神木氣田產(chǎn)水氣井井下節(jié)流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王京艦，王一妃，管磊磊，王德龍，黃瓊，張海波

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；3.中國(guó)石油華北油田分公司采油工程研究院，河北 任丘 062552；4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十一采油廠，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

神木氣田產(chǎn)水氣井井下節(jié)流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王京艦1，2，王一妃3，管磊磊4，王德龍1，2，黃瓊1，2，張海波1，2

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；3.中國(guó)石油華北油田分公司采油工程研究院，河北 任丘 062552；4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十一采油廠，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

神木氣田屬于典型致密砂巖氣藏，采用井下節(jié)流、井間串接生產(chǎn)模式。氣井都不同程度地產(chǎn)水，影響了正常生產(chǎn)。針對(duì)普遍產(chǎn)水這一現(xiàn)象，突破以往單相氣體井下節(jié)流模型，將液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)引入能量守恒方程中，結(jié)合節(jié)流壓降、溫降模型，建立產(chǎn)水氣井井下節(jié)流新模型。神木氣田實(shí)例計(jì)算表明，采用新模型，節(jié)流工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的配產(chǎn)符合率大幅提高，減少了氣井因調(diào)產(chǎn)而重復(fù)更換節(jié)流器的作業(yè)成本，且能夠提高氣井?dāng)y液能力，進(jìn)一步延長(zhǎng)氣井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間。

產(chǎn)水氣井；井下節(jié)流；參數(shù)優(yōu)化；神木氣田

0 引言

神木氣田發(fā)育太原組、山西組、石盒子組等多套氣層系，是典型的“三低”致密氣藏。其地面集輸工藝采用中低壓模式，氣井采用井下節(jié)流工藝生產(chǎn)。充分利用地層熱源，對(duì)節(jié)流后的天然氣進(jìn)行加熱，有效提高節(jié)流后的天然氣溫度，同時(shí)降低井筒及地面管線壓力，防止水合物生成［1］，降低開發(fā)成本。神木氣田2014年投入生產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，大部分氣井普遍產(chǎn)水，由于節(jié)流參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，氣井生產(chǎn)不平穩(wěn)，壓力下降快，部分氣井因產(chǎn)液出現(xiàn)間歇生產(chǎn)，甚至停產(chǎn)現(xiàn)象，也增加了氣井因調(diào)產(chǎn)而重復(fù)更換節(jié)流器的作業(yè)成本。以往氣井井下節(jié)流參數(shù)設(shè)計(jì)，普遍采用單一氣相模型［2-11］，不考慮氣井產(chǎn)液的影響，誤差較大。為此，將液相引入模型，建立產(chǎn)水氣井井下節(jié)流新模型，對(duì)節(jié)流工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 產(chǎn)水氣井井下節(jié)流新模型

神木氣田初期井均產(chǎn)液量1.2 m3/d，液氣比0.69 m3/104m3；目前井均產(chǎn)液量0.6 m3/d，液氣比0.54 m3/104m3。隨著生產(chǎn)進(jìn)程推進(jìn)，產(chǎn)液量和液氣比有所降低。在井筒壓力分布計(jì)算中，采用修正的Cullender-Smith產(chǎn)水氣井井筒壓力高氣液比計(jì)算模型［12-15］。井筒溫度分布計(jì)算突破以往線性地溫梯度計(jì)算法，采用基于徑向傳熱的溫度模型［16-18］，大大提高了井筒壓力、溫度計(jì)算精度，為節(jié)流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了良好的參數(shù)基礎(chǔ)。

實(shí)際氣體狀態(tài)變化過(guò)程通常遵循一定規(guī)律：任一狀態(tài)點(diǎn)的壓力、體積值近似符合式（1）的關(guān)系，為一定值，此過(guò)程稱為多變過(guò)程。

式中：p為任一狀態(tài)點(diǎn)的壓力，MPa；V為任一狀態(tài)流體的體積，m3；const為常數(shù)值；n為多變指數(shù)。

將氣液混合流體經(jīng)過(guò)節(jié)流嘴的流動(dòng)過(guò)程看作多變過(guò)程，并將液相參數(shù)引入能量方程，建立氣液流體經(jīng)過(guò)氣嘴的流動(dòng)模型。計(jì)算結(jié)果更加符合節(jié)流氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，可以提高模型的計(jì)算精度。忽略氣液混合流體經(jīng)過(guò)節(jié)流器的摩擦損失及位能變化，其穩(wěn)定流動(dòng)能量方程表示為

式中：pm為氣液混合物流經(jīng)節(jié)流器過(guò)程中任一點(diǎn)的壓力，MPa；vm為氣液混合流體比體積，m3/kg；um為氣液混合流體流速，m/s。

