張劍波，王志遠(yuǎn)，劉書杰，孟文波，孫寶江，孫金聲，王金堂,3

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2. 中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057； 3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣州 523936）

0 引言

近年來，中國(guó)發(fā)現(xiàn)了較多儲(chǔ)量豐富的深水氣田，如陵水17-2、25-1 及18-1 等[1-4]。在深水氣田開發(fā)過程中，氣井測(cè)試是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)[5]。由于深水特殊的低溫高壓環(huán)境，深水氣井測(cè)試面臨由天然氣水合物生成引發(fā)的流動(dòng)安全問題[6-7]。天然氣水合物是一種類冰狀的白色固體，在低溫高壓條件下由氣體和水接觸生成[8-10]。當(dāng)測(cè)試管柱內(nèi)生成水合物時(shí)，其會(huì)隨著流體流動(dòng)而運(yùn)移并在管壁上發(fā)生沉積附著，進(jìn)而縮小管柱的有效過流面積[11-13]，造成水合物流動(dòng)障礙。深水氣井測(cè)試中的水合物流動(dòng)障礙會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試進(jìn)程，導(dǎo)致測(cè)試成本高、氣藏評(píng)估準(zhǔn)確性差等問題，嚴(yán)重時(shí)可能完全堵塞管柱，甚至引發(fā)安全事故[14-15]。國(guó)際上在深水氣井測(cè)試過程中曾發(fā)生了一些水合物事故，并造成了嚴(yán)重后果[16-19]。2017 年日本開展的第2 次海域水合物試采也因水合物二次生成問題被迫中斷兩次，嚴(yán)重影響了試采進(jìn)度[20]。因此，高效防治水合物流動(dòng)障礙是深水氣井測(cè)試的重要工作。

目前，國(guó)內(nèi)外常用的水合物防治方法是化學(xué)藥劑注入法，注入的藥劑包括熱力學(xué)抑制劑、動(dòng)力學(xué)抑制劑和防聚劑[21]。熱力學(xué)抑制劑主要是通過改變水分子和烴分子生成水合物的熱力學(xué)條件，使水合物生成的平衡溫度降低、壓力升高，常用的熱力學(xué)抑制劑可分為醇類（甲醇、乙二醇、二甘醇等）和鹽類（氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣）[22-23]。動(dòng)力學(xué)抑制劑主要是影響水合物的結(jié)晶過程，延緩水合物生成的時(shí)間，并減緩水合物生長(zhǎng)速率，已有的動(dòng)力學(xué)抑制劑包括酰胺類聚合物和酮類聚合物等[24-26]。防聚劑是一些聚合物和表面活性劑，主要是起乳化劑的作用[27]，常用的防聚劑有溴化物的季銨鹽、烷基芳香族磺酸鹽及烷基聚苷等。由于不同抑制劑的特點(diǎn)，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)抑制劑基本適用于大多數(shù)的水合物防治情況，而防聚劑則主要應(yīng)用于油氣混輸過程。當(dāng)前，深水氣井測(cè)試中最常用的水合物防治方法是通過注入過量的熱力學(xué)抑制劑來完全防止水合物生成，但該方法存在抑制劑用量大、成本高及對(duì)注入設(shè)備要求高等缺點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者對(duì)水合物流動(dòng)障礙形成機(jī)制和防治方法開展了研究。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，Lingelem等[28]和Sloan 等[9]考慮管內(nèi)壁上水合物層的生長(zhǎng)及脫落，提出了管道中水合物堵塞形成的機(jī)理。Di Lorenzo等[29]、Ding 等[30]、Song 等[31]實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)路中水合物的生成和沉積特征，分析了不同流動(dòng)條件下的水合物沉積堵塞規(guī)律?；趯?duì)水合物沉積和堵塞程度的評(píng)估，Liu 等[12,15,32]探討了深水氣井測(cè)試管柱內(nèi)的水合物防治方法。Wang 等[11,33-35]首次建立了考慮環(huán)霧流體系液滴和液膜傳質(zhì)傳熱特性的水合物生成、運(yùn)移、沉積和堵塞的動(dòng)力學(xué)模型，揭示了深水氣井測(cè)試管柱中的水合物流動(dòng)障礙的形成規(guī)律。Song 等[36]開展了深水氣井測(cè)試中水合物管理策略優(yōu)化研究，認(rèn)為動(dòng)力學(xué)抑制劑可應(yīng)用于深水氣井測(cè)試的水合物堵塞防治。

