CN117948100A - 一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法及系统，该方法通过分析清井放喷阶段井筒的气液流动特征，根据返排参数确定达到高气液比流型的时间，结合临界气量时刻决策水合物风险时段，综合清喷设备的作业安全性和水合物预防需求，设置分时段采用不同压差实现返排；进一步依据相平衡温度与水合物抑制剂质量分数的关系，针对水合物风险时段设置抑制剂投放参数，包括抑制剂注入时间和抑制剂注入量。采用该方案克服了现有技术忽略清喷阶段井筒流体特征、无法精确预测清喷阶段水合物风险的缺陷，本发明从水合物风险时段、分段返排和抑制剂投用制度三方面进行分析，为深水气井清井放喷管柱中水合物流动障碍的预防提供可靠支持。

Description

一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法及系统

技术领域

本发明涉及气井管柱水合物流动障碍防治技术领域，尤其涉及一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法及系统。

背景技术

对于深水气井常采用的常规回压试井，测试流程中包含清井放喷(清喷)阶段，也称为清井返排阶段，该阶段中将井筒内和近井地带的钻、完井液及地层流体返出地面，使气井满足进入生产阶段的要求和达到气井开井的条件，另外，测试流程中还包括：求产流动阶段，也称变产量测试阶段，获取有代表性的油气样品，并根据需要获取求产过程中的地层压力变化数据，建立产能方程；关井压力恢复阶段，获取地层压力恢复数据，求解储层参数；与其他阶段不同，深水气井清井放喷是求产测试前井筒内及近井地带的液体返排过程，返排液通常为多种液体的混合，包括储层产出液、测试液、诱喷液垫和环空钻井液等。

清井放喷阶段中，当井筒内满足水合物生成条件时，水合物的生成、生长和沉积很容易演变为流动障碍，实际工程中，测试管柱内生成水合物时，其会随着流体流动而运移，并在管壁上发生沉积附着，进而缩小管柱的有效过流面积，造成水合物流动障碍。深水气井测试中的水合物流动障碍会严重影响测试进程，导致测试成本高、气藏评估准确性差等问题，严重时还可能完全堵塞管柱，甚至引发安全事故。

现有技术中虽有部分技术人员针对深水气井测试工程测试流程中的温度和压力特征进行了研究分析，例如，2012年，李建周等人基于深水气井测试工况，针对开井流动和关井求压过程，建立了井筒沿程的温度-压力计算模型，对深水测试管柱内的温度分布特征进行了预测，2015年，张振楠等人针对深水测试过程中的不同测试流程工况，提出了以焓为研究对象的温度计算模型，并将温度压力场方程和水合物相平衡方程相结合，以预测井筒内的水合物区域；但是上述现有方案是针对深水气井测试的高气液比的变产量测试过程，未考虑气液比多变的清喷过程，未对井筒中的气液流型分布进行分析，对液气比频繁变化的清井放喷研究较为有限，未考虑清喷过程井筒气液流动型态分布与变化特征，无法为实现系统的清喷过程中水合物流动障碍的预测、预防提供可靠支持。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成己为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为解决上述问题，更加准确地预测和预防深水气井清井放喷过程井筒内水合物流动障碍，本发明提供了一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法，确定水合物形成的风险时间段，设计优化的清井放喷制度，准确预测和预防深水气井清井放喷管柱中的水合物流动障碍，为保证深水气井测试的安全、高效完成提供理论支撑。在一个实施例中，所述方法包括：

风险时段确定步骤、分析清井放喷阶段井筒的气液流动特征，根据返排参数确定达到高气液比流型的时间，基于其结合临界气量时刻决策水合物风险时段；

分段返排设置步骤、综合清喷设备的作业安全性和水合物预防需求，基于分时段策略结合匹配的返排压差参数实现清井放喷返排；

风险预防设置步骤、依据相平衡温度与水合物抑制剂质量分数的关系，针对水合物风险时段设置抑制剂投放参数，为水合物流动障碍预防提供依据。

优选地，一个实施例中，风险时段确定步骤中，确定达到高气液比流型的时间包括确定达到环状和/或雾状流动的时间，该过程中包括：

将待测井的残液体积和可用返排流量参数代入预建的返排控制模型中，计算一组或多组返排参数需要的返排时间，作为对应的达到高气液比流型的时间。

可选地，一个实施例中，可采用如下所示的返排控制模型：

t_f＝24·Q_res/q_f

q_f＝Fk_wh△p/[μ(lnr_e/r_w+S′)]

式中，△p＝p_e-p_wf，Q_res为残液体积，m³；q_f为返排流量，m³/d；t_f为返排时间，d；F为流量系数；k_w为储层的水相渗透率，mD；h为储层有效厚度，m；△p为诱喷压差，MPa；p_e为储层压力，MPa；p_wf为井底流压，MPa；μ为流体粘度，mPa.s；r_e为供给半径，m；r_w为井眼半径，m；S’为表皮系数，无量纲。

