蘇里格氣田井下節(jié)流器積液過程分析與研究

楊旭東劉雙全田 偉汪雄雄

（1.長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018）

蘇里格氣田井下節(jié)流器積液過程分析與研究

楊旭東1，2劉雙全1，2田 偉1，2汪雄雄1，2

（1.長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018）

蘇里格氣田氣井普遍采用井下節(jié)流工藝，隨著氣田的開發(fā)，氣井壓力和產(chǎn)量逐漸下降，井下節(jié)流器無法排液，井筒產(chǎn)生積液現(xiàn)象，造成井底回壓大，影響氣井生產(chǎn)。為延長氣井變?yōu)榈彤a(chǎn)、低效井的時間，有必要對節(jié)流器的合理打撈時機進行研究。針對井下節(jié)流條件下的井筒積液及排除問題，采用軟件模擬和生產(chǎn)、測試數(shù)據(jù)分析等方法，通過對井下節(jié)流井井筒積液流態(tài)分析、過程研究及不同積液程度下的主控機理分析，明確了造成節(jié)流氣井壓力、產(chǎn)量迅速下降現(xiàn)象的起點為節(jié)流器上段開始積液時，并以此為基礎確定了蘇里格氣田積液井節(jié)流器的合理打撈時機，為生產(chǎn)現(xiàn)場節(jié)流器打撈時機提供了理論及實踐經(jīng)驗。

蘇里格氣田；井下節(jié)流器；壓力分布；流態(tài)；井筒積液；測試數(shù)據(jù)；打撈時機

井下節(jié)流技術(shù)是實現(xiàn)蘇里格氣田中低壓集輸模式的關鍵技術(shù)。蘇里格氣田屬于“三低”氣田，氣井具有普遍性小水量的特點［1-4］，隨著氣田的不斷開發(fā)，氣井壓力下降，不能滿足最小攜液流量的要求，井底及井筒便產(chǎn)生積液，當積液量到達一定程度時，氣井壓力、產(chǎn)量會顯著降低，嚴重影響氣井穩(wěn)定生產(chǎn)和最終采收率。通過文獻調(diào)研，目前國內(nèi)外采用“井下節(jié)流，地面中低壓集氣”模式整體開發(fā)的氣田較少，與之相關的井下節(jié)流井井筒積液及排除的研究文獻也未見報道。

1 井下節(jié)流井井筒積液現(xiàn)象與過程

1.1 井筒積液現(xiàn)象

一般認為由于節(jié)流降壓作用，使得節(jié)流井在節(jié)流器下游的氣體膨脹、氣流速度增加，從而使節(jié)流器下游氣體的攜液能力增加［5-8］，節(jié)流器下游的流體中不容易出現(xiàn)積液。然而根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目前蘇里格氣田許多節(jié)流氣井在節(jié)流器上段的井筒內(nèi)出現(xiàn)了明顯的積液現(xiàn)象。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，所選取蘇里格氣田46口節(jié)流氣井中，43口氣井節(jié)流器下段積液，21口氣井節(jié)流器出現(xiàn)了上段積液。所有節(jié)流器上段積液的氣井，節(jié)流器下段都出現(xiàn)了積液現(xiàn)象，而節(jié)流器下段未出現(xiàn)積液的氣井，節(jié)流器上段也未出現(xiàn)積液現(xiàn)象。

以桃B井為例，此井井深3600 m，節(jié)流器下深位置為1700 m，井深0～1700m采用壓力計測壓繪出的壓力曲線顯示井深1400 m處曲線出現(xiàn)拐點，說明節(jié)流器以上積液300 m；由于節(jié)流器以下無法采用壓力計實測，所以采用井口回聲儀測試，由所測數(shù)值繪出的曲線顯示井深3050 m處曲線出現(xiàn)拐點，說明節(jié)流器以下油管內(nèi)積液550 m，桃B井壓力測試分布曲線見圖1。

圖1 桃B井壓力測試分布曲線

1.2 積液過程分析

井下節(jié)流氣井生產(chǎn)過程中，井筒內(nèi)同樣可能出現(xiàn)霧狀流、環(huán)狀流、過渡流、段塞流和氣泡流等流態(tài)。由于節(jié)流器節(jié)流影響，在節(jié)流器出口端形成壓力突降區(qū)，進而對節(jié)流器附近的流體流動形態(tài)產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)室內(nèi)節(jié)流實驗觀察，節(jié)流器對不同流態(tài)影響也略有不同。

（1）當井筒流態(tài)為霧狀流和環(huán)狀流，氣體流速高，尤其在節(jié)流器出口處，流速甚至可達到當?shù)匾羲?，能夠?qū)⑦M入井內(nèi)的水全部帶出而不產(chǎn)生滑脫，節(jié)流器下上方均無積液。