式中：xg為氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)；vg為氣相比體積，m3/kg；vl為液相比體積，m3/kg；vg1為入口截面處氣相比體積，m3/ kg；vg2為出口截面處氣相比體積，m3/kg；p1，p2分別為入口、出口截面處壓力，MPa；xg1為入口截面處氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)；k為氣相比熱容比；cvg1為入口截面處氣相定容比熱容，kJ/（kg·K）；cl為液相比熱容，kJ/（kg·K）。

氣液混合流體由入口截面到出口截面，vl和xg均保持不變，將式（3）—（5）代入式（2）積分，求得：

式中：um1，um2分別為入口、出口截面處氣液混合流體流速，m/s。

因um2?um1，故由式（6）可求得：

利用式（7）可求得：

式中：Qg為產(chǎn)氣量，m3/d；d為節(jié)流嘴直徑，mm；rp為氣嘴出口與入口壓力比（p2/p1）；C為流量系數(shù)，取值0.865；ρgsc為氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度，kg/m3。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 氣井產(chǎn)水對(duì)節(jié)流動(dòng)態(tài)的影響

針對(duì)產(chǎn)水氣井，分析不同液氣比、不同節(jié)流參數(shù)條件下氣井產(chǎn)氣量的變化規(guī)律。其他參數(shù)不變，p1=16.0 MPa條件下，隨著液氣比的增大，產(chǎn)氣量逐漸減?。ㄒ?jiàn)圖1a）；d=4.4 mm條件下，隨著液氣比的增大，產(chǎn)氣量也逐漸減小（見(jiàn)圖1b）：因此，氣井產(chǎn)水影響了其產(chǎn)能的發(fā)揮。更進(jìn)一步說(shuō)明，井下節(jié)流參數(shù)設(shè)計(jì)中，必須考慮氣井產(chǎn)水的影響。

圖1 產(chǎn)氣量隨液氣比變化曲線

2.2 應(yīng)用效果

以神木氣田SA-B井為例，該井于2014年9月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)配產(chǎn)4.0×104m3/d，節(jié)流氣嘴直徑4.4 mm，節(jié)流器下入深度1 950 m，投放時(shí)間2013年10月。利用所開發(fā)的產(chǎn)水氣井井下節(jié)流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，對(duì)下放節(jié)流器前井筒壓力、溫度及水合物生成溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)（見(jiàn)表1），發(fā)現(xiàn)在距井口220 m以內(nèi)易生成水合物。

表1 SA-B井下放節(jié)流器前井筒壓力、溫度分布情況

根據(jù)SA-B井設(shè)計(jì)配產(chǎn)，應(yīng)用新模型對(duì)井下節(jié)流參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2、圖3）?？紤]水合物的生成條件，節(jié)流器最小下入深度1 150 m，氣嘴直徑4.0 mm，節(jié)流壓差12.6 MPa，壓力比0.318，處于臨界流狀態(tài)，節(jié)流上游溫度51.6℃，下游溫度19.8℃，節(jié)流溫差31.8℃，節(jié)流下游水合物生成溫度19.7℃，剛好滿足此深度至井口位置不生產(chǎn)水合物。為了保證節(jié)流后低溫氣流得到地層能量的充分加熱，有效防止水合物的生成，設(shè)計(jì)節(jié)流器下入深度1 950 m，氣嘴直徑3.8 mm，節(jié)流壓差12.5 MPa，壓力比0.378，處于臨界流狀態(tài)，節(jié)流上游溫度66.3℃，下游溫度39.8℃，節(jié)流溫差26.5℃，節(jié)流下游水合物生成溫度22.3℃，有效避免了水合物的生成。與以往氣相模型（4.4 mm）相比，新模型氣嘴直徑計(jì)算結(jié)果（3.8 mm）得到了很好優(yōu)化，提高了精度。

SA-B井投產(chǎn)初期產(chǎn)氣量3.5×104m3/d，套壓壓降較大，說(shuō)明以往氣相模型設(shè)計(jì)氣嘴直徑（4.4 mm）偏大，配產(chǎn)過(guò)高，壓力下降快，產(chǎn)量遞減快［19-22］，影響了氣井的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間。結(jié)合氣井動(dòng)靜態(tài)資料及氣井產(chǎn)水，配產(chǎn)2.0×104m3/d，采用本文模型進(jìn)行復(fù)算，氣嘴直徑2.8 mm，目前氣井產(chǎn)量2.0×104m3/d左右，生產(chǎn)較平穩(wěn)，未出現(xiàn)積液現(xiàn)象，因此，本文模型具有較高的精度，配產(chǎn)符合率較高。結(jié)合氣井臨界攜液流量模型［23-26］，預(yù)測(cè)氣井井筒臨界攜液流速及攜液流量分布情況。節(jié)流后臨界攜液流速大幅升高，由節(jié)流上游0.22 m/s上升至下游0.61 m/s；臨界攜液流量大幅降低，由節(jié)流上游1.12×104m3/d下降至下游0.44×104m3/d，氣井?dāng)y液能力有明顯的提高（見(jiàn)圖4），應(yīng)用效果顯著。

