气同时产出时其对水合物影响开展研究。

深水油气井测试是海洋石油生产的关键步骤之一，深水区与陆地和浅海区不同，其复杂的自然环境条件对深水油气井测试带来了巨大的困难[1-4]。在海洋超深水井测试生产的情况下，天然气水合物的形成及储层固相产出是危及深水井测试作业安全的两个主要问题。低温高压这种特有的环境因素为天然气水合物的生成创造了的条件。根据目前已有现场资料可知，超深水气田测试过程中天然气水合物生成几乎无法避免，使测试作业及后期投产风险提升。目前国内外关于井筒内水合物研究主要集中钻井、压井等过程中[5-7]，在深水尤其是超深水测试期间水合物研究仍有较大的研究空间。

生产过程中井底压力环境因储层内流体流动而改变，同时研究区花岗岩储层裂缝发育，脆性特征明显[8]，在测试生产过程中易发生拉伸剪切破坏，进而导致储层固相产出，而固相产出将会影响水合物生成，但以往对于此方面研究较少。目前国内外学者在气-固两相流的领域进行了一定程度的研究[9-10]，主要针对传统的气-固两相流中的固体颗粒运移动力学理论，该理论在气体钻井等领域有一定的应用，但长井筒管柱内的气-固两相流，测试期间气-固两相研究尚未见诸文献。因此，笔者通过开展超深水花岗岩储层测试期间水合物生成机理以及固相产出对水合物生成影响机制研究，以期保障完井测试安全，提高测试效果，为保证海上油气井生产工作安全提供指导。

1 测试期间水合物生成预测模型

YL区水深在1 800 m以上，属于超深水。YL区目的层前古近系基岩上层部分由花岗岩表层土壤层及砾状基岩层风化壳组成，下层部分由花岗岩基岩层组成。

1.1 环境温度分布

研究区海域内海水的温度在垂向由混合层、温跃层、恒温层构成。温跃层下沿至海底泥线，水温几乎不变，约为2～6 ℃，为水合物生成易发生区域。在水深大于200 m时，高永海 等[11]利用公式拟合建立了海水深度与水温的关系，如式(1)。

Tsea=a1+a2/[1+e(h+a0)/a3]

(1)

式(1)中：Tsea为海水温度，℃；h为海水深度，m；a1=3.940，a2=37.091，a0=130.137，a3=402.732。

在水深小于200 m时，海水的温度分布与季节有关，见表1。

表1 不同季节海平面0～200 m海水温度Table 1 Seawater temperature of 0～200 m at sea level in different seasons

通过上述模型可以计算得到研究区YL区一年中春、夏、秋、冬等4个季节的海水温度分布情况，并与现场实测数据进行对比，其结果如图1所示。

图1 研究区YL区海水温度分布图Fig.1 Seawater temperature distribution in YL area of the study area

1.2 测试管柱传热模型

在超深水测试期间管柱内流体跨越地层及海水向井口高速流动，以海底泥线为界的流动管柱所处环境温度的不同，管内流体的流动及传热过程有所差异，海水段为隔水管、隔水管保温层和海水，而地层段为套管、水泥环和地层。分别分析了海水段和地层段测试段管内流动的传热过程，示意图如图2所示。

图2 测试管柱热量传递示意图Fig.2 Schematic diagram of heat transfer in test string

考虑测试期间井筒流动与传热的复杂性，对于实际工况给出约束条件后建立测试管柱温度场时应考虑传热、地温梯度差异、气体流动中体积膨胀做功及天然气在测试管柱流动过程中的焓变等因素，基于上述情况，建立了超深水测试井况条件下的测试管柱温度场方程。

泥线段以上[12-13]：

(2)

焓的计算式如下[14]：

(3)

式(2)～(3)中：rst为隔水管外半径，m；Ust为以隔水管外表面为基准面的总传热系数，W/(m2·K)；va为测试管柱内流体流速，m/s；rsti为测试管柱内半径，m；Tocean为海水温度，K；Tf为测试管柱内流体的温度，K；ρa为测试管柱内流体密度，kg/m3；H为气体的焓，J，其计算方法见参考文献[15]；g为重力加速度，9.81 m/s2；z为距井底的距离，m；θ为井斜角，°；f为摩擦因子，无因次；D为测试管柱内径，m；t为时间，s；Cf为测试管柱中流体的比热容，J/(kg·K)；ΔH是天然气水合物生成焓，J/mol；Mh是天然气水合物摩尔质量，kg/mol；Rh是水合物生成速率，kg/s；Cp为比热容，J/(kg·K)；T为流体温度，K；Q为比容，m3/kg；p为流体压力，Pa。

泥线段以下[12-13]：

(4)

