凝析氣井井下節(jié)流流態(tài)變化預測研究及應用

曾文廣（中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

任勇（川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610051）

馬清杰，姚麗蓉，勞勝華（中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

西北油田分公司的凝析氣藏大部分為深層、高溫高壓、中高滲、中高含凝析油、具邊底水的中小型凝析氣藏。在凝析氣井［1］的開采過程中，在低溫高壓的條件下容易引起水合物的生成，堵塞井筒和地面集輸流程，給凝析氣井生產帶來許多危害。2009～2011年間針對雅克拉凝析氣藏和AT11～AT12區(qū)塊凝析氣藏氣井生產凍堵問題引進了井下節(jié)流工藝技術，凍堵問題得到了緩解。但目前仍存在對節(jié)流前后流體在井筒與節(jié)流器中的真實流動情況的描述不準確、認識不深入的問題，特別是凝析氣井在節(jié)流前后的相態(tài)變化特征等等。為此，利用國內外學者建立的數學模型，針對凝析氣井開展了節(jié)流后流態(tài)變化預測研究，提出了節(jié)流后相態(tài)、溫度、速度的變化趨勢和影響因素，為進一步加強對凝析氣井節(jié)流后流態(tài)的認識和完善節(jié)流工藝技術具有指導意義。

1 模型的建立與計算

采用Perkins建立的氣液兩相節(jié)流壓降機理模型［2］，根據單位質量流體的能量和質量守恒建立氣液兩相嘴流機理模型。假設條件如下：①氣液間始終處于熱平衡；②氣液間無相間滑脫；③氣相的偏差因子不變；④忽略液相壓縮性；⑤忽略相間剪應力和流體與管壁的摩擦。根據求得的臨界壓力比，得到質量速度的節(jié)流嘴產狀方程為：

式中：Rcp＝p2／p1為臨界壓力比；n為氣體的多變膨脹指數，1；A1為油嘴上游管段的橫截面積，mm2；A2為節(jié)流嘴喉道的橫截面積，mm2；fo、fg、fw分別為混合物中油、氣、水的質量分數，1，且fo＋fg＋fw＝1；cvo、cvg、cvw為油、氣、水的定容比熱容，J／（kg·K）；ρo、ρg、ρw分別為混合物油、氣、水相密度，kg／m3；R為氣體熱容比，1；wi為介質在通過節(jié)流油嘴時的流量，kg／s；v1為節(jié)流前氣體的流速，m／s；M 為氣體平均分子量，kg／kmol；Z為氣體偏差因子；gc為臨界條件下重力加速度，m／s2；p1、p2分別為節(jié)流上游壓力和節(jié)流下游壓力，MPa。

在已知節(jié)流上游壓力p1、溫度t1和節(jié)流下游恢復段壓力p2及油管尺寸、節(jié)流嘴尺寸等參數的條件下，通過上述計算就可以確定節(jié)流上下游壓降與節(jié)流質量流量的關系。

而節(jié)流后溫度的計算采用在李穎川建立的“天然氣節(jié)流溫降機理模型”［3］的基礎之上，采用壓力 －溫度狀態(tài)方程，通過等溫焓差的熱力學方程和天然氣狀態(tài)方程導出節(jié)流后的溫度預測模型來計算節(jié)流后的溫度，具體方法如下：

在已知理想氣體的焓常數B0i～B5i，節(jié)流前溫度t和壓力p，可求出節(jié)流前天然氣的焓值h1。假設節(jié)流后的溫度初值為t2，可求得節(jié)流后混合物的焓值h2，然后調整t2使h1、h2相等，通過如此迭代方法便可求出天然氣節(jié)流后的溫度。

2 流態(tài)參數變化預測

通過以上建立的模型和計算方法對雅輪凝析氣井S3－1井進行節(jié)流前后的流動狀態(tài)預測。S3－1井生產層位為白堊系，氣層中部深度為5043.5m， 原 始 地 層 壓 力56.73MPa，地層溫度137℃。

圖1 S3－1井節(jié)流前后凝析氣相態(tài)變化

2.1 相態(tài)變化預測

為了明確節(jié)流后凝析氣在開采過程中性質和相態(tài)特征的變化情況，通過模擬S3－1井節(jié)流前后凝析氣相態(tài)變化圖來進行分析和判斷［4］，如圖1所示。

節(jié)流前，凝析氣從井底到井口，由于壓力、溫度降低，出現反凝析現象，凝析油析出量逐漸增加，同時隨著凝析油含量由低到高，地層等溫壓降線從右往左向臨界凝析壓力點靠近。節(jié)流后由于壓力下降很大，出現反蒸發(fā)現象，節(jié)流下游凝析油析出量比節(jié)流前少。所以，節(jié)流器以上的油管中凝析油量比節(jié)流前相對較低。

2.2 節(jié)流前后凝析油氣體積變化預測

節(jié)流前后凝析油氣體積變化情況分別見圖2和圖3。節(jié)流前氣體體積從井底到井口，隨著壓力、溫度的降低而降低，當地氣體體積從井底45.91m3增加到井口82.76m3，當地液體體積從井底5.437m3增加到井口6.285m3，說明凝析油體積變化不大，氣體體積變化較大。節(jié)流后氣體體積增加很大，到井口達202m3；當地液體體積在節(jié)流器處從5.95m3降到5.5m3，然后緩慢上升，直到井口。說明節(jié)流大大改變了凝析氣油比例分配，對氣井攜液有利。

