超高壓氣井地面測試安全控壓技術(shù)

何恩鵬，潘 登

(中石油川慶鉆探公司鉆采工程技術(shù)研究院)

地面測試使用的分離計量設(shè)備一般為10 MPa或15 MPa的壓力容器，若井口壓力高于分離器的壓力，則在進入分離器前需要降壓，在低壓井中使用一級節(jié)流可以滿足安全作業(yè)要求，隨著勘探開發(fā)的深入，超高壓井地面測試施工作業(yè)越來越多，井口最高關(guān)井壓力已達109.13 MPa，并且地面測試期間井筒排出的流體性質(zhì)也越來越復(fù)雜，高壓差時節(jié)流閥的節(jié)流部件容易損壞，造成節(jié)流失效，高壓非法竄入低壓區(qū)導(dǎo)致分離器等低壓設(shè)備超壓爆炸，是地面測試作業(yè)不可接受的風(fēng)險，多級節(jié)流可以實現(xiàn)逐級降壓，降低節(jié)流閥的壓差，使節(jié)流閥運行平穩(wěn)，保障地面測試安全作業(yè)。

節(jié)流裝置以手動的方式操作，節(jié)流裝置出現(xiàn)失效的情況下，容易對操作人員造成傷害，并且需要精確控制時人力控制很難達到控制要求。

一、節(jié)流裝置失效現(xiàn)狀

(1)地面測試過程中，井內(nèi)排出的流體性質(zhì)復(fù)雜，伴隨著鉆井期間漏失的鉆井液材料、堵漏材料、完井射孔彈渣、地層巖屑等固相物質(zhì)，固相物質(zhì)的存在加劇了流體對節(jié)流部件沖蝕磨損的嚴重程度。

(2)施工過程中，節(jié)流閥會承受較高的壓差，在高壓差下連續(xù)運行，特別是節(jié)流部件疲勞程度較強時，容易被擠碎或剪切切斷。

二、節(jié)流裝置失效原因分析

1.流體沖蝕對節(jié)流部件損壞的影響

API RP 14E給出的預(yù)測流體沖蝕磨損計算臨界沖蝕流速方程見式(1)：

Ve=C/(ρm)0.5

(1)

式中：ρm—混合物密度,g/cm3；C—常數(shù)，100～150，如果井筒流體很干凈，不存在腐蝕和無固體顆粒情況下，C可取150[1]。

如果取ρm=0.6，可以得到Ve=129.1～193.65 m/s。根據(jù)臨界流噴嘴的原理，流體經(jīng)過節(jié)流部件后，p2≤0.546p1(p2為節(jié)流后的壓力，p1為節(jié)流前的壓力)時流體流速達到臨界流速。不論節(jié)流前后壓力如何變化，只要達到臨界流速，在流道截面積最小處，流體的流速等于該溫度下流體的音速(15℃時音速為340 m/s，溫度每增加1℃，流體流速增加0.6 m/s[1])。

當(dāng)流體的流速增大到臨界沖蝕速率時，流體就會對節(jié)流部件造成沖蝕，并且流速越快，沖蝕越嚴重。

2.高壓差對節(jié)流部件損壞的影響

節(jié)流閥工作時節(jié)流部件被高壓力流體包裹，節(jié)流部件所能承受的壓力和壓差受節(jié)流部件結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、疲勞程度等因素的影響，承受的壓力越大、壓差越大，時間越長，節(jié)流部件被損壞的機率越大。