鑒于現(xiàn)有方法對(duì)深水氣井測(cè)試過程中水合物防治的局限性，亟需開展深水氣井測(cè)試過程中水合物流動(dòng)障礙高效防治方法的研究。本文在研究深水氣井測(cè)試過程中水合物流動(dòng)障礙形成機(jī)制、演化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了基于安全測(cè)試窗口的水合物流動(dòng)障礙防治方法，旨在對(duì)深水氣井測(cè)試和水合物試采過程中的水合物流動(dòng)障礙防治提供指導(dǎo)。

1 深水氣井測(cè)試過程中水合物流動(dòng)障礙形成機(jī)制

深水氣井測(cè)試管柱中水合物流動(dòng)障礙形成是水合物持續(xù)生成和沉積的結(jié)果。為了高效防治深水氣井測(cè)試過程中水合物流動(dòng)障礙，需要先認(rèn)清水合流動(dòng)障礙形成機(jī)制及演化規(guī)律。深水氣井測(cè)試過程中水合物流動(dòng)障礙的形成過程主要包括出現(xiàn)水合物生成區(qū)域，發(fā)生水合物生成、運(yùn)移、沉積及水合物沉積層生長(zhǎng)等，各個(gè)過程均受到不同因素的影響。

深水氣井測(cè)試管柱中的水合物生成區(qū)域預(yù)測(cè)是水合物流動(dòng)障礙形成和演化研究的基礎(chǔ)，主要包括井筒溫度壓力和水合物生成相平衡條件的計(jì)算，目前關(guān)于這方面的研究已經(jīng)較成熟。Wang 等[11,37]、Zhang 等[38]建立并完善了深水井筒溫度壓力預(yù)測(cè)模型及水合物生成區(qū)域定量預(yù)測(cè)方法，本文采用文獻(xiàn)中的方法對(duì)深水氣井測(cè)試管柱中的水合物生成區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在深水氣井測(cè)試過程中，地層產(chǎn)出的大量天然氣和少量水在測(cè)試管柱中高速流動(dòng)，其中自由水以管壁上的液膜和氣相中的液滴兩種形式存在，管柱中呈現(xiàn)的是環(huán)霧流流型[39]。在環(huán)霧流條件下，當(dāng)滿足水合物生成的溫度和壓力條件時(shí)，管壁上的液膜和氣相中的液滴均會(huì)生成水合物。Wang 等[33,35]發(fā)現(xiàn)環(huán)霧流中液膜生成的水合物會(huì)由于與管壁間的較強(qiáng)黏附力而全部沉積附著在管壁上，但氣相中生成的水合物顆粒卻不會(huì)全部沉積附著在管壁上，其中部分水合物顆粒會(huì)由于高速氣流的攜帶作用而隨之流動(dòng)。同時(shí)，由于管壁上波動(dòng)液膜的霧化作用，運(yùn)移到液膜中的部分氣相中的水合物顆粒又會(huì)被攜帶返回氣相中。用有效沉積系數(shù)（S）來表征氣相中水合物顆粒在管壁上的沉積附著過程。有效沉積系數(shù)是氣相中沉積附著在管壁上的水合物顆粒量與運(yùn)移到液膜中的總水合物顆粒量的比值。環(huán)霧流中水合物生成和沉積速率計(jì)算式如下。

