氣井合理油管直徑選擇

王 云

摘要:以徐深氣田xu-X井為例,采用敏感性分析方法,綜合考慮氣井產能、油管壓降摩阻損失、攜液能力及抗沖蝕能力等因素,優(yōu)選出合理的油管直徑,以滿足氣井長期安全、合理生產的需要。研究表明,油管內徑越大,摩阻壓降損失越低,越能發(fā)揮氣井產能,但當油管內徑大于某一值后,產量隨內徑增加而增加的幅度趨于平緩,壓降摩阻損失隨內徑增加而降低的幅度也趨于平緩,進一步增加油管內徑對增加產量、降低摩阻壓降損失的意義不大;若選擇油管內徑過小,會限制氣井產能的發(fā)揮,影響氣井高效開發(fā)。xu-X井選用內徑為76 mm的油管生產較為合理。

關鍵詞:氣井;生產系統(tǒng)分析;敏感性分析;油管直徑

中圖分類號:TE931文獻標識碼:A

前 言

油管是地層流體流出地面的通道,其直徑是否合理,直接影響氣井的安全、高效生產。氣井生產管柱的直徑選擇應“由里向外”,即先根據(jù)氣井的實際特征選擇合理直徑的油管,再以此為基礎確定套管直徑。若按照套管尺寸確定油管直徑,將可能會出現(xiàn)2種情況:①套管直徑過小,只能被迫選擇小一級油管,限制了氣井合理產能的發(fā)揮,且油管可能存在沖蝕風險,影響管柱壽命;②套管直徑過大,勢必增加鉆井成本和套管成本,若按照套管直徑選擇大一級油管,對進一步發(fā)揮氣井產能的意義不大,但增加了油管成本投資;在氣田的開發(fā)后期,由于地層壓力、氣井產能降低,甚至可能出現(xiàn)氣井無法攜液的現(xiàn)象,導致氣井過早停產。徐深氣田是徐家圍子斷陷內最有利區(qū)帶之一,深度為3 200～4 300 m,地層壓力為35～45 MPa,地層溫度為138～145℃,天然氣中CO₂含量較高,腐蝕環(huán)境較為惡劣,且氣水關系復雜。徐深氣田合理選擇氣井油管直徑,可以在合理發(fā)揮氣井產能、安全生產的前提下,節(jié)約13Cr不銹鋼防腐油管的投資,并盡可能延緩或避免氣井發(fā)生積液的風險。

1 生產系統(tǒng)分析方法

氣井生產系統(tǒng)分析是運用系統(tǒng)工程理論、優(yōu)化分析氣井生產系統(tǒng)的一種綜合分析方法,以氣井的單井整個開采系統(tǒng)為研究對象,根據(jù)流體在氣層、井筒和地面管線的流動特征,以產量和壓力變化為依據(jù),科學地分析整個采氣系統(tǒng)在不同條件下的工作狀態(tài),確定合理的產能和最佳工藝制度[1-4]。以井底作為目標節(jié)點進行分析,將地層向井底流動過程作為一個子系統(tǒng),以垂直管流過程作為另一個子系統(tǒng),以油管直徑為敏感性參數(shù),研究氣井的合理油管直徑[1]。

2 油管直徑選擇的原則

選擇合理的油管直徑,應考慮的主要因素包括:①相同的井口、地層壓力條件下,氣體膨脹能利用效率大,獲得盡可能大的產氣量,并保持較長的穩(wěn)產期;②相同產量條件下,壓降摩阻損失合理,在較長的生產過程中保證一定的井口壓力,以滿足地面集氣的需要;③具有較強的攜液能力,在正常的生產過程中避免井筒積液;④流速不能過高,防止對油管產生沖蝕。此外,還應考慮油管與生產套管、油管與井下工具的綜合匹配性能;在含酸氣井還要考慮H₂S、CO₂等腐蝕對油管內徑的影響[5]。

3 合理油管直徑的選擇

以大慶徐深氣田某井(xu-X井)為例,研究氣井合理油管直徑的選擇方法。xu-X井的基本數(shù)據(jù)如下:地層壓力為39 MPa,地層溫度為153℃,油管下入深度為4 250 m,氣井無阻流量為87.89×10⁴m³/d。

3.1 油管內徑對氣井產能的影響

利用節(jié)點分析軟件(Schulumber公司的PIPESIM),計算井口壓力為8 MPa時不同地層壓力下不同內徑油管的協(xié)調產量。計算結果表明,在一定的地層壓力和井口條件下,油管內徑越大,氣井的產量越大,選擇小內徑油管會限制氣井產能。圖1為xu-X井不同地層壓力和井口壓力下油管內徑對產量影響的關系曲線。

考慮到xu-X井的無阻流量為87.89×10⁴m³/d,其合理配產應為25×10⁴m³/d左右。由圖1可知,配產為20×10⁴～30×10⁴m³/d,當油管內徑小于62 mm時,氣井產量隨油管內徑增加的幅度較大,表明油管內徑應不小于62 mm;當油管內徑大于88.29 mm時,產量的增幅逐漸趨于平緩,表明再增加油管內徑對增加產量的作用較小。表1為不同內徑在不同條件下的協(xié)調產量。

由表1可以看出,油管內徑從62 mm增加到76 mm時,產量可增加約3.79×10⁴m³/d;從76 mm增加到88.29 mm時,產量只增加約1.43×10⁴m³/d。因此,xu-X井選擇內徑為76 mm的油管較為合理。

