連續(xù)油管速度管柱技術(shù)在延北氣田中的應(yīng)用

曹永波

摘要： 隨著開發(fā)時間的延長，SCP延北項目中很多氣井的地層壓力下降、產(chǎn)量遞減，部分氣井已經(jīng)達到或者低于臨界攜液能力，受井筒積液的影響，由正常生產(chǎn)轉(zhuǎn)為間開生產(chǎn)，甚至停產(chǎn)。為了解決井筒積液問題，延緩氣井產(chǎn)量遞減、延長氣井生產(chǎn)周期，采用連續(xù)油管速度管柱技術(shù)，提高氣井攜液生產(chǎn)能力，延緩水淹期。本文分析了連續(xù)油管速度管柱技術(shù)的基本原理，研究了已有的Turner臨界攜液模型，推導(dǎo)出低壓氣井臨界攜液流量公式，用于選擇合適連續(xù)油管尺寸;考慮井斜角的影響，找出了水平井最易積液的位置，用于指導(dǎo)連續(xù)油管下入深度，為后續(xù)速度管工藝方案設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：臨界攜液模型;連續(xù)油管尺寸;下入深度

前言

隨著開發(fā)時間的延長，SCP延北項目中很多氣井的地層壓力下降、產(chǎn)量遞減，部分氣井已經(jīng)達到或者低于臨界攜液能力，受井筒積液的影響，由正常生產(chǎn)轉(zhuǎn)為間開生產(chǎn)，甚至停產(chǎn)。為了解決井筒積液問題，延緩氣井產(chǎn)量遞減、延長氣井生產(chǎn)周期，采用連續(xù)油管速度管柱技術(shù)，提高氣井攜液生產(chǎn)能力，延緩水淹期。本文分析了連續(xù)油管速度管柱技術(shù)的基本原理，研究了已有的Turner臨界攜液模型，推導(dǎo)出低壓氣井臨界攜液流量公式，用于選擇合適連續(xù)油管尺寸;考慮井斜角的影響，找出了水平井最易積液的位置，用于指導(dǎo)連續(xù)油管下入深度，為后續(xù)速度管工藝方案設(shè)計提供借鑒。

一、連續(xù)油管速度管柱技術(shù)

（一）基本原理

在氣田開發(fā)方面來說，速度管柱即對井下流體起節(jié)流增速作用的小直徑管柱，由地面懸掛器或井筒懸掛裝置懸掛于井筒（或生產(chǎn)油管內(nèi)部）充當完井生產(chǎn)管柱。當?shù)貙恿黧w在天然能量的驅(qū)動下進入速度管時，由于過流面積比常規(guī)生產(chǎn)油管小，基于變徑管流體力學原理，使得較小過流截面上的流體速度有所增加。

簡單來說，就是通過連續(xù)油管設(shè)備（圖1-1），將直徑1.0-2.0英寸左右的連續(xù)油管，按照設(shè)計長度，下入原生產(chǎn)管柱中，用專用設(shè)備懸掛在井口或井筒中，形成新的生產(chǎn)管柱，根據(jù)生產(chǎn)情況可選擇連續(xù)油管采氣或連續(xù)油管與生產(chǎn)油管環(huán)空采氣兩種方式生產(chǎn)。

對于低壓低產(chǎn)氣井，由于其產(chǎn)氣量小，攜液能力有限，因此油管內(nèi)氣體的流速是影響氣井排液的重要因素。流經(jīng)井底油管截面的氣體流速越高，則提供的攜液能量就越大，為防止液體回落和減少井底積液，必須保證一定的氣體流速。而下入小直徑的管柱，可有效減少橫截面積，增大氣體流速，實現(xiàn)采氣排水目的。

（二）施工步驟

（1）測試1號閥密封性，關(guān)閉1號閥，采氣樹壓力表考克泄壓至壓力為0，觀察半小時，壓力不漲，無氣體返出;拆除一號主閥以上采氣樹部分;

（2）依次安裝速度管懸掛器、操作窗、防噴器;連油插管入注入頭、防噴盒，制作roll-on接頭，安裝堵塞器;安裝防噴盒、注入頭，對連油井口和堵塞器試壓合格后，打開1號閥，開井下入連油至設(shè)計井深;下放過程中控制下放速度并校核懸重;