进一步地，一个实施例中，确定达到高气液比流型的时间的过程还包括：

获取各历史气井清喷现场不同时间对应产出液气比数据的变化情况，记录产出液气比达到设定条件的时刻，作为达到高气液比流型的时间；

根据不同气井的残液体积和返排流量对各达到高气液比流型的时间进行关联存储，形成高气液比流型时刻列表，以供预测计算时调用。

一个可选的实施例中，将达到高气液比流型的时间为起始时间，临界气量时刻作为结束时间，确定水合物风险时段；若前者晚于后者，表明不存在明显的水合物风险时段，清喷阶段可根据需求采取低级预防措施，包括监测清喷异常和预警措施。

进一步地，一个实施例中，分段返排设置步骤中，以保障设备作业的安全性为目标，在达到高气液比流型的时间之前分析井筒内残液量变化，以返排初始时间为起始点，井筒内残液量低至设定水平时为结束点，划分设定时段作为第一返排时段，之后至返排结束时间作为第二返排时段，第一返排时段的返排压差低于第二返排时段。

实际应用时，一个实施例中，所述抑制剂投放参数包括抑制剂注入时间；在风险预防设置步骤中，包括：设计抑制剂注入时间为水合物风险时段全时段或者水合物风险时段内间隔相同的若干子时段。

进一步地，一个实施例中，所述抑制剂投放参数包括抑制剂注入量；在风险预防设置步骤中，包括：

根据待测井的气藏水合物热力学平衡模型计算水合物相平衡温度，从不同的相平衡温度偏移量中选取目标相平衡温度偏移量作为需求抑制效果，基于需求抑制效果结合相平衡温度偏移量与水合物抑制剂质量分数间的关系方程推算需求的抑制剂注入量。

可选地，一个实施例中，采用如下的相平衡温度偏移量与水合物抑制剂质量分数间的关系方程：

式中，△T_eq为添加抑制剂所造成的水合物相平衡温度偏移量，K；M_in为抑制剂的相对摩尔质量，g/mol；w_in为抑制剂溶液的质量分数；K_in为与抑制剂类型相关的质量传输系数。

另一方面，基于上述任意一个或多个实施例中所述方法的应用方面，本发明还提供一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防系统，该系统包括：

风险时段确定模块，其配置为分析清井放喷阶段井筒的气液流动特征，根据返排参数确定达到高气液比流型的时间，基于其结合临界气量时刻决策水合物风险时段；

分段返排设置模块，其配置为综合清喷设备的作业安全性和水合物预防需求，基于分时段策略结合匹配的返排压差参数实现清井放喷返排；

风险预防设置模块，其配置为依据相平衡温度与水合物抑制剂质量分数的关系，针对水合物风险时段设置抑制剂投放参数，为水合物流动障碍预防提供依据。

与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：

本发明提供的一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法及系统，该方法通过、分析清井放喷阶段井筒的气液流动特征，根据返排参数确定达到高气液比流型的时间，结合临界气量时刻决策水合物风险时段，便于及时、精准地采取水合物防治措施，同时有利于控制抑制剂投用成本，尽可能少的采用抑制剂而达到最佳抑制效果；

另外，本发明综合清喷设备的作业安全性和水合物预防需求，设置分时段采用不同压差实现返排；综合气井放喷特征和井筒内的残液量，可以得到初期小压差放喷和中后期高压差的最佳组合放喷制度，避免较长的水合物风险期，同时有助于清井放喷作业的安全、高效完成；

进一步依据相平衡温度与水合物抑制剂质量分数的关系，针对水合物风险时段设置抑制剂投放参数，包括抑制剂注入时间和抑制剂注入量；依据相平衡温度与水合物抑制剂质量分数的关系分析抑制剂投入量，能够保障实现最佳的相平衡温度调节效果，抑制效果好。本发明方案形成系统的清喷过程中水合物流动障碍的预测和预防方法，从水合物风险时段、分段返排和抑制剂投用制度三方面进行分析和优化，为深水气井清井放喷管柱中水合物流动障碍的预防提供可靠支持。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例所提供深水气井清喷阶段的井身结构示意图；

图2是本发明一实施例所提供深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法的流程示意图；

图3是本发明另一实施例所提供深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法中甲醇类抑制剂注入量对清喷期间水合物生成的影响分布图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