（2）隨著氣井壓力下降，節(jié)流器下段流態(tài)為段塞流，液體段塞經(jīng)過節(jié)流孔時，液體段塞在氣孔剪切作用以及高速氣流的沖擊下變成尺寸相對較小的液體，節(jié)流器上段流態(tài)變?yōu)殪F狀流，與液體段塞相比，攜帶小液滴所需的能量較小，造成上方無積液下方有積液，此時氣井依舊能夠較穩(wěn)定地產(chǎn)出一定量的水，而且氣井能持續(xù)生產(chǎn)很長時間。

（3）當氣井壓力損失很大，液體段塞經(jīng)過節(jié)流孔時，由于氣流流速很低，氣孔不再對液體段塞產(chǎn)生作用，經(jīng)過氣孔的段塞逐漸累積，節(jié)流器上段便變?yōu)榕轄盍?，此時節(jié)流器上方壓力梯度迅速增大，致使節(jié)流器下上方基本不存在節(jié)流壓差，天然氣只以氣泡形式穿過液柱緩慢上升，節(jié)流器上下方充滿積液。

2 蘇里格氣田節(jié)流氣井積液機理研究

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，從節(jié)流器下游的流體相態(tài)、流態(tài)及流體攜液特征等角度進行分析發(fā)現(xiàn)導致節(jié)流氣井井筒存在積液因素主要有氣液兩相霧流自身攜液特征、節(jié)流器節(jié)流對流體產(chǎn)生的特殊作用及上段積液層對節(jié)流氣體的淹沒射流作用等方面。

2.1 低速氣流的攜液規(guī)律

圖2為在管徑為62 mm的油管內(nèi)，壓力為10 MPa，溫度為27 ℃條件下，產(chǎn)水量為1.5 m3/d時的氣流攜液分布?？梢钥闯?，當氣流速度低于臨界流速時，可穩(wěn)定存在的液滴尺寸變大，低速氣流無法帶走所有的液滴，但是分布在氣流可攜帶尺寸以下的小液滴仍可以被帶走，從而實現(xiàn)部分攜液，致使節(jié)流器上方可能無積液。

2.2 節(jié)流器下游的“回流效應”和摻混作用

節(jié)流下游的流體回流等效應是導致節(jié)流器下游出現(xiàn)積液的主要因素，以蘇C節(jié)流井為例，采用Flunent軟件，進行了節(jié)流流場CFD模擬。該井生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1，節(jié)流器下深2 000 m，節(jié)流嘴直徑2.5 mm。模擬結(jié)果如圖3。

表1 蘇C井生產(chǎn)數(shù)據(jù)

由圖3節(jié)流流場模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然在節(jié)流下游的主流區(qū)，氣體流速增加，攜液能力增加，但是在主流區(qū)外側(cè)氣流速度非常低。節(jié)流嘴出口下游處的2個大渦流區(qū)表明節(jié)流嘴出口外面主流區(qū)外側(cè)的氣流速度很低。軸線附近的低速流體首先接受噴出的高速流體的動能，隨高速流體向下游流動，由于流體的黏性作用，這部分帶動的流體在沿軸向流動的同時，又要向與它接觸的低速流體傳遞動能，動能以這種方式一層一層向渦流中心傳遞，在逐級的傳遞過程中，動能是逐漸衰減的，渦流區(qū)中心的流速最低。低速氣體與噴射出來的高速氣體相互影響，在能量傳遞的作用下作漩渦流動，在節(jié)流后主流區(qū)兩旁產(chǎn)生了回流現(xiàn)象，導致主流區(qū)外側(cè)的流體回落。

圖3 蘇C井節(jié)流速度分布云圖（單位：m/s）

主流區(qū)外側(cè)由于氣流速度低，氣流中的液滴直徑較大，氣體所能攜帶的液量隨氣流速度減小迅速衰減，如圖4，外側(cè)分散液滴的速度明顯降低，主流區(qū)外側(cè)隨氣流速度降低的攜液量明顯降低。伴隨高速氣體的回流，流體中的大量液滴回落，沉積在節(jié)流器兩側(cè)的臺階上。同時，由于液體對管壁的潤濕性，還有少量液體以膜的形式附著于管壁，在節(jié)流外側(cè)的低速區(qū)沿管壁慢慢回落，滯留于節(jié)流器附近。

圖4 蘇C井節(jié)流器下游液滴速度分布（單位：m/s）

上述作用導致下游氣流中的液體沉積在節(jié)流器附近并不斷堆積。節(jié)流器內(nèi)高速氣流的沖擊作用和節(jié)流嘴的毛細管堵塞作用導致節(jié)流器上端積累的液體不可能輕易在重力作用下沿節(jié)流器返流至節(jié)流器下端。隨氣井持續(xù)生產(chǎn)，滯留于節(jié)流器下游臺階附近的液體不斷聚集，從而在節(jié)流器上段形成積液段，且液柱高度不斷增加。

2.3 節(jié)流器上端積液的“淹沒射流”作用

當節(jié)流器上段形成一定高度的積液液柱時，將對節(jié)流器下游射入的高速氣流產(chǎn)生非常強烈的阻礙作用，使得高速流體在不斷的阻礙和交換作用下，動量逐漸消失在積液層內(nèi)，氣相流體被淹沒，形成淹沒射流。淹沒射流使得從氣嘴上游高速噴出的液體和下游析出的液體在井筒內(nèi)滯留。