（3）下至設(shè)計井深后，對角上緊懸掛器頂絲，密封速度管環(huán)形空間，井口設(shè)備泄壓至0MPa，打開操作窗，投卡瓦片至懸掛器卡瓦座，下放連油至懸重為0，成功懸掛速度管柱;

（4）割斷速度管，依次拆操作窗、防噴器、防噴盒、注入頭;打磨割口，安裝導(dǎo)向限位塊，然后恢復(fù)采氣樹，將拆除部分安裝至懸掛器之上;

（5）連接液氮泵車向連續(xù)油管內(nèi)泵入液氮，打開連續(xù)油管底部堵塞器，氣舉，生產(chǎn)。

二、連續(xù)油管速度管柱設(shè)計

連油速度管柱的設(shè)計目標是確定最優(yōu)連續(xù)油管尺寸和最佳下入深度，只有這樣才能恢復(fù)井的自噴，并且管柱內(nèi)摩阻是最小的，產(chǎn)量是最大化的。

（一）速度管柱尺寸的選擇

要確定速度管柱的尺寸，必須提到臨界流速。臨界流速一般定義為油管中可以使液滴向上運移的最小氣體流速。低于臨界流速時，液滴下降，液相在井筒中聚集。通常認為在井筒嚴重積液之前，氣流中液相以液滴形式被氣體攜帶;而在氣液界面間剪切作用下液相在井壁以液膜的形式運動。

目前確定氣體臨界流速有經(jīng)驗法和理論分析法兩類。經(jīng)驗法將井底油管內(nèi)氣體攜液最小氣體流速定為2-4m/s;理論分析法以Turner模型[1]為依據(jù)，用液滴模型來預(yù)測井筒積液，推導(dǎo)得出低壓氣井（壓力小于3.45MPa）臨界攜液流速公式：

式中，σ—液滴表面張力，0.06N/m;ρl—液體密度，1074kg/m3;ρg—天然氣相對密度，kg/m3。

趙彬彬等[2]人在Turner公式基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了氣井臨界流量計算公式：

式中，P—井口壓力，MPa;Z—天然氣壓縮因子，無量綱;T—井底溫度，K;A為油管截面積，，m2。

由上面公式可計算出需要選擇的油管內(nèi)徑尺寸：

（二）速度管柱下入深度的確定

從垂直井段到傾斜井段，隨著管柱傾斜角度的變化，液滴重力作用與氣液兩相流型變化都會對臨界攜液流速產(chǎn)生影響。Belroid等[3]綜合考慮傾斜角對液滴的影響，在Turner模型基礎(chǔ)上，增加了一個隨井斜角變化的修正系數(shù)，θ為井斜角，5°≤θ≤90°。

隨著井斜角增加，臨界攜液流量先增加后減小，在井斜角53°時臨界攜液流量最高，為井筒最易積液的位置，所以此位置為速度管柱最佳下入深度。

三、連續(xù)油管速度管柱關(guān)鍵工具

（一）速度管柱懸掛器

如何實現(xiàn)3000多米，重量10噸多的連續(xù)油管在井口長期懸掛并且有效密封連續(xù)油管和原井油管的環(huán)空，最關(guān)鍵的工具就是懸掛器。懸掛器包括懸掛主體、懸掛密封總成、懸掛卡瓦、限位密封總成及相關(guān)的密封件。密封總成由壓環(huán)、壓圈、膠筒、壓圈組成，對角旋轉(zhuǎn)懸掛器頂絲，頂絲推動壓環(huán)下移，壓縮膠筒，實現(xiàn)連續(xù)油管和油管環(huán)空的密封。懸掛卡瓦一般是兩片或三片卡瓦，采用梯形螺紋設(shè)計，將連續(xù)油管越卡越緊。

（二）速度管柱底部堵塞器

連續(xù)油管速度管柱需要用堵塞器對油管底部進行封堵，防止井內(nèi)氣體在速度管柱下放和安裝過程中侵入油管內(nèi)部，確保井控安全作業(yè)。堵塞器總成包括塞體、密封件、篩管等，堵塞器結(jié)構(gòu)。其工作原理是，當井內(nèi)壓力高于速度管柱內(nèi)壓力時，由于上接頭內(nèi)部臺階承載堵頭傳遞的壓力，堵頭剪切銷釘不受力，不會被剪斷（最高可承壓70MPa）;當速度管柱內(nèi)壓力高于井內(nèi)壓力并達到一定值時（正壓條件），一般堵塞器開啟壓差為2MPa，銷釘被剪斷（正壓剪切）堵頭被打掉，保證井底和速度管內(nèi)部連通。