式(4)中：rft为测试管柱外半径，m；Uft为以测试管柱外表面为基准面的总传热系数，W/(m2·K)；kf为地层导热系数，W/(m·K)；Tei为地层温度，K。

1.3 测试管柱流动模型

流体沿测试管柱从井底向井口流动的过程中，由于重力、摩擦力、膨胀力等综合作用，故需满足以下的压力场方程[16]：

(5)

式(5)中：A为流通面积，m2；ρ为流体密度，kg/m3；Fr为沿程摩擦损失，Pa。

1.4 天然气相平衡模型

对于天然气水合物相平衡方程则采用Javanmardi等[17]研究成果，其考虑天然气水合物晶格结构以及水合物相变时水合物生成的焓变等多个条件，水合物相平衡条件为：

(6)

式(6)中：Δμ0为空水合物晶格结构及纯水在标况下的化学位之差，J/mol；R为通用气体常数，J/(mol·K)；T0为标准状态下温度，K；T1为水合物生成的相态温度，K；ΔH0为空水合物晶格和纯水的比焓差，J/kg；ΔCP为空水合物晶格和纯水的比热容差，J/(kg·K)；p0为标准状态下压力，Pa；p1为水合物生成的相态压力，Pa；ΔQ为空水合物晶格和纯水的比容差，m3/kg；fw为水在富水相中的逸度，Pa；fwt为参考状态下T和p条件下水的逸度，Pa；l为水合物种类数量，无因次；ki为i型空穴数与水合物相中水分子数的比值，无因次；Nc为可生成水合物的组分数目，无因次；θij为i型空穴被j类气体分子占据的概率，无因次。

1.5 气固两相流运移模型

固相颗粒在井筒中受到重力、浮力、气动阻力、压强梯度、附加质量力、倍瑟特(Basset)力、萨夫曼(Saffman)升力、马格努斯(Magnus)升力等，但主要受到重力、浮力和气动阻力[18]，其表达式分别如下。

1) 重力。固相颗粒在井筒中所受重力公式为：

G=msg=ρsvsg

(7)

2) 浮力。由于固相是被气相携带运动，浮力也总是作用在颗粒上，其计算公式为：

FB=ρsvsg

(8)

3) 气动阻力。环空中气体携带颗粒运动时，颗粒会受到来自气体的气动阻力FD本文研究固相假设为球形，其计算公式为：

(9)

式(7)～(9)中：ms为固相颗粒质量，kg；vs、vg分别为固相速度和气相流速，m/s；ρs、ρg分别为固相和气相的密度，kg/m3；ds为固相直径，m；CD为气动阻力系数，无因次；G、FB、FD分别为重力、浮力、气动阻力，N。

根据颗粒受力情况建立环空中固相颗粒运动的微分方程：

(10)

式(10)中： ∑F为固相颗粒所受合力，N；ts为固相颗粒运动时间，s。

根据上述可知，固相颗粒在井筒中受到的作用力主要包括：重力G、浮力FB、气动阻力FD，即

(11)

三维坐标系下运动方程为：

x轴方向：

(12)

y轴方向：

(13)

z轴方向：

(14)

式(11)～(13)中：Ws为固相颗粒体积，m3；xp、yp、zp分别为颗粒三维方向速度分量，m/s；xr、yr、zr为气体三维方向速度分量，m/s；fD(xr-xp)、fD(yr-yp)、fD(zr-zp)分别为气动阻力在x轴、y轴、z轴的分量，N；fus为其他合力，N；dp为岩屑直径，m。

1.6 固相颗粒对水合物冲击冲蚀作用

根据张路路 等[19]的研究成果，形成的水合物接触区最大作用力与固相参数和水合物参数有关，表达式为

(15)

式(15)中：r0为磨料半径，m；μps，μt分别是固相颗粒和水合物的泊松比，无量纲；Ep和Et分别是固相的弹性模量和水合物的弹性模量；MPa，vn为方向垂直于水合物的固相速度，m/s。

由于固相颗粒会给水合物提供附着点，有利于水合物形成。而随着固相产出增加，固相颗粒对水合物存在冲击冲蚀作用，又会使水合物含量降低。因此，固相产出对水合物的形成既有促进作用也有抑制作用。

1.7 模型现场应用分析

对模型进行离散数值化处理，采用有限差分方法进行求解，其中空间域为整个油管和环空节点，通过有限差分法对数学模型进行离散，将原数学模型在定解域上的解转化为在定解域中网格节点上的离散解，逐时逐步求得空间域上各节点的解，从井口直至算到井底。

研究区YL区气体组分摩尔分数统计表如表2所示。利用已知的YL区超深水井测试时的现场数据，对本文建立的温度压力场模型进行计算，研究区YL区中YLA、YLB两口井温度压力数据由表3所示，经计算求得在这两井基础数据下的温度、压力数值和两井实际得到的温度压力数值对比如表4所示。由表4中可得，该模型计算结果与实际得到的温度压力值误差均小于5%，验证了利用上述建立的超深水测试条件下的测试管柱温压场计算模型在实际应用情况时的计算结果的可靠性。