计算机设备包括用户设备与网络设备。其中，用户设备或客户端包括但不限于电脑、智能手机、PDA等；网络设备包括但不限于单个网络服务器、多个网络服务器组成的服务器组或基于云计算的由大量计算机或网络服务器构成的云。计算机设备可单独运行来实现本发明，也可接入网络并通过与网络中的其他计算机设备的交互操作来实现本发明。计算机设备所处的网络包括但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、VPN网络等。

在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制，使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。当一个单元被称为“连接”或“耦合”到另一单元时，其可以直接连接或耦合到所述另一单元，或者可以存在中间单元。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

清井放喷阶段中，当井筒内满足水合物生成条件时，水合物的生成、生长和沉积很容易演变为流动障碍，实际工程中，测试管柱内生成水合物时，其会随着流体流动而运移，并在管壁上发生沉积附着，进而缩小管柱的有效过流面积，造成水合物流动障碍。深水气井测试中的水合物流动障碍会严重影响测试进程，导致测试成本高、气藏评估准确性差等问题，严重时还可能完全堵塞管柱，甚至引发安全事故。

深水气井测试过程的井身结构如图1所示，泥线以上的测试管柱位于隔水管内部，通过隔水管与海水相分隔；泥线以下的测试管柱被套管包围，从而与地层相隔，上下两部分测试管柱通过泥线处的水下测试树相接。此外，管柱上可设置由地面控制的井下安全阀，能够防止井筒内形成憋压保证管流安全，另一方面，为方便测试过程中注入水合物抑制剂，通常在泥线下部测试管柱的某一位置还设有水合物抑制剂注入阀，供水合物抑制剂注入。气藏产能测试方法一般包括回压试井、等时试井和改进的等时试井；对于深水气井常采用的“一开一关”常规回压试井，测试流程可分为三个阶段：

(1)清井放喷(返排)阶段，将井筒内和近井地带的钻、完井液及地层流体返出地面，使气井满足进入生产阶段的要求和达到气井开井的条件；

(2)求产流动阶段，也称变产量测试阶段，获取有代表性的油气样品，并根据需要获取求产过程中的地层压力变化数据，建立产能方程；

(3)关井压力恢复阶段，获取地层压力恢复数据，求解储层参数

其中，与其他阶段不同，深水气井清井放喷阶段是求产测试前井筒内及近井地带的液体返排过程，返排液通常为多种液体的混合，包括储层产出液、测试液、诱喷液垫和环空钻井液等。

清喷过程为井筒内返排液与产出气的多相非稳态流动，液气比明显高于其他测试工况，气液流型更加多变。明确清喷过程井筒内气液流体流动特征对于研究深水井筒流动安全保障问题，保障气井测试安全至关重要。

深水气井清井返排具有重要作用：a)将地层及井筒中的钻完井液及地层流体返出至地面，满足进入生产设施的要求和达到开井生产的条件；b)获取地层流体分析数据；c)根据需要，获取开井过程中的地层压力变化数据及关井压力恢复数据，获取有代表性的地面PVT油气样品及地面常规油气样品。

现有技术中虽有部分技术人员针对深水气井测试工程测试流程中的温度和压力特征进行了研究分析，例如，2012年，李建周等人基于深水气井测试工况，针对开井流动和关井求压过程，建立了井筒沿程的温度-压力计算模型，对深水测试管柱内的温度分布特征进行了预测；2014年，周雪梅等人从渗流理论出发，结合深水气井测试过程中的地层渗流、井筒管流理论和井筒温度分布计算方法，得到了求产测试工况下的井筒温度分布规律，但模型不能同时适用于低液气比和高液气比条件；2015年，张振楠等人针对深水测试过程中的不同测试流程工况，提出了以焓为研究对象的温度计算模型，并将温度压力场方程和水合物相平衡方程相结合，预测井筒内的水合物区域；2016年，张崇等人在分析了深水气井测试过程中泥线处低温、水合物生成风险大的特点，建立了适于气井测试过程的井筒温度场计算模型，对测试过程中水基测试液的性能参数开展了敏感性分析，得到影响井口温度的水基测试液最优性能参数，开发了深水气井测试保温测试液体系，为深水气井测试过程的井筒流动风险控制提供了支持。

但是上述方案多是针对深水气井测试的高气液比的变产量测试过程，未考虑气液比多变的清喷过程，未对井筒中的气液流型分布进行分析，对液气比频繁变化的清井放喷研究较为有限，未考虑清喷过程井筒气液流动型态分布与变化特征，无法为实现系统的清喷过程中水合物流动障碍的预测、预防提供有效的支持。

为解决上述问题，更加准确地预测和预防深水气井清井放喷过程井筒内水合物流动障碍，确定水合物形成的风险时间段，设计优化的清井放喷制度，本发明提供一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法及系统，该方法适用深水气井清井放喷阶段的水合物流动障碍预测与预防，可准确预测和预防深水气井清井放喷管柱中的水合物流动障碍，为保证深水气井测试的安全、高效完成提供理论支撑。

