井下節(jié)流技術優(yōu)化研究及在港中油田的應用

梅 杰，劉一睿

（中國石油大港油田公司第一采油廠，天津 300280）

隨著天然氣需求的持續(xù)增長，氣藏已全面進入規(guī)模開發(fā)階段，氣井生產過程中遇到的問題也逐漸增多，其中高壓氣井井筒、井口及地面管道的水合物堵塞是影響氣井安全穩(wěn)定生產的重要因素之一。傳統防治水合物凍堵的方法是加熱或注抑制劑，但其地面工藝流程復雜且運行成本高，無法滿足高壓氣井連續(xù)生產和效益開發(fā)的需要。為有效解決高壓氣井頻繁凍堵問題，提高氣井開發(fā)效率，急需探索形成一種高效的天然氣水合物防治技術。

筆者基于前者研究形成的氣井井下節(jié)流技術，優(yōu)選節(jié)流工具，以氣井生產數據為分析依據，通過優(yōu)化設計關鍵技術參數，有效提高了井下節(jié)流技術的適應性，實現了高壓氣井的高效生產[1-3]。

1 技術原理及配套工具

1.1 技術原理

天然氣節(jié)流是一個降壓降溫過程，常規(guī)的地面節(jié)流工藝，在節(jié)流前需用地面加熱裝置對天然氣進行加熱，提高溫度避免形成水合物堵塞。井下節(jié)流技術是將節(jié)流器置于井下油管的適當位置，使天然氣的節(jié)流降壓膨脹過程發(fā)生在井內，同時利用地層熱能加熱節(jié)流后的低溫天然氣，從而達到降低節(jié)流嘴后壓力，降低水合物生成溫度，實現水合物的有效防治[4-7]。

1.2 配套工具

目前井下節(jié)流器主要有兩種：固定式（預制式）和活動式（后置式），二者主要區(qū)別在于坐放方式不同，固定式節(jié)流器有坐放短節(jié)（工作筒），節(jié)流器通過鋼絲作業(yè)坐放在坐放短節(jié)內，而活動式井下節(jié)流器無需坐放短節(jié)，節(jié)流器直接卡定在油管上，坐放位置可調。固定式井下節(jié)流器承受壓差高，坐封可靠，適用于新投產井；活動式井下節(jié)流器下入深度可調，但節(jié)流壓差相對較小。

1.2.1 固定式井下節(jié)流器 固定式井下節(jié)流工具由坐落短節(jié)和節(jié)流器兩部分組成，固定式井下節(jié)流器主要由油嘴套、密封膠圈、卡定機構以及打撈頭組成（見圖1、表1）。

圖1 固定式節(jié)流器實物圖

下完井管柱時，在設計位置安裝坐落短節(jié)，投產時通過鋼絲作業(yè)將節(jié)流器投入坐落短節(jié)內，向下震擊剪斷坐封銷釘，節(jié)流器通過卡瓦固定在坐落短節(jié)內，坐封后上提剪斷檢驗銷釘，驗證坐封效果。坐落短節(jié)密封面與節(jié)流器密封組件形成良好密封，實現井下節(jié)流。需要更換節(jié)流嘴時，通過鋼絲作業(yè)下入配套打撈工具，抓住打撈頸上提即可取出節(jié)流器。

表1 固定式節(jié)流器主要技術參數

1.2.2 活動式井下節(jié)流器 活動式井下節(jié)流器主要由投放部分（釋放頭、打撈頸），卡定部分（卡瓦），密封部分（密封膠筒、油嘴）三部分組成（見圖2、表2）。

圖2 活動式節(jié)流器結構圖

表2 活動式節(jié)流器主要技術參數

投放時，投放工具與節(jié)流器通過銷釘連接，卡瓦松弛、膠筒處于自然收縮狀態(tài)。將工具串（鋼絲+繩帽+加重桿+震擊器+丟手工具+節(jié)流器）下至設計位置，上提鋼絲，上錐體錐面沿卡瓦內錐面上行撐開卡瓦，卡住管壁，再增大上提力，剪斷坐封銷釘，完成坐封并丟手。此時被壓縮的彈簧彈出頂住活塞桿上行，帶動下錐體錐面上行脹開膠筒。提出丟手工具后開井，在節(jié)流壓差作用下活塞產生上推力，膠筒進一步張緊密封管壁，同時膠筒壓差產生的上推力張緊卡瓦，確保密封、錨定。打撈時下打撈工具撈住打撈頸，向下震擊，膠筒下行回彈，密封機構解封，卡瓦失去支撐下行解封，完成解封過程。