表2 YL区气体组分摩尔分数Table 2 Molar fraction of gas components in YL region

表3 南海某深水气田生产井基础数据Table 3 Basic data of a production well of a deepwater gas field in the South China Sea

表4 计算结果与现场生产层温度对比表Table 4 Comparison between calculation results and field production layer temperature

1.8 模拟计算

计算了在测试流量从20×104m3/d增加至120×104m3/d条件下测试管柱温度场，所得计算结果如图3所示。由图3可得，从井底2 991 m处到井口海平面高度测试管柱内的温度逐渐减小，发生该现象的主要原因是测试管柱内携热流体同环境存在温度差进而引起热交换。另外，测试管柱中温度随着测试产量的减小而逐渐降低，是由于管柱内流体流动速度变小时流体自身携带的热量与环境进行传递的时间变长；反之管柱内流体流动速度越大，流体自身携带的热量与环境进行传递的时间短，热损失小。高温高速流体使井口的温度上升，而温度升高将阻碍水合物的生成。

图3 YLA井测试期间水合物生成区域预测Fig.3 Prediction of hydrate formation area during well YLA test

将YLA井温压场数值求解以及水合物相态方程数值求解结果绘制比较，即可得到深水测试状态中水合物在测试管柱内的生成区域临界位置。生成水合物的温度压力条件在不同测试流量条件下计算结果如图4所示。水合物生成区域受测试流量影响明显，测试流量越高，水合物生成区域越小，且当产量高于120×104m3/d时，全段测试管柱内不在水合物生成温度、压力范围内，此测试流量下油管内不会有水合物生成。

图4 不同流量下的水合物生成风险预测Fig.4 Risk prediction of hydrate formation at different flow

对于产出气体烃类组分比例变化时，其天然气水合物的相平衡曲线也随之发生改变，如图5所示。以YLA井测试管柱内常见流量60×104m3/d为例，分析了不同气体组下的水合物生成区域，从图5可知，随着乙烷含量比值的增大将导致水合物生成区域的增大，出现该现象的原因是乙烷比甲烷更容易形成水合物。

图5 气体组分对水合物生成区域的影响规律Fig.5 Influence of gas components on hydrate formation area

2 储层固相产出对水合物生成影响

本区域测试期间普遍存在固相产出，且发现存在固相产出井与无固相产出井之间水合物生成量有差异性，但固相产出对水合物生成影响机制目前还缺乏研究。故在前期超深水测试期间水合物研究基础上，开展固相产出对水合物生成影响研究。

随着井底固相产出，管线中存在有烃类气体和花岗岩破坏后的固相碎屑两相物质，管线中的流动就由气相流动转变成了气-固两相流动。在气-固(岩石碎屑)两相流动中，管线内流动形式必然会改变，因此在测试管柱内壁上的水合物生长趋势也将被影响。进而影响水合物生成区域，因此本章将分析超深水花岗岩储层测试过程中固相产出对测试管柱内流体流动的流动模型影响。可利用OLGA多相流模拟软件Multiflash模块进行模拟分析，并对软件进行二次开发，补充了固相颗粒井筒流动型态及对水合物生成与破坏影响，进而预测在该井况下固相产出对天然气水合物生成区域及生成量的影响。

本部分模拟算例采用研究区YL区YLA井，井身结构如图6所示，基本参数如表5所示。气、液、固相产量均为已知，地温梯度、储层地层压力、井口处油压已知，作为边界和初始条件。

表5 算例基本参数Table 5 Basic parameters of calculation examples

图6 算例井身结构Fig.6 Well structure of calculation examples

2.1 模拟方案

本节制定了3组模拟实验，基于对气-固两相流中固相产出的不同物理量变化量进行控制。分别对不同流量的情况下；不同粒径的固相产出颗粒的情况下；不同气-固两相流中固相颗粒含量的情况下，判断分析固相产出对水合物生成区域的影响。

实验一：固相产出颗粒直径0.3 mm、气-固两相流中固相颗粒质量含量5%的情况下，测试管柱中气-固两相流的流速分别为20×104m3/d至80×104m3/d时，固相产出对水合物生成区域及全段水合物生成量的影响；

实验二：测试管柱中气-固两相流的流速为20×104m3/d、气-固两相流中固相颗粒质量含量5%的情况下，固相产出颗粒直径分别为0.3、1.0、3.0 mm时，固相产出对水合物生成区域及全测试段水合物生成量的影响；