圖2 節(jié)流前后井筒氣體體積變化對比

圖3 節(jié)流前后井筒凝析油體積變化

2.3 壓力、溫度變化預測

通過節(jié)流前后的溫降和壓降模型計算公式［5］，輸入S3－1井節(jié)流計算參數，繪制井筒壓力和溫度分布曲線。

從圖4溫度分布曲線上可以看出，在節(jié)流油嘴處，溫度從節(jié)流上游的70.17℃降至節(jié)流下游的52℃。但隨著流體流入井口，節(jié)流后的井筒溫度也將接近未節(jié)流時的井筒溫度。這是由于經過節(jié)流后的井筒流體會利用地層自身的能量很快加熱到未節(jié)流時的溫度。當然不是所有的井在節(jié)流后的井口處都能恢復到節(jié)流前的溫度，這取決于地溫梯度與節(jié)流后的溫度，同時還與氣體的產量有關。從曲線中可以看出，該井只要經過600m的地層加熱就可以恢復到未節(jié)流的溫度剖面。從圖4壓力曲線中可以看出，節(jié)流后壓力從節(jié)流上游的16.55MPa降至節(jié)流下游的9.24MPa，節(jié)流上游壓力與未節(jié)流一樣，節(jié)流下游壓力遠遠低于未節(jié)流壓力，這樣就大大降低了井筒內的壓力等級，降低了節(jié)流后的水合物生成溫度。

2.4 流速變化預測

在節(jié)流嘴后，高速氣體隨管徑擴大急劇膨脹，高速氣體所攜帶的壓縮能量得以釋放，使得氣體速度進一步升高，在出口附近速度達到最大，此時經過質量速度（式（5））的節(jié)流嘴產狀方程計算出S3－1井節(jié)流后速度在井筒中的分布如圖5所示。

同時可通過節(jié)流前后的臨界攜液速度與節(jié)流前后的速度對比，臨界攜液速度的計算主要采用李閩臨界流速橢球模型［6］來計算。通過計算發(fā)現，氣體速度高于臨界攜液速度，油管中為霧狀流，可以正常攜液，節(jié)流后氣體速度增快，節(jié)流下游速度1.594m／s遠大于臨界攜液速度0.76m／s，顯示出該井節(jié)流后可以提高攜液能力。

圖4 S3－1井井筒壓力、溫度分布曲線

圖5 S3－1井井筒速度分布曲線

3 現場應用

S3－1井在生產過程中頻繁因凍堵關井，為減少安全隱患，提高生產時效，采取井下節(jié)流防止凍堵。該井井下節(jié)流器下入深度2017m，節(jié)流嘴尺寸4mm，開井生產情況見表1。在采取井下節(jié)流措施后，未再發(fā)生井口和管線凍堵，這表明采取井下節(jié)流措施后有效地抑制了凍堵現象的發(fā)生，達到了預期的效果。

3.1 安裝前后產量情況對比

表1 2011年S3－1井井下節(jié)流前后產量對比

由表1可以看出，安裝井下油嘴后計量平均日產液比未安裝前多1.2m3，平均日產氣比未安裝前多6561m3。說明液體經過井下油嘴后，流速增加，氣井的攜液能力增加。

3.2 安裝前后壓力溫度對比

由圖6可以看出，井下油嘴安裝后油壓由11.2MPa下降到5MPa，井口溫度保持在26℃。從 “降低天然氣流動壓力”方面防止了水合物生成。

4 結論

基于以上理論方法，以S3－1井為例，對凝析氣井井下節(jié)流后流態(tài)變化趨勢進行了綜合預測，并在現場試驗中得到了驗證，通過研究形成了以下認識：

圖6 井下油嘴安裝前后油壓溫度變化曲線圖

1）凝析氣井井下節(jié)流后降低了井筒內的壓力，同時降低了節(jié)流后的水合物生成所需壓力；節(jié)流后的井筒溫度在經歷短距離的降低后將快速恢復到未節(jié)流時的井筒溫度。

2）在節(jié)流嘴后，氣體速度大幅升高。同時通過計算發(fā)現節(jié)流后氣體速度與臨界攜液速度差值較未節(jié)流時明顯增大，這說明節(jié)流后可以提高攜液能力。

3）通過節(jié)流前后的凝析氣相態(tài)圖可以看出，節(jié)流后壓力下降很大，出現反蒸發(fā)現象，節(jié)流下游凝析油析出量比未節(jié)流時井筒凝析油含量低。

4）現場試驗說明井下節(jié)流工藝對于降低井筒壓力、提高井筒溫度具有明顯作用，有效地防止了水合物的生成，避免了地面節(jié)流后管線和井口長期承受高壓的弊端，延長了氣井井口及地面設備的使用壽命，有利于氣井的安全生產。

［1］Perkins T K.Critical and sub－critical flow of multi－phase mixtures through chokes ［J］.SPE20633，1993.

［2］劉德生 .柯克亞深層凝析氣藏井下節(jié)流模擬 ［D］.成都：西南石油大學，2007.

［3］李穎川，胡順渠，郭春秋，天然氣節(jié)流溫降機理模型 ［J］.天然氣工業(yè)，2003，23（3）：70～72.

［4］朱紅鈞，林元華，劉輝，等 .天然氣井井下節(jié)流后物性參數的變化模擬 ［J］.石油天然氣學報（江漢石油學院學報），2010，32（3）：19～21.

［5］蔣代君，陳次昌，伍超，等 .天然氣井下節(jié)流嘴前后壓力溫度分布的數值計算 ［J］.四川大學學報，2006，38（6）：21～25.

［6］李閩，孫雷，李士倫，等 .一個新的氣井連續(xù)排液模型 ［J］.天然氣工業(yè)，2001，21（5）：61～63.

［7］雷群.井下節(jié)流技術在長慶氣田的應用 ［J］.天然氣工業(yè)，2003，23（1）：81～83.