隨著水合物生成和沉積的持續(xù)進(jìn)行，管柱內(nèi)壁上將出現(xiàn)一層逐漸生長(zhǎng)變厚的水合物沉積層，這會(huì)造成管柱中有效過流面積逐漸減小。不同時(shí)間不同位置處的管柱有效內(nèi)徑計(jì)算式如下：

管柱有效內(nèi)徑減小會(huì)影響管柱中的流體流動(dòng)，增大流體壓力損失。在水合物生成和沉積的條件下，垂直管柱中的流體壓降主要由摩阻壓降、重力壓降及變徑導(dǎo)致的節(jié)流壓降等引起。因此，當(dāng)考慮水合物沉積層生長(zhǎng)的影響時(shí)，管柱中流體壓降可由下式計(jì)算[40]：

以某深水氣井X 井（直井）為例，對(duì)該井測(cè)試過程中的水合物流動(dòng)障礙形成過程進(jìn)行分析。該井水深為1 447 m，井深為3 474 m，產(chǎn)層平均溫度為91 ℃，產(chǎn)層平均壓力為38.7 MPa，泥線溫度為3 ℃，海平面溫度為25 ℃，測(cè)試油管外徑為114.3 mm（4.5 in），內(nèi)徑為85.7 mm（3.375 in），測(cè)試產(chǎn)量為（20～100）×104m3/d。產(chǎn)出氣體組分如表1 所示。井身結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

表1 深水氣井X 井產(chǎn)出氣體組分表

圖1 深水氣井X 井井身結(jié)構(gòu)示意圖

在該井測(cè)試過程中水合物生成區(qū)域預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算測(cè)試管柱中水合物生成和沉積速率，可以得到水合物流動(dòng)障礙的形成情況。管柱中水合物沉積層隨著水合物生成和沉積而逐漸增厚，且由于不同位置處的溫度壓力差異會(huì)導(dǎo)致不同的水合物生成和沉積速率，故管柱中存在一個(gè)因水合物沉積層非均勻生長(zhǎng)而縮徑最大的位置，該處是發(fā)生水合物流動(dòng)障礙最危險(xiǎn)的地方。圖2 是氣、液產(chǎn)量分別為44×104m3/d 和16 m3/d 條件下管柱無因次有效內(nèi)徑（管柱當(dāng)前縮徑最大處內(nèi)徑與初始內(nèi)徑的比值）、流體壓降及井口壓力隨時(shí)間的變化情況?？梢钥闯?，隨著管壁上水合物沉積層逐漸生長(zhǎng)，管柱中的總壓降會(huì)逐漸增大，造成井口壓力隨之逐漸減小。這主要是因?yàn)楫?dāng)管柱有效內(nèi)徑減小時(shí)，流體的摩阻壓降會(huì)隨之明顯增大，且存在不同位置處有效內(nèi)徑變化而導(dǎo)致的節(jié)流效應(yīng)。井口壓力是現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)時(shí)測(cè)量的為數(shù)不多的重要參數(shù)之一，故在穩(wěn)定產(chǎn)量測(cè)試條件下的井口壓力降低可作為管柱中發(fā)生水合物生成和沉積的重要標(biāo)志。從圖2 中還可以看出，管柱無因次有效內(nèi)徑的變化呈現(xiàn)出3 個(gè)典型的區(qū)域，即緩變區(qū)、突變區(qū)和急變區(qū)。在緩變區(qū)內(nèi)，無因次有效內(nèi)徑隨著水合物生成和沉積而緩慢減小，且管柱中的流體壓降逐漸增大、井口壓力逐漸減小，該區(qū)域持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，在該區(qū)域內(nèi)管柱中的流體流動(dòng)是安全的。當(dāng)管柱無因次有效內(nèi)徑減小到0.6 時(shí)，將由緩變區(qū)進(jìn)入突變區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，管柱無因次有效內(nèi)徑明顯減小，管柱中的流體壓降明顯增大、井口壓力明顯減小，且后續(xù)變化還將更加劇烈，故突變區(qū)是管柱中流體流動(dòng)由安全變?yōu)槲ｋU(xiǎn)的轉(zhuǎn)折。一旦管柱無因次有效內(nèi)徑小于0.4，將由突變區(qū)進(jìn)入急變區(qū)，此時(shí)管柱中的壓降急劇增大、井口壓力急劇減小，該區(qū)域持續(xù)時(shí)間很短，是發(fā)生水合物堵塞的危險(xiǎn)區(qū)。因此，本文選擇0.5 作為 發(fā)生流動(dòng)障礙的管柱無因次有效內(nèi)徑臨界值，對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為安全測(cè)試窗口。圖2 中安全測(cè)試窗口為7.86 h。