本发明不仅限于确定井筒内的水合物生成区域，还可以确定管柱内水合物生成位置和水合物流动障碍形成时间。本发明设计了深水气井清井放喷过程的制度优化方法，分别设计了抑制剂注入时间优化、抑制剂注入量优化和返排压差优化方法，有助于清井放喷过程的安全进行。本发明提出的深水气井清井放喷阶段的水合物流动障碍预测与预防新方法，有助于深水气井清井放喷管柱中水合物流动障碍的准确预测和预防，帮助指导深水气井清井放喷过程的优化实施。

接下来基于附图详细描述本发明实施例的方法的详细流程，附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

图2示出了本发明实施例一提供的深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法的流程示意图，参照图2可知，该方法包括如下步骤。

风险时段确定步骤、分析清井放喷阶段井筒的气液流动特征，根据返排参数确定达到高气液比流型的时间，基于其结合临界气量时刻决策水合物风险时段；

分段返排设置步骤、综合清喷设备的作业安全性和水合物预防需求，基于分时段策略结合匹配的返排压差参数实现清井放喷返排；

风险预防设置步骤、依据相平衡温度与水合物抑制剂质量分数的关系，针对水合物风险时段设置抑制剂投放参数，为水合物流动障碍预防提供依据。

本发明用于深水气井清井放喷过程中井筒水合物流动障碍的预测和预防，适用常见的深水气井测试过程的清井放喷工况。

进一步地，本发明通过分析深水气井清井放喷期间井筒内的流体流动特征，确定了清井放喷期间的水合物风险时段，便于及时地采取水合物防治措施。

清井放喷中后期以高气液比的环状和雾状流动为主，这两种流型下的流动过程是造成管柱缩径的关键阶段。结合清喷期间井筒气液比和气液流型多变的特征，需要明确清井放喷过程中存在水合物流动障碍的风险时段，即水合物风险时段。

因此，一个可选的实施例中，确定达到高气液比流型的时间包括确定达到环状和/或雾状流动的时间，该过程中包括：

将待测井的残液体积和可用返排流量参数代入预建的返排控制模型中，计算一组或多组返排参数需要的返排时间，作为对应的达到高气液比流型的时间。

在确定水合物风险时段前，首先，需要明确在清井放喷开始后达到环状流的时刻，假设为t1；

清井返排阶段主要考虑井筒内的液相能充分返排，并减少对近井地带的污染。因此，无论低产量还是中高产量返排，最短的开井时间必须大于井筒残液及近井流体的排空时间。实际应用时，返排时间、返排流量可通过下式所述的返排控制模型计算：

t_f＝24·Q_res/q_f (1)

式中，△p＝p_e-p_wf，Q_res为残液体积，m³；q_f为返排流量，m³/d；t_f为返排时间，d；F为流量系数；k_w为储层的水相渗透率，mD；h为储层有效厚度，m；△p为诱喷压差，MPa；p_e为储层压力，MPa；p_wf为井底流压，MPa；μ为流体粘度，mPa.s；r_e为供给半径，m；r_w为井眼半径，m；S’为表皮系数，无量纲。

由此可见，将待测井的残液体积代入上式中，结合预设的返排流量数据，可以计算不同返排方案对应的返排时间，实际应用时，根据返排时间确定残液排空的时刻，进而确定达到环状流的时刻，即t1。

另一方面，实际应用时，也可通过观察分析清喷现场的产出液气比得到，因此，一个可选的实施例中，确定达到高气液比流型的时间的过程还可以包括：

获取各历史气井清喷现场不同时间对应产出液气比数据的变化情况，记录产出液气比达到设定条件的时刻，作为达到高气液比流型的时间；

根据不同气井的残液体积和返排流量对各达到高气液比流型的时间进行关联存储，形成高气液比流型时刻列表，以供预测计算时调用。

井筒内残余液相在某时刻基本被排出，可认为井筒内的气液流动在该时刻后将演变为环状流或雾状流动，此后的水合物生成和沉积风险将不能忽视。

此外，由于施工设备的限制和对操作安全的考虑，现场放喷过程是产气量逐渐增大的过程，并且最大放喷气量应当大于临界水合物生成气量，当放喷气量超过该临界气量值时，管柱内会由于不再满足水合物生成条件而不存在水合物流动障碍。假设放喷气量从“0”增大至临界气量的时刻为t2，据此，可以得到以下水合物风险时段判断准则：

①当t1≤t2时，在达到临界产气量前井筒内已经存在环状/雾状流动，从环状流形成开始到达到临界产气量的时间段内均存在水合物流动障碍，此时，水合物风险时段为t1～t2，该时间段内有必要采取水合物防治措施；