2 工藝優(yōu)化設計流程及參數設計[1-8]

2.1 工藝優(yōu)化設計流程（見圖3）

2.2 工藝參數優(yōu)化設計

2.2.1 下入深度 當井下節(jié)流器下入深度超過某一值時，節(jié)流后節(jié)流器以上氣流溫度就能保證在水合物形成初始溫度以上，這一深度即為井下節(jié)流器的最小下入深度。水合物形成溫度一般由水合物預測曲線求得（見圖4）。

圖3 工藝優(yōu)化設計流程圖

氣流通過節(jié)流嘴時，溫度與壓差的關系為：

為防止水合物生成，氣嘴出口溫度必須高于水合物生成溫度：

氣嘴最小下入深度：

式中：T1-氣嘴入口溫度，℃；T2-氣嘴出口溫度，℃；Lmin-不生成水合物的節(jié)流器最小下入深度，m；M0-地溫增率，m/℃；Th-水合物形成溫度，℃（由水合物預測曲線求得）；T0-地面平均溫度，℃；β-壓力比；K-天然氣絕熱系數（1.3）；Z-氣嘴入口氣體壓縮系數。

2.2.2 氣嘴直徑 為滿足氣井配產要求，采用臨界流動狀態(tài)原理來確定節(jié)流器的氣嘴直徑[8]。在氣體通過節(jié)流嘴的過程中，當上下游壓力之比達到臨界值（0.546）時，氣流通過節(jié)流嘴的流速將趨近于聲速，即達到臨界流動狀態(tài)，此時無論怎樣降低下游壓力，流速不再增加，通過節(jié)流嘴的氣體流量達到最大值，這就是臨界流動狀態(tài)原理（見圖5）。由臨界流動狀態(tài)下的最大產氣量計算公式可推出節(jié)流氣嘴直徑公式為：

圖4 經驗圖解法水合物生成預測曲線

圖5 不同嘴徑節(jié)流前后壓力比與產氣量關系圖

表3 井下節(jié)流器下入前后生產數據對比表

式中：d-氣嘴直徑，mm；qmax-臨界流動狀態(tài)下最大流量，m3/d；P1-氣嘴入口壓力，MPa；γg-天然氣相對密度；T1-氣嘴入口溫度，K；Z1-氣嘴入口氣體壓縮系數；K-天然氣絕熱系數。

3 現場應用實例

3.1 應用效果

近兩年為有效解決氣井凍堵問題，第一采油廠先后在港中油田中8-75等4口凍堵氣井進行井下節(jié)流先導試驗。通過在氣井應用井下節(jié)流技術，避免了水合物的形成，有效解決了氣井井口設備頻繁凍堵問題，4口氣井應用井下節(jié)流技術后，未再出現井口凍堵現象，確保了氣井連續(xù)穩(wěn)定生產，同時，有效降低了井口和地面管道壓力，提高了集氣管道安全系數（見表3）。

3.2 實例說明

港中油田中8-75井2016年1月補孔開井，生產井段：2 582 m～2 851.2 m，工作制度4 mm油嘴，正常生產時日產氣 1.6×104m3，無液，油壓 18.5 MPa，套壓18.5 MPa，因井口及地面管道頻繁凍堵，采取高鍋刺井口、地面摻水、加甲醇等措施均無法正常連續(xù)生產。為有效解決氣井頻繁凍堵問題，2017年4月進行井下節(jié)流先導試驗，因井口凍堵無法進行測壓和測溫，參考歷史測壓和測溫數據，為滿足地溫大于80℃，設計下入深度1 800 m；根據地質要求，配產1.5×104m3/d，由公式計算得出節(jié)流嘴直徑2.1 mm。應用井下節(jié)流器后，中8-75井油壓由18.5 MPa下降至2.2 MPa，初期產氣量2.4×104m3/d，一直到氣井停噴未再出現井口設備凍堵現象，現場應用效果很好。

4 結論及認識

（1）優(yōu)化后井下節(jié)流技術實現了水合物的有效防治，解決了頻繁凍堵問題，有效提高了氣井生產時率；

（2）井下節(jié)流技術降低了氣井及集氣管道壓力，提高了安全系數，減少了維護管理強度。