圖2 深水氣井X 井測(cè)試過程中水合物流動(dòng)障礙演化規(guī)律

2 基于安全測(cè)試窗口的水合物流動(dòng)障礙防治方法

由前文研究可知，深水氣井測(cè)試管柱中生成的水合物并不是全部沉積附著在管壁上，且管壁上發(fā)生水合物沉積也并不一定會(huì)堵塞管柱，管柱中發(fā)生水合物堵塞是需要一定時(shí)間的，即有一定的安全測(cè)試窗口。因此，本文提出一種基于安全測(cè)試窗口的水合物流動(dòng)障礙防治方法。針對(duì)不同的測(cè)試操作，又分為穩(wěn)定測(cè)試產(chǎn)量和變測(cè)試產(chǎn)量下的水合物流動(dòng)障礙防治方法。

2.1 穩(wěn)定測(cè)試產(chǎn)量下的水合物流動(dòng)障礙防治

深水氣井測(cè)試過程中的水合物流動(dòng)障礙形成和演化規(guī)律受測(cè)試產(chǎn)量和水合物抑制劑濃度的影響。本文以乙二醇為例進(jìn)行分析，但本文提出的方法也適用于其他醇類抑制劑。圖3 是深水氣井X 井產(chǎn)出氣體在不同醇水比（乙二醇與水的體積比）下生成水合物的相平衡溫度和壓力變化曲線。可以看出，隨著乙二醇濃度的增大，水合物相平衡曲線向左上方移動(dòng)，意味著水合物生成所需的壓力更高、溫度更低，即水合物更難生成。

圖3 不同醇水比下水合物生成相平衡溫度-壓力曲線

圖4 是不同醇水比和不同測(cè)試產(chǎn)量下測(cè)試管柱中的水合物生成區(qū)域分布情況。在一定的測(cè)試產(chǎn)量和抑制劑濃度下，圖中曲線的上下端點(diǎn)間的區(qū)域即為水合物生成區(qū)域?？梢钥闯?，隨著測(cè)試產(chǎn)量和抑制劑濃度的增大，水合物生成區(qū)域逐漸縮小。這主要是因?yàn)殡S著抑制劑濃度的增大，測(cè)試管柱中水合物生成的溫度和壓力條件更加苛刻；而隨著測(cè)試產(chǎn)量的增大，管柱中溫度升高、壓力減小，管柱中更難生成水合物。此外，在一定的抑制劑濃度下，存在使管柱中水合物生成區(qū)域完全消失的臨界測(cè)試產(chǎn)量，且該臨界產(chǎn)量值隨著水合物抑制劑濃度增大而減小。例如，當(dāng)醇水比為0∶1 和0.5∶1 時(shí)，管柱中水合物生成區(qū)域消失的臨界測(cè)試產(chǎn)量分別為62×104m3/d 和40×104m3/d。