在積液重力及黏滯力的作用下，節(jié)流器下游氣流的膨脹受到限制，從而使得節(jié)流器下游氣流速度較原來沒有積液的情況下明顯降低，氣流攜液能力降低。更重要的是當攜帶了部分小液滴的高速氣體沖入上段近乎靜止的積液層內(nèi)時，流動氣體將部分動量傳遞給周圍的積液，導致射流的速度逐漸降低，這種能量交換及氣液間的摻混作用，最后導致射流氣體的動量逐漸消失在空間流體中，氣體也將淹沒、分散在上段井筒積液液柱內(nèi)。主體流體流態(tài)由節(jié)流器出口處的高速霧流轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俚呐萘骰蚨稳?。液體的滯留使得上段積液越積越多，而同時積液液柱的升高又進一步促進了液體的滯留。隨時間的推移使得節(jié)流器上段的積液現(xiàn)象更為明顯，當井筒積液高度達到一定時，液柱產(chǎn)生的井底回壓與地層壓力平衡，此時氣井就會被“淹死”。

3 結(jié)論

通過對蘇里格氣田節(jié)流積液井井筒流態(tài)分析及蘇C井攜液機理分析，結(jié)果表明：當節(jié)流嘴下游段開始積液時，氣井的壓力和產(chǎn)量顯著降低，降低率出現(xiàn)拐點。所以，對于發(fā)生積液的井下節(jié)流氣井，當節(jié)流嘴下游開始積液時需要打撈節(jié)流器，并采取相應的輔助攜液生產(chǎn)措施，確保氣井穩(wěn)定生產(chǎn)。

［1］楊旭東，白曉弘，李耀德，等.蘇里格氣田智能柱塞氣舉排水采氣技術(shù)研究［J］.鉆采工藝，2013，36（5）：55-57．

［2］楊旭東，衛(wèi)亞明，肖述琴，等.井下渦流工具排水采氣在蘇里格氣田探索研究［J］.鉆采工藝，2013，36（6）：125-127．

［3］楊亞聰，穆謙益，田偉，等.蘇里格氣田自然間噴氣井采氣技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2012，34（1）：82-84.

［4］田偉，白曉弘，郭彬．連續(xù)油管排水采氣技術(shù)在蘇里格氣田的應用研究［J］.化工技術(shù)與開發(fā)，2010，39（10）：14-15.

［5］劉鴻文，劉德平.井下油嘴節(jié)流機理研究及應用［J］.天然氣工業(yè)，1990，10（5）：57-62.

［6］楊志，馬吉祥，侯攀，等.井下節(jié)流及其對攜液能力的影響研究［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2012（7）：6-9.

［7］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(shù)值計算［J］.四川大學學報：工程科學版，2006，38（6）：47-50.

［8］吳東垠，林宗虎.氣液兩相流流經(jīng)突縮再突擴管道的壓力降研究［J］.熱能動力工程，1995，10（6）：366-369.

（修改稿收到日期 2013-12-16）

〔編輯 薛改珍〕

Analysis and study on liquid loading process of downhole throttle in Sulige Gas Field

YANG Xudong1,2,LIU Shuangquan1,2,TIAN Wei1,2,WANG Xiongxiong1,2
（1.Oil &Gas Technology Institute,Changqing Oil Field Company,Xi’an710018,China;2.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields,Xi’an710018,China）

The downhole throttle technique is wildly used in development of Sulige Gas Field.With gas field development,gradual decrease of gas well pressure and output,downhole throttle cannot drain the liquid,causing liquid loading of well bore and large bottom back pressure,thus affecting the production of gas well.To prolong the period before the gas well becomes low productivity and low efficiency,it is necessary to study the reasonable fishing time of throttle.For the liquid loading of well bore in downhole throttling condition and problem solution,the methods such as software simulation and analysis of production and testing data,are adopted.The flow pattern analysis of liquid loading of well bore under downhole throttling well,process study and analysis of main control mechanism under different liquid loading show that the starting point of rapid decrease of throttling gas well pressure and output is when the liquid loading of throttle starts and defines the reasonable fishing time of throttle of liquid loading well of Sulige Gas Field based on this to provide theories and practical experience for throttle fishing time on production site.

Sulige Gas Field;downhole throttle;pressure distribution;flow pattern;liquid loading;testing data;fishing time

楊旭東，劉雙全，田偉，等.蘇里格氣田井下節(jié)流器積液過程分析與研究［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：97-99

TE377

：A

1000-7393（2014）01-0097-03

10.13639/j.odpt.2014.01.026

中國石油天然氣股份有限公司科技重大專項“長慶油田油氣當量上產(chǎn)5000萬噸關鍵技術(shù)”（編號：2008 E-13）。

楊旭東，1980年生。2007年畢業(yè)于中國石油大學油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事采氣工藝研究工作，工程師，碩士。電話：029-86593279，13991254210。E-mail：yangxudong_cq@petrochina.com.cn。