3.節(jié)流氣穴對節(jié)流部件損壞的影響

在(含液)流體中,由于壓力降低而出現(xiàn)氣泡的現(xiàn)象稱為氣穴現(xiàn)象。氣穴中的氣體可以是天然氣或液體的蒸汽，管道局部收縮或擴張?zhí)帟a(chǎn)生氣穴(如圖1中的B處)。當(dāng)液體中的壓力降低到該液體的分離壓時,氣體便從液體中分離出來形成氣泡，氣泡隨流體運動到高壓區(qū)后在周圍壓力作用下被壓縮，體積迅速縮小至潰滅，從而在局部區(qū)域使壓力及溫度都達到相當(dāng)高的數(shù)值，對管件造成嚴重的危害。它不僅會縮短管件的壽命而且還會引發(fā)氣蝕現(xiàn)象，氣蝕會使結(jié)構(gòu)表面逐漸腐蝕，剝落成小坑，嚴重時會導(dǎo)致地面流程中彎頭、管線、油嘴的刺漏。

圖1 管道局部收縮節(jié)流

當(dāng)流體在管中流動時，流動速度高的區(qū)域壓力低，當(dāng)壓力低于工作溫度下油液與空氣分離的壓力時，流體中原已溶解的氣體將被分離出來，形成氣泡。

一般可用節(jié)流氣穴系數(shù)來描述氣穴發(fā)生程度及性質(zhì)。節(jié)流氣穴系數(shù)δ可用式(2)表達。越小，越容易發(fā)生氣穴，防止氣穴發(fā)生的極限氣穴系數(shù)為δmax=0.4。

(2)

(3)

由式(3)可得：p1/p2<3.5。

由式(2)可知，p1/p2決定了氣穴系數(shù)的大小，p1/p2越大，δ越小，節(jié)流越容易發(fā)生氣穴，也即節(jié)流壓差越大，越容易發(fā)生節(jié)流氣穴?？刂乒?jié)流后的壓力大于節(jié)流前壓力的0.285 7倍可防止氣穴的發(fā)生。

三、安全控壓技術(shù)

通過節(jié)流裝置失效原因的分析，不管是沖蝕效應(yīng)還是節(jié)流氣穴效應(yīng)，均是由節(jié)流裝置節(jié)流壓降過大的原因?qū)е碌?，所以降低?jié)流壓差是減小節(jié)流裝置損壞風(fēng)險最直接的控制措施。

超高壓氣井地面測試中使用一級節(jié)流，節(jié)流閥承受的壓差大，節(jié)流閥易損壞，采用串聯(lián)二個或多個節(jié)流閥，共同分擔(dān)節(jié)流閥兩端的壓差，使每個節(jié)流閥兩端的壓差減小，從而降低流體流速、減緩沖蝕磨損效應(yīng)、減少氣穴產(chǎn)生，延緩節(jié)流裝置損壞速度，保障地面測試安全作業(yè)。

1.多級節(jié)流壓差分配原則

節(jié)流后的流速低于臨界沖蝕速率。

2.多級節(jié)流壓差分配計算方法

2.1 節(jié)流壓降計算

根據(jù)亞臨界流速原理，節(jié)流后壓力與節(jié)流前壓力比值大于臨界流速壓力比時，流速會降低，對于亞臨界流，流量與節(jié)流前后的壓力的關(guān)系為：

式中：Q—通過節(jié)流裝置的體積流量(標準狀態(tài)下)，104m3/d；p1、p2—節(jié)流前、后壓力，MPa；d—節(jié)流孔眼直徑，mm；T1—節(jié)流前溫度，K；Z1—p1和T1條件下的氣體壓縮系數(shù)，無量綱；γ—天然氣相對密度，無量綱。

2.2 節(jié)流溫降計算

(5)

式中：T2—節(jié)流后溫度，K；k—絕熱指數(shù)，無量綱，k取1.3。

圖2 壓縮系數(shù)圖版a

2.3 節(jié)流后流速計算[3]

(6)

式中：ν2—節(jié)流后流速,m/s；Z2—T2和p2條件下的氣體壓縮系數(shù)，無量綱。

2.4 氣體壓縮系數(shù)計算

根據(jù)氣體的對比壓力pr和對比溫度Tr查壓縮系數(shù)版圖(圖2、圖3)可以得到氣體的壓縮系數(shù)。

(7)

(8)