②当t1>t2时，井筒内的环状/雾状流动在到达临界产气量后形成，此时，尽管放喷前期有少量水合物生成，但由于沉积困难而会随流体返出井口，不存在水合物风险时段，该时间段内可选择性采取水合物预防措施。

因此，一个实施例中，将达到高气液比流型的时间为起始时间，临界气量时刻作为结束时间，确定水合物风险时段；若前者晚于后者，表明不存在明显的水合物风险时段，清喷阶段可根据需求采取低级预防措施，包括监测清喷异常和预警措施。

进一步地，通过分段返排设置步骤综合清喷设备的作业安全性和水合物预防需求，基于分时段策略结合匹配的返排压差参数实现清井放喷返排；

返排压差的增大会使t1和t2减小，并且会使水合物风险时段缩短。但由于返排初期井筒中存在液柱，考虑到设备的安全性，在返排初期往往采用较小的放喷压差，而长时间使用较小的压差返排便会导致较长的水合物风险期。因此，综合考虑施工安全性和水合物防控，当井筒内流动即将到达环状流动后，应适当放大压差进行放喷，结合实际井况合理设置返排压力可以有效缩短水合物风险期。

一个可选的实施例中，在分段返排设置步骤中，以保障设备作业的安全性为目标，在达到高气液比流型的时间之前分析井筒内残液量变化，以返排初始时间为起始点，以井筒内残液量低至设定水平时为结束点，划分设定时段作为第一返排时段，之后至返排结束时间作为第二返排时段，第一返排时段的返排压差低于第二返排时段。

实际应用时，针对预测的应用场景，可以预先记录不同历史被测井残液量低至设定水平的时刻，与井对应的残液量和返排作业参数关联存储，工作人员可以查看调用，为分段返排预测设置提供依据。

进一步地，当清井放喷过程中存在水合物风险时段时，需要制定必要的水合物防治措施，可以通过设计抑制剂注入时间、抑制剂注入量、返排压差对清喷过程进行优化。

因此，通过风险预防设置步骤依据相平衡温度与水合物抑制剂质量分数的关系，针对水合物风险时段设置抑制剂投放参数，为水合物流动障碍预防提供依据。

通过前述分析可知，水合物抑制剂的最佳注入的时间段为t₁～t₂，即清井放喷过程中的水合物风险时段；

其中，所述抑制剂投放参数包括抑制剂注入时间；一个可选的实施例中，在风险预防设置步骤中，包括：设计抑制剂注入时间为水合物风险时段全时段或者水合物风险时段内间隔相同的若干子时段。

实际应用时，可以在水合物风险时段全时段持续注入抑制剂，也可以间隔设定时间分段注入抑制剂。

进一步地，所述抑制剂投放参数包括抑制剂注入量；一个可选的实施例中，在风险预防设置步骤中，包括：

根据待测井的气藏水合物热力学平衡模型计算水合物相平衡温度，从不同的相平衡温度偏移量中选取目标相平衡温度偏移量作为需求抑制效果，基于需求抑制效果结合相平衡温度偏移量与水合物抑制剂质量分数间的关系方程推算需求的抑制剂注入量。

当存在水合物生成区域和风险时段时，需要注入适当的抑制剂来抑制水合物生成，优选地，一个实施例中，抑制剂对水合物生成的抑制效果可采用如下的相平衡温度偏移量与水合物抑制剂质量分数间的关系方程计算：

式中，△T_eq为添加抑制剂所造成的水合物相平衡温度偏移量，K；M_in为抑制剂的相对摩尔质量，g/mol；w_in为抑制剂溶液的质量分数；K_in为与抑制剂类型相关的质量传输系数；

对于甲醇、异丙醇、氨，K_in＝1228，对于氯化钙，K_in＝1200，对于二甘醇，K_in＝24250。

实际应用时，所述气藏水合物热力学平衡模型可采用天然气水合物热力学平衡模型，如下所示：

式中，T_eq为水合物生成的相态温度(相平衡温度)，K；

p_eq为水合物生成的相态压力，Pa；

△μ_w ⁰为标准温度T₀和标准压力p₀下纯水和空水合物晶格中的化学势差，J/mol；

△V_w ^π为水合物与液态水或冰之间的摩尔体积差，m³/mol；

△C_k为纯水与空水合物晶格的比热容差，J/(kg·K)；

△h₀为纯水与空水合物晶格的比焓差，J/kg；

f_w ^π为水在富水相中的逸度，Pa；

f_w ⁰为达相平衡状态时水的逸度，Pa；

u_i为i型空穴与水合物相中水分子的数量比，无量纲；

m为形成的水合物种类，无量纲；

x_w为富水相中水的摩尔浓度，无量纲；

y_w为富水相中水的活度系数，f；

N_c为天然气中能生成水合物的组分数量，无量纲；

R为通用气体常数，J/(mol·K)；

Θ_ij为i类空穴被j类气体分子占据的概率，无量纲。

利用天然气水合物热力学平衡模型可用来得到水合物相平衡温度；进而从不同的相平衡温度偏移量中选取目标相平衡温度偏移量作为需求抑制效果，基于需求抑制效果结合相平衡温度偏移量与水合物抑制剂质量分数间的关系方程推算需求的抑制剂注入量。