圖4 不同醇水比和測(cè)試產(chǎn)量下管柱中水合物生成 區(qū)域變化

通過計(jì)算管柱中的水合物生成和沉積速率可以得到不同抑制劑濃度和測(cè)試產(chǎn)量條件下水合物流動(dòng)障礙演化規(guī)律。由圖5 可知，管柱最小有效內(nèi)徑隨著測(cè)試產(chǎn)量的增大而先減小后增大。這主要是因?yàn)樗衔锷珊统练e速率受溫度壓力和氣液接觸面積的共同影響。同時(shí)，在一定測(cè)試時(shí)間下，隨著水合物抑制劑濃度的增大，不同測(cè)試產(chǎn)量下管柱的有效內(nèi)徑均增大。這主要是因?yàn)椋阂环矫?，水合物抑制劑的注入縮小了管柱中的水合物生成區(qū)域；另一方面，水合物抑制劑降低了管柱中的水合物生成和沉積速率，進(jìn)而降低了管壁上水合物沉積層的生長(zhǎng)速度，故管柱的有效內(nèi)徑縮小幅度隨之降低，即水合物流動(dòng)障礙風(fēng)險(xiǎn)降低。此外，在測(cè)試時(shí)間為9 h 條件下，測(cè)試產(chǎn)量為（34～55）×104m3/d 時(shí)均可能存在水合物流動(dòng)障礙風(fēng)險(xiǎn)，但當(dāng)注入較低濃度的抑制劑（醇水比為0.125∶1）時(shí)，即可避免水合物流動(dòng)障礙風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 是測(cè)試產(chǎn)量為44×104m3/d 時(shí)不同醇水比下井口壓力和管柱中總壓降隨測(cè)試時(shí)間的變化規(guī)律?？梢钥闯?，同一測(cè)試時(shí)間，隨著抑制劑濃度的增大，測(cè)試管柱中的總壓降減小、井口壓力降低速率明顯減小。這主要是因?yàn)橐种苿┑淖⑷虢档土怂衔锷珊统练e速率，進(jìn)而減小了管柱有效內(nèi)徑降低的幅度，使得管柱中的流體壓力損耗減小，故井口壓力可在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在安全范圍之內(nèi)。

圖5 不同醇水比下管柱無因次有效內(nèi)徑變化

圖6 不同醇水比下井口壓力和總壓降隨時(shí)間變化

圖7 不同醇水比和測(cè)試產(chǎn)量下安全測(cè)試窗口變化

基于上述研究可知安全測(cè)試窗口是測(cè)試過程中發(fā)生水合物流動(dòng)障礙的臨界時(shí)間，這意味著只要保證測(cè)試時(shí)間在安全測(cè)試窗口內(nèi)就能滿足正常測(cè)試要求。圖7 是不同抑制劑濃度和不同測(cè)試產(chǎn)量下的安全測(cè)試窗口變化?？梢钥闯?，不同測(cè)試產(chǎn)量下的安全測(cè)試窗口不同，且當(dāng)添加一定濃度的水合物抑制劑時(shí)，安全測(cè)試窗口將會(huì)明顯延長(zhǎng)。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)的某一測(cè)試產(chǎn)量下的測(cè)試時(shí)間小于該測(cè)試產(chǎn)量下的安全測(cè)試窗口時(shí)，不用采取水合物防治措施。若在設(shè)計(jì)測(cè)試時(shí)間內(nèi)存在水合物流動(dòng)障礙風(fēng)險(xiǎn)，則可以根據(jù)測(cè)試時(shí)間要求選擇注入較低濃度的水合物抑制劑，以此保證在降低抑制劑注入成本的情況下安全高效地完成測(cè)試任務(wù)。例如，當(dāng)測(cè)試產(chǎn)量為50×104m3/d、設(shè)計(jì)測(cè)試時(shí)間為10 h 時(shí)，醇水比為0.125∶1 即可防止水合物流動(dòng)障礙的發(fā)生。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的井口壓力變化，可以對(duì)測(cè)試管柱中的水合物流動(dòng)障礙進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，以確保整個(gè)深水氣井測(cè)試過程的流體流動(dòng)安全。