式中：p—氣體的絕對工作壓力，MPa；pC—氣體的臨界壓力，MPa ；T—氣體的絕對工作溫度，K；TC—氣體的臨界溫度，K。

圖3 壓縮系數(shù)圖版b

2.5 氣體密度計算方法[4]

(9)

式中：ρ2—節(jié)流后氣體密度,kg/m3。

3.節(jié)流壓降計算實例

已知γ=0.6，pc=4.628 MPa，Tc=191.5K，p1=120 MPa，T1=303 K，Q=30×104m3/d，p2=90 MPa，計算可得V2=233.96 m/s，Ve=236.76 m/s,V2

4.多級節(jié)流壓差控制表

根據(jù)多級節(jié)流壓差控制計算方法，可以計算得到推薦壓差控制表如表1。

表1推薦壓差控制表

井口流動壓力/MPa節(jié)流后壓力/MPa一級節(jié)流后壓力二級節(jié)流后壓力三級節(jié)流后壓力四級節(jié)流后壓力90～12060～9035～6025～356～860～9035～6025～356～8-35～6025～356～8--35以下6～8---

5.節(jié)流裝置選擇

根據(jù)壓差控制表1可以看出，一級節(jié)流的壓力和壓降都最大，所以一級節(jié)流裝置選擇動力油嘴等高抗沖蝕節(jié)流閥，并且盡可能將一級節(jié)流閥安裝位置靠近井口，縮短一級高壓的管線長度，二級節(jié)流閥后的節(jié)流閥可以選擇針型節(jié)流閥或籠套式節(jié)流閥。

6.智能控制

節(jié)流裝置可采用電動遠程精細化智能控制，實現(xiàn)高壓區(qū)無人操作，增加人員操作的安全性。通過電動執(zhí)行器和智能軟件配合，實現(xiàn)各級節(jié)流的精確控壓，即設(shè)定目標壓力值后，根據(jù)實時監(jiān)測的壓力自動調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，保持目標壓力值，并且節(jié)流閥調(diào)節(jié)精度為1%，可以實現(xiàn)精細化穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。智能控制原理圖見圖4。

圖4 電動遠程智能控制原理圖

四、現(xiàn)場應(yīng)用實例

XX 1井，最高關(guān)井壓力109.13 MPa，放噴測試期間井口最高流動壓力96 MPa，采用四級節(jié)流降壓工藝，前三級節(jié)流閥采用高抗沖蝕的動力油嘴，第四級節(jié)流閥采用針型可調(diào)節(jié)流閥。一級節(jié)流后壓力65.3 MPa(理論計算值65 MPa)，二級節(jié)流后壓力39.1 MPa(理論計算值40 MPa)，三級節(jié)流后壓力27.4 MPa(理論計算值27 MPa)，四級節(jié)流后壓力6.5 MPa，整個測試期間各級節(jié)流閥工作平穩(wěn)可靠，未發(fā)生節(jié)流部件被沖蝕和損壞的情況。

五、結(jié)論

(1)本文提出了超高壓氣井地面測試多級節(jié)流控壓的計算方法，為超高壓氣井安全控壓節(jié)流級數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。

(2)本文的計算方法僅適用于流體為純氣體情況下的計算。

(3)當(dāng)p2>0.546p1進行多級節(jié)流壓差控制，有效避免氣穴現(xiàn)象，杜絕節(jié)流閥被氣蝕損壞，并且可以有效降低節(jié)流后流速，減緩流體沖蝕效應(yīng)。

(4)采用電動遠程精細化智能控制，不但可以進行穩(wěn)壓模式調(diào)節(jié)，而且相比人力操作，更安全，調(diào)節(jié)精度更高。

(5)根據(jù)理場實際操作經(jīng)驗，井口流動壓力低于35 MPa使用一級節(jié)流降壓時，雖然氣體流速達到了臨界流速，但基本上未發(fā)生節(jié)流閥失效的情況，所以最后一級節(jié)流達到臨界流速滿足安全控壓要求。