本发明通过分析深水气井清井放喷期间井筒内的流体流动特征，确定了清井放喷期间的水合物风险时段，便于及时地采取水合物防治措施；进而依据水合物风险时段，有助于确定最佳水合物抑制剂注入时间，尽可能少的采用抑制剂而达到最佳抑制效果；

另外，本发明结合气井放喷特征和井筒内的残液量，可以得到初期小压差放喷和中后期高压差的最佳组合放喷制度，有助于清井放喷的安全、高效完成；

进一步地，一个可选的实施例中，本发明根据深水气井不同产气量下的井筒沿程温度分布及水合物相平衡曲线，可以分析得到最优水合物抑制剂注入量。

采用该方案能够克服现有技术忽略清喷阶段井筒流体特征、无法精确预测清喷水合物的缺陷，本发明形成系统的清喷过程中水合物流动障碍的预测和预防方法，从水合物风险时段、分段返排和抑制剂投用制度三方面进行分析，可准确预测深水气井清井放喷管柱中的水合物流动障碍，并实现高效、安全的预防处理。

实施案例

下面结合以上描述和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。以深度3000m的X气井为例，残液体积为193m³，清井设计的最大放喷气量为80×10⁴m³/d，临界产气量45×10⁴m³/d，为保证达到最大返排量的放喷压差需要大于8MPa。本发明的详细实施情况如下：

(1)确定水合物风险时段

结合式(1)、(2)，可得到残液排出时间与残液上升速度。对于3000m深度的气井，在深水气井多用的5”或5¹/₂”测试管柱下，井筒内残液主体的返出时间在0.5～2h，液相上升的平均速度为0.5～2m/s。因此，同一控制体积的液相在井筒内存在的时间约为0.4～1.8h。

同时，计算了X井在不同返排压差和返排排量下达环状流的时间t₁和达到临界产气量的时间t₂，如表1所示。当排放压差在8～20MPa之间时，对于193m³残液，达到环状流的时间在0.44h～1.11h之间，达到临界产气量的时间在0.56h～1.95h之间，在8MPa的返排压差下，最大水合物风险时长为0.84h。

表1不同返排压差下的t1和t2

(2)设计清井放喷风险预防制度

①确定抑制剂注入时间

由表1可见，在8MPa的返排压差下，t1＝1.11h，因此，清喷过程中水合物抑制剂可在返排开始1.11h后注入，可在1.95h后停止(t2＝1.95h)，注入抑制剂的时间点是井筒内出现明显水合物沉积的时间，能起到最佳的水合物防治效果。

②确定返排压差

在193m³的残液体积下，不同返排压差组合对水合物风险时段的影响如表2所示，从表2可见，当残液量为193m³时，不同返排压差对水合物风险段长度有明显影响，返排压差为8、10、15和20MPa时的水合物风险时段分别为0.84h、0.56h、0.21h和0.12h。同时，不同返排压差的组合可以显著缩短放喷时间，当先在8MPa压差下放喷1.11h后，再用15MPa继续放喷0.21h，水合物风险段将比不改变返排压差时缩短75.00％，如果用10MPa和20MPa的压差组合，将使水合物风险段缩短78.57％，可见，初期小压差放喷和中后期高压差的组合放喷制度能对水合物流动障碍的预防起到明显效果。

表2不同返排压差组合对水合物风险时段的影响

③确定抑制剂注入量

最佳抑制剂注入量可根据水合物相平衡曲线和井筒温压分布曲线对比得到，水合物相平衡曲线可根据水合物相平衡模型(式(4))和相平衡温度偏移量关系式(式(3))得到，井筒温压分布曲线可根据数模软件(PIPESIM或OLGA)模拟或数学模型计算得到，此处根据PIPESIM模拟得到，结果如图3所示。当井筒温压分布曲线与水合物相平衡曲线相切时为恰无水合物生成的临界情况，可见，放喷气量为30×10⁴m³/d时井筒内恰不生成水合物的甲醇含量为5wt％。

本发明提出的深水气井清井放喷阶段的水合物流动障碍预测与预防新方法，可为深水气井清井放喷管柱中水合物流动障碍的准确预测和预防，以及为深水测试过程的安全高效完成提供理论支撑。

