超高壓氣井井下節(jié)流技術應用和設計方法

于 洋 王威林 彭 楊 譚 昊 董宗豪 周 瑋

中國石油西南油氣田公司工程技術研究院, 四川 成都 610017

0 前言

天然氣井下節(jié)流技術是將地面節(jié)流移至井下適當位置,使其在實現(xiàn)井筒節(jié)流降壓的同時,充分利用地溫對節(jié)流后的天然氣進行加熱,達到防止水合物生成的目的,目前已成為一種有效的天然氣開采方式。與地面節(jié)流工藝相比,井下節(jié)流工藝不僅施工作業(yè)相對簡單,而且大大減少了對地面水套爐的投資建設,節(jié)約了單井生產成本。井下節(jié)流技術已經在我國遼河、四川、長慶、華北和大慶等油氣田得到了較為成功的應用。英國北海、墨西哥灣的多口高溫高壓氣井已經成功采用,說明井下節(jié)流技術具有廣泛的應用前景[1-5]。

隨著天然氣勘探開發(fā)的深入,超高壓氣井越來越多,地層壓力高達130 MPa。目前的超高壓氣井多采用地面井口加熱、多級節(jié)流的集輸工藝[6]。在生產過程中存在如下問題:井口壓力高,地面節(jié)流工藝及流程復雜,存在安全隱患;每次開關井各級均需人員操作,現(xiàn)場生產組織及開關井操作不便;在節(jié)流過程中各級壓力、流量分配不合理,當天然氣的溫度低于對應壓力下水合物生成溫度時,極易在井口、節(jié)流管匯及地面集輸流程形成水合物,造成設備損壞[7-13]。

超高壓氣井井下節(jié)流壓差大(80～100 MPa),現(xiàn)有井下節(jié)流器的最大節(jié)流壓差為70 MPa,不能滿足生產要求。因此開展超高壓氣井雙級節(jié)流方案的研究尤為重要,有必要從井下節(jié)流技術的理論入手,對超高壓氣井雙級節(jié)流方案的可實施性進行論證。

1 管流與嘴流模型

井下節(jié)流設計基于節(jié)流壓降模型和節(jié)流溫降模型進行設計。

1.1 節(jié)流壓降模型

臨界流是指流體在油嘴孔道里被加速到聲速時的流動狀態(tài)。在臨界狀態(tài)下,油嘴下游壓力變化對氣井產量沒有影響。相對密度為0.6的天然氣,當節(jié)流后壓力與節(jié)流前壓力之比小于0.546時,為臨界流,否則為亞臨界流[14-15]。

對于亞臨界流狀態(tài),氣嘴直徑直接按式(1)計算:

(1)

對于臨界流,氣嘴直徑按式(2)計算:

(2)

1.2 節(jié)流溫降模型

當單位質量氣體穩(wěn)定流動時,能量守恒方程為:

(3)

2 雙級節(jié)流器設計思路

雙級節(jié)流因為存在兩次降壓降溫過程,設計時需考慮以下三點:

1)兩個節(jié)流油嘴如何分配整個節(jié)流壓差,首選節(jié)流壓降等分的設計方案。

2)兩個節(jié)流油嘴之間的距離,可根據(jù)溫度恢復度來確定兩個節(jié)流油嘴之間的距離,保證節(jié)流后的溫度高于對應壓力條件下水合物的生成溫度。

3)兩個節(jié)流油嘴尺寸相互之間的影響,考慮兩個節(jié)流油嘴尺寸的差異是否會導致另一個節(jié)流油嘴失效[16-18]。兩個節(jié)流油嘴示意圖見圖1,兩個節(jié)流油嘴深度設計步驟見圖2。

圖1 兩個節(jié)流油嘴示意圖Fig.1 Schematic diagram of the doubling throttle nozzles

圖2 兩個節(jié)流油嘴深度設計步驟圖Fig.2 In-depth design steps of the doubling throttle nozzles

3 雙級節(jié)流論證

以超高壓含硫氣井ST 10井為例建立模型,氣井基本參數(shù)如下:井深7 640.88 m,地層壓力131 MPa,地層溫度157.46 ℃,配產15×104m3/d,地面采氣集輸系統(tǒng)的壓力約為10 MPa。

3.1 井下+地面雙級節(jié)流

采用井下節(jié)流器配以地面“安全”油嘴的做法,主要是用井下小尺寸節(jié)流器控制產量,用地面大尺寸油嘴保障場站的安全[19-20]。節(jié)流器設計下入深度1 800 m,井下+地面雙級節(jié)流設計結果見表1,在配產15×104m3/d的條件下,井下一級節(jié)流后,地面仍有44.5 MPa的節(jié)流壓差,導致地面節(jié)流溫降較大,地面節(jié)流后溫度明顯低于地面水合物生成溫度。于是考慮增大產氣量,重新進行設計,找出“臨界”產量。當產氣量低于52×104m3/d時,地面節(jié)流后溫度仍低于地面水合物生成溫度,地面須配備水套爐。當產氣量高于52×104m3/d時,地面節(jié)流后溫度高于地面水合物生成溫度,不需要額外配備水套爐。

3.2 井下雙級節(jié)流

以ST 10井為例,配產為15×104m3/d,以兩個節(jié)流器平均分配整個節(jié)流壓差為原則,根據(jù)雙級節(jié)流設計方法,第一級、第二級節(jié)流器位置分別安裝在2 800 m、2 400 m。兩級節(jié)流器尺寸接近,確保兩個節(jié)流器所承受的壓差均不超過70 MPa。從表2井下雙級節(jié)流設計結果和圖3、圖4井下雙級節(jié)流井筒壓力、溫度分布圖可以看出,第一級節(jié)流前后溫度變化較小,第二級節(jié)流后溫度降低,隨著不斷從地層吸收熱量,井筒溫度逐漸升高。兩級節(jié)流后的溫度均高于水合物生成溫度,井筒內不會生成水合物。采用上述雙級節(jié)流方案,井口溫度為27.3 ℃(>地面生成水合物溫度14.3 ℃),井口也不會生成水合物。因此,ST 10井采用井下雙級節(jié)流方案可行。