圖2 SA-B井節(jié)流井筒壓力分布

圖3 SA-B井井筒溫度及水合物生成溫度分布

圖4 SA-B井井筒臨界攜液流速、臨界攜液流量分布

選取20口氣井，采用產(chǎn)水氣井井下節(jié)流模型對(duì)氣嘴直徑進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)效果進(jìn)行對(duì)比分析。如表2所示：?jiǎn)我粴庀喙?jié)流模型計(jì)算氣嘴直徑，平均配產(chǎn)符合率為53.9%；產(chǎn)水節(jié)流新模型計(jì)算氣嘴直徑，平均配產(chǎn)符合率達(dá)到89.0%，且目前節(jié)流器投放生產(chǎn)后氣井未出現(xiàn)積液、停產(chǎn)等異常情況。這表明所建立的產(chǎn)水氣井井下節(jié)流新模型，在神木氣田具有較好的適應(yīng)性，完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工程計(jì)算的需求。

表2 產(chǎn)水節(jié)流模型與單一氣相節(jié)流模型計(jì)算結(jié)果比較

3 結(jié)論

1）在單一氣相井下節(jié)流模型的基礎(chǔ)上，引入液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將節(jié)流過(guò)程視為多變過(guò)程，建立了產(chǎn)水氣井井下節(jié)流新模型，進(jìn)一步優(yōu)化了井下節(jié)流工藝參數(shù)。

2）氣井井下節(jié)流器下游與上游相比，井筒臨界攜液流速大幅升高，臨界攜液流量大幅降低，攜液能力顯著提高，積液、停產(chǎn)等異常情況減少，進(jìn)一步提高了氣井的采氣時(shí)率，進(jìn)而提高了采收率。

3）神木氣田20口氣井生產(chǎn)效果對(duì)比分析表明，產(chǎn)水氣井井下節(jié)流新模型的配產(chǎn)符合率遠(yuǎn)高于單一氣相節(jié)流模型，應(yīng)用效果顯著，完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工程計(jì)算需求。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Optimal design of downhole throttling parameters for water produced gas well in Shenmu gas field

WANG Jingjian1，2,WANG Yifei3,GUAN Leilei4,WANG Delong1，2,HUANG Qiong1，2,ZHANG Haibo1，2
(1.Research Institute of Exploration and Development,Changqing Oilfield Company,PetroChina,Xi′an 710018,China; 2.State Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil and Gas Fields,Xi'an 710018,China; 3.Research Institute of Petroleum Production Engineering,Huabei Oilfield Company,PetroChina,Renqiu,062552,China; 4.No.11 Oil Production Plant,Changqing Oilfield Company,PetroChina,Qingyang 745000,China)

The Shenmu gas field belongs to the typical tight sandstone gas reservoir,using the production mode of the downhole throttling and the serial connection between wells.Gas wells with different degrees of water production have important influence on the normal production of gas wells.Since most gas wells produce water in Shenmu gas field,liquid quality fraction is introduced into the energy conservation equation which is different from the traditional single-phase gas downhole throttling model.Combined throttling pressure drop and temperature drop model,downhole throttling model is established for water production gas wells.The calculation example of Shenmu gas field shows that the new model greatly improves the coincidence rate of throttling parameters design results,reduces the repeated replacement operation cost of the throttle for gas well production adjustment,improves the liquid carrying capacity,and prolongs the stable production period of gas wells.

water production gas well;downhole throttling;parameter optimization;Shenmu gas field

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“鄂爾多斯盆地大型低滲透巖性地層油氣藏開發(fā)示范工程”（2011ZX05044）

TE375

：A

10.6056/dkyqt201701023

2016-06-28；改回日期：2016-10-20。

王京艦，男，1980年生，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，目前主要從事氣田開發(fā)方面的研究工作。E-mail：wjj08_cq@petrochina.com.cn。

王京艦，王一妃，管磊磊，等.神木氣田產(chǎn)水氣井井下節(jié)流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.斷塊油氣田，2017，24（1）：101-104.

WANG Jingjian，WANG Yifei，GUAN Leilei，et al.Optimal design of downhole throttling parameters for water produced gas well in Shenmu gas field［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（1）：101-104.