对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，该方法还可以通过将上述实施例中的某一个或某几个进行结合来得到新的水合物流动障碍预防方法，以实现对深水气井测井工程的优化。

需要说明的是，基于本发明上述任意一个或多个实施例中的方法，本发明还提供一种存储介质，该存储介质上存储有可实现如述任意一个或多个实施例中所述方法的程序代码，该代码被操作系统执行时能够实现如上所述的深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法。

实施例二

上述本发明公开的实施例中详细描述了方法，对于本发明的方法可采用多种形式的装置或系统实现，因此基于上述任意一个或多个实施例中所述方法的其他方面，本发明还提供一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防系统，该系统用于执行上述任意一个或多个实施例中所述的深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法。下面给出具体的实施例进行详细说明。

具体地，本发明实施例中提供的深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防系统包括：

风险时段确定模块，其配置为分析清井放喷阶段井筒的气液流动特征，根据返排参数确定达到高气液比流型的时间，基于其结合临界气量时刻决策水合物风险时段；

分段返排设置模块，其配置为综合清喷设备的作业安全性和水合物预防需求，基于分时段策略结合匹配的返排压差参数实现清井放喷返排；

风险预防设置模块，其配置为依据相平衡温度与水合物抑制剂质量分数的关系，针对水合物风险时段设置抑制剂投放参数，为水合物流动障碍预防提供依据。

优选地，一个实施例中，所述风险时段确定模块按照下述操作确定达到高气液比流型的时间：

将待测井的残液体积和可用返排流量参数代入预建的返排控制模型中，计算一组或多组返排参数需要的返排时间，作为对应的达到高气液比流型的时间；其中，达到高气液比流型的时间可包括确定达到环状和/或雾状流动的时间。

可选地，一个实施例中，所述风险时段确定模块可采用如下所示的返排控制模型：

t_f＝24·Q_res/q_f

q_f＝Fk_wh△p/[μ(lnr_e/r_w+S′)]

式中，△p＝p_e-p_wf，Q_res为残液体积，m³；q_f为返排流量，m³/d；t_f为返排时间，d；F为流量系数；k_w为储层的水相渗透率，mD；h为储层有效厚度，m；△p为诱喷压差，MPa；p_e为储层压力，MPa；p_wf为井底流压，MPa；μ为流体粘度，mPa.s；r_e为供给半径，m；r_w为井眼半径，m；S’为表皮系数，无量纲。

进一步地，一个实施例中，所述风险时段确定模块还可以按照下述操作确定达到高气液比流型的时间：

获取各历史气井清喷现场不同时间对应产出液气比数据的变化情况，记录产出液气比达到设定条件的时刻，作为达到高气液比流型的时间；

根据不同气井的残液体积和返排流量对各达到高气液比流型的时间进行关联存储，形成高气液比流型时刻列表，以供预测计算时调用。

一个可选的实施例中，所述风险时段确定模块配置为：将达到高气液比流型的时间为起始时间，临界气量时刻作为结束时间，确定水合物风险时段；若前者晚于后者，表明不存在明显的水合物风险时段，清喷阶段可根据需求采取低级预防措施，包括监测清喷异常和预警措施。

进一步地，一个实施例中，所述分段返排设置模块配置为：以保障设备作业的安全性为目标，在达到高气液比流型的时间之前分析井筒内残液量变化，以返排初始时间为起始点，以井筒内残液量低至设定水平时为结束点，划分设定时段作为第一返排时段，从第一返排时段之后至返排结束时间作为第二返排时段，第一返排时段的返排压差低于第二返排时段。

实际应用时，一个实施例中，所述抑制剂投放参数包括抑制剂注入时间；所述风险预防设置模块配置为：设计抑制剂注入时间为水合物风险时段全时段或者水合物风险时段内间隔相同的若干子时段。

进一步地，一个实施例中，所述抑制剂投放参数包括抑制剂注入量；风险预防设置模块配置为根据下述操作设置抑制剂注入量：

根据待测井的气藏水合物热力学平衡模型计算水合物相平衡温度，从不同的相平衡温度偏移量中选取目标相平衡温度偏移量作为需求抑制效果，基于需求抑制效果结合相平衡温度偏移量与水合物抑制剂质量分数间的关系方程推算需求的抑制剂注入量。

可选地，一个实施例中，采用如下的相平衡温度偏移量与水合物抑制剂质量分数间的关系方程：

式中，△T_eq为添加抑制剂所造成的水合物相平衡温度偏移量，K；M_in为抑制剂的相对摩尔质量，g/mol；w_in为抑制剂溶液的质量分数；K_in为与抑制剂类型相关的质量传输系数。