2.2 變測(cè)試產(chǎn)量下的水合物流動(dòng)障礙防治

在深水氣井測(cè)試過程中，為了更好地獲得儲(chǔ)集層參數(shù)、評(píng)估氣藏產(chǎn)能等，往往需要對(duì)不同測(cè)試產(chǎn)量進(jìn)行試井分析，一般采取四點(diǎn)測(cè)試法[15]，且常用的測(cè)試順序是由低產(chǎn)量向高產(chǎn)量逐漸變化，如表2 所示。在前文研究的基礎(chǔ)上，本文提出通過合理改變不同測(cè)試產(chǎn)量的低、高交叉測(cè)試順序來防治水合物流動(dòng)障礙，改變后的不同產(chǎn)量的測(cè)試順序如表2 所示?？梢钥闯觯淖兒蟮臏y(cè)試順序是低、高產(chǎn)量交叉的，該變化有助于避免管柱中水合物的持續(xù)生成和沉積。

表2 不同測(cè)試產(chǎn)量的測(cè)試制度表

隨著測(cè)試產(chǎn)量的增大，測(cè)試管柱中的高溫流體向外界低溫環(huán)境的熱損失速率降低，流體溫度升高、壓力降低，管柱中的水合物生成區(qū)域隨之減小。測(cè)試產(chǎn)量超過一定值后，整個(gè)管柱內(nèi)將不再滿足水合物生成條件，當(dāng)管柱中原本滿足水合物生成條件的位置由于產(chǎn)量增大而不再滿足水合物生成條件時(shí)，將導(dǎo)致原來沉積附著在管壁上的水合物沉積層發(fā)生分解，水合物沉積層厚度逐漸減小。水合物沉積層分解主要受分解表面積和分解過冷度控制，由于不同時(shí)間和位置處的溫度壓力及水合物沉積層厚度不同，水合物分解速率是隨時(shí)間和位置變化的，可以由Goel 等[41]提出的公式計(jì)算得到：

當(dāng)沉積附著在管壁上的水合物沉積層發(fā)生分解時(shí)，考慮不同時(shí)間和位置處水合物分解速率的差異，管柱有效內(nèi)徑的變化可以由下式得到：

當(dāng)測(cè)試產(chǎn)量由低變高時(shí)，管柱內(nèi)的氣體流速增大，沉積在管壁上的水合物沉積層所受到的流體剪切力作用增大。當(dāng)水合物沉積層受到的流體剪切力大于脫落的臨界剪切力時(shí)，部分水合物沉積層脫落（見圖8），管柱有效內(nèi)徑增大，這將降低管柱中的水合物沉積風(fēng)險(xiǎn)。因此，在變測(cè)試產(chǎn)量下計(jì)算水合物沉積層厚度時(shí)，應(yīng)該考慮水合物沉積層脫落的影響。對(duì)于某一位置處管壁上的水合物層是否會(huì)因流體剪切作用而脫落可以由Di Lorenzo 等[42]提出的以下判別標(biāo)準(zhǔn)得到：