表1 井下+地面雙級節(jié)流設計結果表

表2 井下雙級節(jié)流設計結果表

圖3 井下雙級節(jié)流井筒壓力分布圖Fig.3 Pressure distribution of underground two-stage throttling downhole

圖4 井下雙級節(jié)流井筒溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution of underground two-stage throttling downhole

4 雙級節(jié)流油嘴尺寸對節(jié)流的影響

井下下入兩個節(jié)流油嘴,考察兩個節(jié)流油嘴尺寸的差異是否會導致其中一個節(jié)流油嘴失效。通過合理的設計,是否可以起到兩級節(jié)流的作用。對比“下大上小”和“下小上大”兩種技術方案。

考察當?shù)诙?較淺)節(jié)流油嘴尺寸小于第一級(較深)節(jié)流油嘴尺寸,第一級(較深)節(jié)流油嘴是否還有節(jié)流作用。對比以下兩種組合方式,計算不同節(jié)流油嘴尺寸組合的節(jié)流壓差的變化情況。

1)第一組產氣量15×104m3/d,在第二級節(jié)流油嘴尺寸保持不變的條件下,逐步增大第一級節(jié)流油嘴尺寸。

2)第二組產氣量10×104m3/d,在第一級節(jié)流油嘴尺寸保持不變的條件下,逐步減小第二級節(jié)流油嘴尺寸。

表3～4為不同兩級節(jié)流油嘴尺寸組合節(jié)流壓降變化表,計算結果表明,在第二級節(jié)流油嘴尺寸小于第一級節(jié)流油嘴尺寸,第一級節(jié)流油嘴仍具有節(jié)流作用,且隨第一級節(jié)流油嘴尺寸的增大,第一級節(jié)流壓差降低。圖5為節(jié)流壓差變化趨勢,當?shù)谝患壒?jié)流油嘴尺寸保持不變的條件下,第二級節(jié)流油嘴從5.5 mm縮小至3.8 mm,第一級節(jié)流壓差受影響較小,保持在9 MPa,圖6為節(jié)流壓差變化趨勢?？梢?第一節(jié)節(jié)流壓差不受第二級節(jié)流油嘴尺寸變化的影響。

當?shù)谝患壒?jié)流油嘴尺寸5 mm,第二級節(jié)流油嘴尺寸5.5 mm時,即“下小上大”的節(jié)流方案,一、二級節(jié)流壓降的比例接近1∶1,可確保第一級節(jié)流長期有效,且小直徑節(jié)流油嘴的位置可確保氣井流量順利通過大直徑的二級節(jié)流油嘴。而“下大上小”的節(jié)流方案,當?shù)谝患壒?jié)流油嘴尺寸大于第二級節(jié)流油嘴尺寸1 mm時,隨著產氣量的降低,第一級節(jié)流壓差占節(jié)流總壓降的比例也從30.6%下降到22.7%,當產量繼續(xù)減低時,該級節(jié)流將會失效轉為一級節(jié)流。

表3 不同節(jié)流油嘴尺寸組合節(jié)流壓降變化表(產氣量15×104 m3/d,第二級節(jié)流油嘴尺寸5.5 mm)

表4 不同節(jié)流油嘴尺寸組合節(jié)流壓降變化表(產氣量10×104 m3/d,第一級節(jié)流油嘴尺寸5 mm)

圖5 節(jié)流壓差變化圖(產氣量15×104 m3/d,第二級節(jié)流油嘴尺寸5.5 mm)Fig.5 Throttling pressure difference(gas production=15×104 m3/d,second-stage throttling nozzle size=5.5 mm)

圖6 節(jié)流壓差變化圖(產氣量10×104 m3/d,第一級節(jié)流油嘴尺寸5 mm)Fig.6 Throttling pressure difference(gas production=10×104 m3/d,first-stage throttling nozzle size=5.5 mm)

5 結論

1)超高壓氣井采用井下+地面雙級節(jié)流方案,存在一個“臨界”產量,在配產低于“臨界”產量時,在生產過程中地面會生成水合物,需配備水套爐。在配產高于“臨界”產量時,在生產過程中地面不會生成水合物,地面不需要額外配備水套爐。

2)超高壓氣井井下雙級節(jié)流方案,井筒和井口均不會生成水合物,井下雙級節(jié)流方案可行,這種方案可降低氣井投資,減化地面流程,為川渝地區(qū)安全生產發(fā)揮積極作用。

3)采用提出的設計原則和方法,通過合理的井下節(jié)流設計,產量較低時可采用井下雙級節(jié)流,產量較高時,可采用井下+地面雙級節(jié)流。

4)井下安裝兩個節(jié)流油嘴都有節(jié)流的作用,更推薦“下小上大”的雙級節(jié)流方案,確保氣井流量順利通過上部油嘴,兩級節(jié)流壓降比接近1∶1,兩級節(jié)流油嘴的間距設計根據(jù)節(jié)流后溫度應高于節(jié)流油嘴后的壓力所對應的水合物生成溫度為依據(jù),完善了井下雙級節(jié)流技術方案,為超高壓氣井井下節(jié)流技術現(xiàn)場應用提供理論依據(jù)。