本发明通过分析深水气井清井放喷期间井筒内的流体流动特征，确定了清井放喷期间的水合物风险时段，便于及时地采取水合物防治措施。本发明设计了深水气井清井放喷过程的优化制度，分别设计了抑制剂注入时间优化、抑制剂注入量优化和返排压差优化方法，有助于清井放喷过程的安全进行。

本发明提出的深水气井清井放喷阶段的水合物流动障碍预测与预防新手段，可为深水气井清井放喷管柱中水合物流动障碍的准确预测和预防，以及保证深水测试过程的安全高效完成提供理论支撑。

本发明实施例提供的深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防系统中，各个模块或单元结构可以根据实际运算需求和实际设置需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。

说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防方法，其特征在于，所述方法包括：

风险时段确定步骤、分析清井放喷阶段井筒的气液流动特征，根据返排参数确定达到高气液比流型的时间，基于其结合临界气量时刻决策水合物风险时段；

分段返排设置步骤、综合清喷设备的作业安全性和水合物预防需求，基于分时段策略结合匹配的返排压差参数实现清井放喷返排；

风险预防设置步骤、依据相平衡温度与水合物抑制剂质量分数的关系，针对水合物风险时段设置抑制剂投放参数，为水合物流动障碍预防提供依据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，风险时段确定步骤中，确定达到高气液比流型的时间包括确定达到环状和/或雾状流动的时间，该过程中包括：

将待测井的残液体积和可用返排流量参数代入预建的返排控制模型中，计算一组或多组返排参数需要的返排时间，作为对应的达到高气液比流型的时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可采用如下所示的返排控制模型：

t_f＝24·Q_res/q_f

q_f＝Fk_wh△p/[μ(lnr_e/r_w+S′)]

式中，△p＝p_e-p_wf，Q_res为残液体积，m³；q_f为返排流量，m³/d；t_f为返排时间，d；F为流量系数；k_w为储层的水相渗透率，mD；h为储层有效厚度，m；△p为诱喷压差，MPa；p_e为储层压力，MPa；p_wf为井底流压，MPa；μ为流体粘度，mPa.s；r_e为供给半径，m；r_w为井眼半径，m；S’为表皮系数，无量纲。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定达到高气液比流型的时间的过程还包括：

获取各历史气井清喷现场不同时间对应产出液气比数据的变化情况，记录产出液气比达到设定条件的时刻，作为达到高气液比流型的时间；

根据不同气井的残液体积和返排流量对各达到高气液比流型的时间进行关联存储，形成高气液比流型时刻列表，以供预测计算时调用。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将达到高气液比流型的时间为起始时间，临界气量时刻作为结束时间，确定水合物风险时段；若前者晚于后者，表明不存在明显的水合物风险时段，清喷阶段可根据需求采取低级预防措施，包括监测清喷异常和预警措施。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分段返排设置步骤中，以保障设备作业的安全性为目标，在达到高气液比流型的时间之前分析井筒内残液量变化，以返排初始时间为起始点，以井筒内残液量低至设定水平时为结束点，划分设定时段作为第一返排时段，之后至返排结束时间作为第二返排时段，第一返排时段的返排压差低于第二返排时段。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抑制剂投放参数包括抑制剂注入时间；在风险预防设置步骤中，包括：设计抑制剂注入时间为水合物风险时段全时段或者水合物风险时段内间隔相同的若干子时段。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抑制剂投放参数包括抑制剂注入量；在风险预防设置步骤中，包括：

根据待测井的气藏水合物热力学平衡模型计算水合物相平衡温度，从不同的相平衡温度偏移量中选取目标相平衡温度偏移量作为需求抑制效果，基于需求抑制效果结合相平衡温度偏移量与水合物抑制剂质量分数间的关系方程推算需求的抑制剂注入量。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用如下的相平衡温度偏移量与水合物抑制剂质量分数间的关系方程：

式中，△T_eq为添加抑制剂所造成的水合物相平衡温度偏移量，K；M_in为抑制剂的相对摩尔质量，g/mol；w_in为抑制剂溶液的质量分数；K_in为与抑制剂类型相关的质量传输系数。

10.一种深水气井清喷阶段的水合物流动障碍预防系统，其特征在于，所述系统包括：

风险时段确定模块，其配置为分析清井放喷阶段井筒的气液流动特征，根据返排参数确定达到高气液比流型的时间，基于其结合临界气量时刻决策水合物风险时段；

分段返排设置模块，其配置为综合清喷设备的作业安全性和水合物预防需求，基于分时段策略结合匹配的返排压差参数实现清井放喷返排；

风险预防设置模块，其配置为依据相平衡温度与水合物抑制剂质量分数的关系，针对水合物风险时段设置抑制剂投放参数，为水合物流动障碍预防提供依据。