其中

圖8 管壁上水合物沉積層脫落示意圖

考慮水合物沉積層剪切脫落的影響，新的管柱有效內(nèi)徑可以由下式計(jì)算得到：

通過對(duì)常規(guī)測(cè)試制度下井筒溫度、壓力和水合物生成、沉積及分解的計(jì)算，可得到測(cè)試管柱中的流動(dòng)障礙風(fēng)險(xiǎn)。從圖9 中可以看出，常規(guī)測(cè)試制度下，在前兩個(gè)測(cè)試產(chǎn)量下，測(cè)試管柱中一直存在水合物生成區(qū)域，管柱中持續(xù)發(fā)生水合物的生成和沉積，水合物沉積層逐漸生長(zhǎng)增厚，故管柱最小有效內(nèi)徑隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸減小。而在后兩個(gè)測(cè)試產(chǎn)量下，由于產(chǎn)量增大，管柱中的溫度升高、壓力降低，使整個(gè)井筒中不存在水合物生成區(qū)域，前兩個(gè)產(chǎn)量下沉積附著在管壁上形成的水合物沉積層逐漸分解，且產(chǎn)量越大，水合物分解越快。但總的來說，由于在前兩個(gè)測(cè)試產(chǎn)量下管柱最小有效內(nèi)徑會(huì)低于發(fā)生流動(dòng)障礙的臨界值，故常規(guī)測(cè)試制度下管柱中存在水合物流動(dòng)障礙風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 常規(guī)測(cè)試制度下水合物生成區(qū)域和無因次 有效內(nèi)徑變化曲線

從圖10 中可以看出，低、高交叉測(cè)試制度下，在第1 和第3 測(cè)試產(chǎn)量下測(cè)試管柱中會(huì)存在水合物生成區(qū)域，而在第2 和第4 測(cè)試產(chǎn)量下測(cè)試管柱中的水合物生成區(qū)域?qū)⑼耆?，由此避免了測(cè)試管柱中水合物生成區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)出現(xiàn)，有利于控制測(cè)試管柱中的水合物流動(dòng)障礙風(fēng)險(xiǎn)。在低產(chǎn)量下生成、沉積在管壁上的水合物沉積層會(huì)在下一個(gè)高產(chǎn)量下由于溫度升高而分解。同時(shí)，在第1 和第3 測(cè)試產(chǎn)量分別向第2和第4 測(cè)試產(chǎn)量轉(zhuǎn)變時(shí)，測(cè)試產(chǎn)量的突然增大引起的部分水合物沉積層脫落還會(huì)造成有效內(nèi)徑突然增大。在上述因素的共同影響下，測(cè)試管柱最小有效內(nèi)徑一直保持在流動(dòng)障礙臨界值以上。相比于常規(guī)測(cè)試制度，該測(cè)試制度下管柱的最小無因次有效內(nèi)徑將增大至0.74。從圖10 中還可以看出，注入抑制劑后（醇水比為0.125∶1），低、高交叉測(cè)試制度下測(cè)試管柱的最小無因次有效內(nèi)徑將進(jìn)一步增大至0.85。由此可見，在采用低、高交叉測(cè)試制度時(shí)，若在危險(xiǎn)的測(cè)試產(chǎn)量下再輔以注入低濃度的水合物抑制劑，測(cè)試管柱中的水合物流動(dòng)障礙風(fēng)險(xiǎn)將進(jìn)一步降低。因此，通過合理改變不同測(cè)試產(chǎn)量的低、高交叉測(cè)試順序能有效降低管柱中的水合物流動(dòng)障礙風(fēng)險(xiǎn)，而輔以低濃度的抑制劑注入可進(jìn)一步提高該方法的有效性和實(shí)用性。相比于傳統(tǒng)的水合物防治方法，該方法可以大幅度降低水合物抑制劑用量，甚至可能完全不需要注入抑制劑。

圖10 低高交叉測(cè)試制度下水合物生成區(qū)域和無因次 有效內(nèi)徑變化曲線

表3 是設(shè)計(jì)測(cè)試時(shí)間為15 h 條件下本文方法與傳統(tǒng)方法的抑制劑用量對(duì)比表。可以看出，相比于傳統(tǒng)的水合物完全防止方法，本文提出的基于安全測(cè)試窗口的方法能降低抑制劑用量50%以上，有望成為一種經(jīng)濟(jì)高效的水合物流動(dòng)障礙防治方法。該方法主要是針對(duì)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、抑制劑用量大的正常測(cè)試過程，對(duì)于深水氣井初開井、清井等階段，由于這些階段持續(xù)時(shí)間短、過程復(fù)雜，故不建議使用該方法來防治水合物流動(dòng)障礙。