实验三：固相产出颗粒直径0.3 mm、测试管柱中气-固两相流的流速为20×104m3/d的情况下，气-固两相流中固相颗粒质量浓度分别为1%、5%、10%时，固相产出对水合物生成区域及全测试段水合物生成量的影响。

2.2 不同流量下储层固相产出对水合物生成影响

不同流量下测试管柱内气-固两相流水合物模拟结果如图7所示，由图7可以看出：气-固两相流动中水合物生成区域深度与纯气相流动时整体规律相似，具有同样的变化趋势，且均呈现随流体流量的增大水合物生成区域减小；另外全测试段内水合物生成总量随流量的增大而减小。通过以上不同流量下的水合物生成速率分布可以得到以下结论：在流量分别为20×104、40×104、60×104、80×104m3/d的情况下，相比气单相流，测试管柱内的固相产出均会导致水合物生成速率增加，且整体上均会导致测试全段内水合物生成总量的增大。

图7 不同流量下水水合物生成区域及生成量Fig.7 Formation area and production amount of water hydrate at different flow

2.3 不同粒径下储层固相产出对水合物生成影响

不同固相产出粒径下测试管柱内气-固两相流水合物模拟结果如图8所示，由图8可以看出：含固相组分的流体，水合物生成速率整体上均稍大于纯气相流，全测试段中的水合物生成量在模拟实验测试中期某一时刻出现含固相组生成总量偏大于纯气相流，随时间增加管柱内水合物生成总量虽有波动，但最终趋于平稳并无明显差别。

图8 不同粒径时水合物生成区域及生成量Fig.8 Formation area and amount of hydrate with different particle sizes

2.4 不同固相含量下储层固相产出对水合物生成影响

不同固相含量下测试管柱内气-固两相流水合物模拟结果如图9所示，由图9可以看出：气-固两相流动中，水合物初始生成区域在固相含量较大时发生前移，含固相组分的流体水合物初始生成速率大于纯气相流，在固相含量较小时发生推后，后期生成速率则随固相含量的增加而减小；随固相产出含量的增加，测试管柱水合物生成总量整体呈变大趋势。

图9 不同固相含量时水合物生成区域及生成量Fig.9 Hydrate formation area and production amount with different solid content

通过3组对比实验可以得到以下结论:

1) 不同流量下固相产出均可导致测试管柱内水合物生成速率增加，管柱内水合物的生成总量整体呈变大趋势，且增量相对明显。

2) 不同粒径下固相产出对测试管柱内中部有一定影响，但随距井口距离变小而逐渐趋于一致，且在测试时间中段测试管柱内整体水合物生成量出现差异，随时间的增加逐渐趋于一致，整体而言，固相产出粒径对水合物生成影响较小。

3) 不同固相产出含量下固相产出可导致测试管柱内水合物初始生成速率增加，在含量较大时水合物初始生成区域提前，在含量较小时水合物初始生成区域推后，管柱内的生成总量随固相含量的增加整体呈现变大趋势。

因此通过模拟实验研究可得：存在固相产出的气-固两相流在流动过程中相较于纯气相流更容易产生天然气水合物，因此应当避免储层固相产出。

3 结论

通过调研南海YL区超深水储层区域物性，计算超深水条件下环境中海水温度压力及地层温度压力，研究了该井区存在的管柱内水合物生成及储层固相产出等两类问题。根据该区块特征，利用测试管柱中的温度压力场计算模型预测测试管柱中天然气水合物生成区间；利用OLGA多相流模拟软件结合二次开发，分析了固相产出对天然气水合物生成区域及生成量的影响，得到以下认识：

1) YL区为超深水高温常压裂缝性储层，其花岗岩储层特性导致该区研究井在后期投产工作中存在多种事故风险，对该研究区中环境温度压力进行了计算，计算结果与现场资料相比误差在5%以内，具有一定可靠性，可作为后续分析研究的基础数据。

2) 针对超深水花岗岩储层高温常压井，在考虑水合物生成速率对管柱流动传热影响的前提下，结合前人研究，建立了测试管柱内的温度场压力场方程，并计算了测试管柱温度场及测试管柱压力场，研究了水合物生成机理并分析水合物生成相平衡条件。经以上研究成果建立的模型，可对不同初始温压、不同水深、不同天然气组分等参数下的管柱内水合物生成区域进行定量评价。

3) 分析了固相产出对测试管柱中流动传热模型的影响并建立气-固两相流的压力分布模型；利用多相流模拟计算软件OLGA建立不同流量、不同粒径、不同固体含量下的气-固两相流流动模型，得到在不同流量、不同粒径、不同固体含量下的固相产出对水合物生成的区域均有不同程度的影响，全管柱段内水合物生成总量均一定程度因固相产出而增大。因此通过该模拟实验研究可得存在固相产出的气-固两相流在流动过程中相较于纯气相流更容易产生天然气水合物，因此应当避免储层固相产出。