3.2 油管的摩阻損失

在相同地層壓力和井口壓力條件下,流體在不同內徑油管內的流動過程中,其摩阻壓降損失不同,內徑越小,損失越大,到達井口的壓力越低。若油管內徑過小,隨著氣井的生產,氣井的井口壓力達不到集輸壓力要求,導致無法生產。根據(jù)現(xiàn)有氣井的油管數(shù)據(jù),分析研究了摩阻損失與油管內徑的關系。

研究表明,相同井口壓力、地層壓力條件下,油管內徑越大,摩阻損失越小。對于xu-X井,在合理配產范圍內,當內徑大于76 mm時,摩阻損失隨管徑增大而減小的幅度逐漸趨于平穩(wěn),再增大管徑來減小摩阻損失意義不大。相同油管內徑和井口壓力條件下,井底流壓越大,摩阻損失越大;在相同油管內徑和井底流壓的條件下,井口壓力越大,摩阻損失越大。因此,從氣井的壓降摩阻損失角度看,xu-X井選擇內徑為76 mm的油管較為合理。

3.3 油管的攜液能力

氣井在生產過程中,隨著地層壓力下降,將會有凝析水、隙間水或地層水等產出;若不能及時將水排出,將會造成井底積液,影響氣井正常生產,甚至停產。氣井在生產過程中的攜液能力,與地層能量及氣井能否提供充足的舉升壓力有關。因此,根據(jù)臨界攜液流量選擇油管內徑,保證氣井具有較高的攜液能力、井底不會產生積液對氣井至關重要。表2分析計算了xu-X井在不同條件下油管內徑和臨界攜液流量的關系。

由表2可知:①在相同油管內徑條件下,臨界攜液流量隨著地層壓力的增加先增加后減小,但差別很小,臨界攜液流量隨著井口壓力的增加而增加;②在相同壓力條件下,臨界攜液流量隨著油管內徑的增加而增加,在滿足配產要求的前提下,盡可能選擇小直徑油管生產,提高油管的攜液能力。

在地層壓力為16 MPa,井口壓力為8 MPa的條件下,計算了不同內徑油管的協(xié)調產量與臨界攜液流量的關系(表3)。可以看出,選擇內徑為76 mm的油管,其臨界攜液流量為7.44×10⁴m³/d,協(xié)調產量為8.01×10⁴m³/d,臨界攜液流量低于協(xié)調產量,可以滿足攜液要求;選用88.29 mm的油管,其臨界攜液流量為10.18×10⁴m³/d,協(xié)調產量為8.12×10⁴m³/d,臨界攜液流量高于協(xié)調產量,則會產生井底積液。

3.4 油管的抗沖蝕能力

井筒內高速流動的氣流將對油管造成沖蝕,影響生產管柱的使用壽命;氣井的沖蝕流量與氣井的流動壓力及油管內徑關系密切?？梢杂镁跉饬魉賹ν瑳_蝕速率的比率來判斷油管是否發(fā)生沖蝕。若沖蝕速率小于1,證明在此條件下,油管不會發(fā)生沖蝕;反之,油管存在沖蝕危害。分析計算了xu-X井在不同壓力條件下井口流速與沖蝕速率的比率。研究表明:①在相同井口流壓和地層壓力條件下,井口氣體流速與沖蝕速率比率隨油管直徑增大而減小;②選用大直徑油管可以避免沖蝕危害的發(fā)生;③在相同井口流壓和油管內徑條件下,井口氣體流速與沖蝕速率比率隨地層壓力增加而增加;④在相同地層壓力和油管內徑條件下,井口氣體流速與沖蝕速率比率隨井口流壓增加而減小;⑤合理控制產量可以避免沖蝕危害的發(fā)生。表4為不同壓力條件下油管內徑與沖蝕速率的關系。

由表4可知,在協(xié)調配產的條件下,各個內徑油管的氣流速率與沖蝕速率的比率都小于1,不會發(fā)生沖蝕。

此外,油管發(fā)生沖蝕的臨界流速還與氣體中固體顆粒的含量和形狀等因素有關。合理油管直徑的選擇,既要考慮氣井的實際情況,最大限度的發(fā)揮氣井產能,保持氣井長期穩(wěn)產,同時也要考慮后續(xù)工藝及經濟性的要求。

4 結 論

(1) 合理選擇氣井油管內徑要綜合考慮氣井的產能和油管的摩阻壓降損失、攜液能力、抗沖蝕能力等因素,保證氣井高效生產。

(2) 研究表明,油管內徑越大,摩阻壓降損失越低,越能發(fā)揮氣井產能,但當油管內徑大于某一值后,產量隨內徑增加而增加的幅度趨于平緩,壓降摩阻損失隨內徑增加而降低的幅度也趨于平緩,進一步增加油管內徑對增加產量、降低摩阻壓降損失的意義不大,增大油管內徑將直接增加前期開發(fā)投入;相反,若選擇油管內徑過小,會限制氣井產能的發(fā)揮,同時由于工具的配套性問題,將會對改造等后續(xù)工藝帶來困難,無形中增加了開發(fā)成本,影響氣井高效開發(fā)。

(3) 研究表明,xu-X井選用內徑為76 mm的油管生產較為合理。

參考文獻:

[1] 何志雄,孫雷,李鐵軍,等.氣井合理管徑的確定[J].西南石油大學學報:自然科學版,2008,30(4):104-106.

[2] 李穎川.氣井無因次IPR方程的剖析[J].天然氣工業(yè),1995,15(6):48-52.

[3] 李穎川,杜志敏.氣井無因次流入動態(tài)方程的特征函數(shù)[J].天然氣工業(yè),2002,22(1):67-69.

[4] 秦國偉,宮軍.氣井節(jié)點分析及其應用[J].新疆石油地質,2005,26(6):679-680.

[5] 金忠臣,等.采氣工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2004:141.

編輯 王 昱