表3 不同水合物防治方法的抑制劑用量對(duì)比表

3 結(jié)論

隨著測(cè)試管柱內(nèi)水合物生成和沉積的持續(xù)發(fā)生，管柱有效內(nèi)徑和井口壓力逐漸減小，呈現(xiàn)出緩變、突變和急變3 個(gè)典型過程，且存在安全測(cè)試窗口。測(cè)試管柱中的水合物流動(dòng)障礙風(fēng)險(xiǎn)隨測(cè)試時(shí)間增大而增大，隨抑制劑濃度增大而減小，隨測(cè)試產(chǎn)量增大而先增大后減小。

深水氣井測(cè)試安全測(cè)試窗口是水合物流動(dòng)障礙高效防治的重要參數(shù)，不同測(cè)試產(chǎn)量及不同抑制劑濃度下有不同的安全測(cè)試窗口。在穩(wěn)定測(cè)試產(chǎn)量下，當(dāng)設(shè)計(jì)測(cè)試產(chǎn)量下的測(cè)試時(shí)間小于該產(chǎn)量下的安全測(cè)試窗口時(shí)，可以不采取水合物防治措施；反之，則可以通過注入較低濃度的水合物抑制劑來有效延長(zhǎng)安全測(cè)試窗口，保障測(cè)試流動(dòng)安全。在變測(cè)試產(chǎn)量下，通過合理調(diào)整不同測(cè)試產(chǎn)量的低、高交叉測(cè)試順序，能有效增大測(cè)試管柱的最小無因次有效內(nèi)徑，在不注入抑制劑條件下也能有效防止水合物流動(dòng)障礙的形成。若輔以低濃度的水合物抑制劑注入，該方法的效果更好。

本文提出的基于安全測(cè)試窗口的水合物流動(dòng)障礙防治方法能顯著降低深水氣井正常測(cè)試期間的抑制劑注入量，有望成為一種經(jīng)濟(jì)高效的水合物流動(dòng)障礙防治方法。

符號(hào)注釋：

Ads——水合物分解表面積，m2；Agf——?dú)庖航佑|面積，m2；Ap——管柱內(nèi)截面積，m2；Che——?dú)庀嘀兴衔镱w粒質(zhì)量濃度，kg/m3；Cle——?dú)庀嘀幸旱钨|(zhì)量濃度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2；f——表面摩擦系數(shù)，無因次；fe——三相平衡逸度，Pa；fg——?dú)怏w逸度，Pa；i——位置節(jié)點(diǎn)序號(hào)； j——時(shí)間節(jié)點(diǎn)序號(hào)；k1——?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)，kg/(m2·K·s)； k2——?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)，K；Kd——水合物分解速率常數(shù)，mol/(m2·Pa·s)；mdc——水合物分解量，kg；mhd——水合物沉積量，kg；mhf——水合物生成量，kg；Mg——平均氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；Mh——水合物摩爾質(zhì)量，kg/mol；n——水合物分解系數(shù)，無因次；p——壓力，Pa；pt——變徑引起的節(jié)流壓降，Pa；Rdl——環(huán)霧流中的液滴沉積速率，kg/(m2·s)；re——管柱有效內(nèi)徑，m；S——有效沉積系數(shù)，無因次； Sp——管柱濕周，m；t——時(shí)間，s；Ts——系統(tǒng)溫度，K； Tsub——熱力學(xué)過冷度，K；va——流體流速，m/s；Y——表征傳質(zhì)傳熱強(qiáng)度的系數(shù)，無因次；z——位置，m；θ——井斜角，（°）；ρa(bǔ)——流體平均密度，kg/m3；ρh——水合物密度，kg/m3；σf——管柱中流體對(duì)沉積在管壁上的水合物層的剪切力，Pa；σh——管柱內(nèi)壁上水合物層脫落的臨界剪切力，Pa；δ——水合物沉積層厚度，m。