經(jīng)過現(xiàn)場地面試驗，發(fā)現(xiàn)這類堵塞器存在設(shè)計缺陷，

（1）堵塞器開啟壓差測試為5.7MPa左右;（2）堵頭打入口袋內(nèi)，口袋內(nèi)沒有自鎖扣，來回抖動堵塞器發(fā)現(xiàn)堵頭會上移回堵。

四、延北項目完井現(xiàn)場應(yīng)用

（一）現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

針對產(chǎn)量遞減，2019年對4口井下入1.25”速度管，其中3口水平井，一口定向井，2020年截止到現(xiàn)在為止，已經(jīng)完成了8口井的1.5”速度管安裝，其中2口水平井，6口定向井。由表1可見，速度管井投產(chǎn)后，平均單井氣產(chǎn)量增加1.8萬方/天。

（二）發(fā)現(xiàn)問題

在現(xiàn)場速度管作業(yè)過程和后期開井生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)以下問題：

（1）安裝連續(xù)油管井口設(shè)備時，發(fā)現(xiàn)操作窗和防噴器的安裝順序不合適，井口正確安裝位置從下之上依次為懸掛器、防噴器、操作窗、防噴盒、注入頭。因為操作窗（見圖4-1）的密封是外筒和下座盤“O”圈起密封作用的，如果在下放過程中，這道密封失效，將會失去井控屏障。

（2）YB368-H0A井在6.12完成下入速度管，下深為3550m，6.15進行了氮氣氣舉作業(yè)，正循環(huán)氣舉，泵入液氮17.8方，燃燒池出口無液體和氮氣返出;然后從速度管側(cè)返排，返出少量氮氣，無液體返出;反循環(huán)氣舉，泵入液氮16方，出口無液體和氮氣返出。油壓0MPa，套壓11.5MPa。

對于像YB368-H0A井，此類井筒積液液位較高的井，要避免將速度管沉入積液太深。隨著速度管的沉沒深度（速度管管鞋以上液位的高度）增加，啟動時進入速度管中的液體越多，啟動越困難。研究表明，速度管沉入積液以下200m，速度管啟動壓力高達25MPa，小環(huán)空啟動壓力高達11.24MPa。

而且，發(fā)現(xiàn)速度管和小環(huán)空同時啟動，可最大程度降低啟動壓力。也在該井得到了驗證，該井后期通過油套互聯(lián)，油套同時生產(chǎn)，油壓1MPa，套壓12MPa，最終油套壓平衡為8.4MPa，正常生產(chǎn)，產(chǎn)量為5萬方/ 天。后期作業(yè)建議應(yīng)盡量避免單獨開啟速度管或小環(huán)空進行生產(chǎn)。

五、 結(jié)論與認識

1）基于Turner模型的優(yōu)化和修正，推導(dǎo)出低壓氣井的臨界攜液流量公式，對優(yōu)選合適的連續(xù)油管尺寸和確定下入深度提供了理論依據(jù)。

2）安裝速度管后，氣井產(chǎn)量明顯提高，并且較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，井底積液被帶出，證明速度管柱對延北區(qū)塊井排水采氣有明顯效果。

3）建議理論和實踐相結(jié)合，進一步優(yōu)化和修正，建立更加適合SCP延北項目區(qū)塊的理論模型，為日后速度管柱設(shè)計施工提供理論依據(jù);同時還要對速度管柱下入時機進行進一步研究。

參考文獻：

[1] Turner R G，Hubbard M G，Dukler A E.Analysis and prediction of minimum flow rate for the continuous removal of liquids from gas wells[J].Journal of Petroleum Technology，1969，21（11）：1475-1482.

[2] 趙彬彬，白曉弘，陳德見，等.速度管柱排水采氣效果評價 及應(yīng)用新領(lǐng)域[J].石油機械，2012，（11）：62-65.

[3] Belfroid S P C，Schiferli W，Alberts G J N，et al.Prediction onset and dynamic behavior of liquid loading gas wells[C]. SPE 115567，2008.