井下節(jié)流器在含硫氣井中的應(yīng)用

黃 霖 鄧 悟 鄭清平 萬 峰 謝 波 李 茜

1.中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦 2. 中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院

0 引言

高石梯氣田上震旦統(tǒng)燈影組氣藏區(qū)域構(gòu)造位置位于四川盆地中部川中古隆起平緩構(gòu)造區(qū)威遠(yuǎn)至龍女寺構(gòu)造群。儲(chǔ)層主要為一套穩(wěn)定的碳酸鹽巖沉積，主要產(chǎn)氣層段為燈二段、燈四段，氣藏類型為巖性—地層復(fù)合圈閉氣藏[1-3]。截至2019年12月底，高石梯區(qū)塊燈四段氣藏共完鉆井48口，產(chǎn)層中部壓力在56.6 MPa左右，平均地層溫度153.61 ℃，生產(chǎn)天然氣中H2S含量1.05%左右，CO2含量4.83%～8.16%。該氣藏屬于高溫、常壓、中含硫氣藏[4]。

目前，井下節(jié)流技術(shù)在常規(guī)氣藏氣井中已經(jīng)廣泛應(yīng)用并已取得了顯著效果[5-7]。由于中、高含硫氣井中，硫化氫等酸性流體對工具材質(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕性[8]以及井下垢物對井下節(jié)流器的工況影響，常規(guī)井下節(jié)流器的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)已不能直接應(yīng)用于中、高含硫氣井。隨著各地中、高含硫氣田陸續(xù)投入開發(fā)，為了能讓井下節(jié)流技術(shù)在中、高含硫氣藏的大范圍推廣應(yīng)用，中國石油西南油氣田分公司所屬蜀南氣礦與工程技術(shù)研究院聯(lián)合在蜀南地區(qū)高石梯氣田燈影組氣藏開展了11口井井下節(jié)流工藝應(yīng)用試驗(yàn)及效果評價(jià)工作，在抗硫井下節(jié)流器材質(zhì)優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、復(fù)雜井況下節(jié)流器應(yīng)用問題處理及維護(hù)方面取得了進(jìn)展。

1 井下節(jié)流器技術(shù)簡介

井下節(jié)流工藝技術(shù)是將節(jié)流嘴置于井下油管某一適當(dāng)位置，實(shí)現(xiàn)井下流體節(jié)流降壓的一種采油氣工藝技術(shù)[9-10]。它能充分利用地?zé)峒訙?，使?jié)流后天然氣氣流溫度高于節(jié)流后壓力條件下的水合物形成溫度，這樣既能防止井筒和地面管線水合物堵塞，又降低了地面管線的運(yùn)行壓力[11-13]，進(jìn)而達(dá)到取消地面節(jié)流降壓、加熱保溫裝置的目的。

1.1 井下節(jié)流原理

井下節(jié)流原理為噴嘴臨界流動(dòng)原理。即氣或氣水混合物穿越節(jié)流嘴的流動(dòng)屬于噴嘴流動(dòng)[14-18]，節(jié)流的目的是將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，以獲得流速的增加。上流壓力越高，孔喉越小，在下流得到的速度增量則越大。當(dāng)上、下流壓力之比達(dá)到某值時(shí)，流體穿越油嘴的流速將趨近于聲速，此時(shí)無論怎樣降低下流壓力，流速不再增加，并保持聲波或壓力波傳播速度，這就是所謂噴嘴的臨界流動(dòng)狀態(tài)[19-21]，其臨界流節(jié)流壓力比[22-23]∶

1.2 抗硫井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)參數(shù)

1.2.1 結(jié)構(gòu)

根據(jù)高石梯氣田燈影組氣藏高溫、高壓、中含硫等特點(diǎn)，并結(jié)合氣井配產(chǎn)要求與生產(chǎn)管柱實(shí)際，前期設(shè)計(jì)了GKJL65-70型固定式抗硫井下節(jié)流器，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.2 主要技術(shù)參數(shù)

GKJL65-70型固定式抗硫井下節(jié)流器的適用條件為油、氣、水混合液，且H2S含量≤150 g /m3,CL成分較低，少量出砂。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2.3 工作原理

該型節(jié)流器需與特定工作筒配合使用，氣井完井時(shí)工作筒與油管連接后下入井中，后期通過鋼絲作業(yè)將節(jié)流器坐放于預(yù)置工作筒內(nèi)。當(dāng)氣井需要調(diào)節(jié)產(chǎn)量時(shí)，則使用配套的打撈工具將節(jié)流器撈出，更換適當(dāng)孔徑的節(jié)流嘴后再重新下入節(jié)流器。

坐放與打撈：坐放時(shí)下壓打撈頭，帶動(dòng)芯軸下行撐開卡瓦，節(jié)流器固定在工作筒環(huán)槽內(nèi)；打撈時(shí)上提打撈頭，帶動(dòng)芯軸上行收回卡瓦，繼續(xù)上提打撈頭即可將節(jié)流器起出工作筒。

密封：在井內(nèi)高溫高壓環(huán)境下，節(jié)流器外部的密封組件膨脹，與工作筒密封面形成有效密封，流體僅能從節(jié)流嘴通過，從而實(shí)現(xiàn)井下節(jié)流。

節(jié)流器坐放與密封效果見圖2。

1.3 抗硫井下節(jié)流器材質(zhì)選取與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.3.1 節(jié)流器材質(zhì)選取

圖1 GKJL65-70型固定式抗硫井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 固定式抗硫井下節(jié)流器主要技術(shù)參數(shù)表

圖2 GKJL65-70型井下節(jié)流器坐放與密封示意圖

工具材質(zhì)選取參考標(biāo)準(zhǔn)ISO15156/ NACE MR 0175石油和天然氣生產(chǎn)中含H2S環(huán)境使用的材料標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮強(qiáng)度條件（抗拉強(qiáng)度、抗內(nèi)壓強(qiáng)度、硬度）和腐蝕條件（T=150℃，p總=70 MPa，pH2S=7.5 MPa，pCO2=5 MPa，Cl-=170 000 mg/L，），按表2中的檢測評價(jià)方案進(jìn)行材質(zhì)優(yōu)選[24-25]。

節(jié)流器及工作筒金屬材料選用材質(zhì)3YC7、3YC61、3YC51（718材質(zhì)）試驗(yàn)。最終確定抗硫節(jié)流器本體和工作筒選用3YC51合金、彈簧材料選用3YC7合金，節(jié)流嘴材料選用YG8硬質(zhì)合金。

密封件材料選用材質(zhì)KE-2、KE-3、KG-3、KLZ-1，KLZ-2進(jìn)行試驗(yàn)[26-28]。通過實(shí)驗(yàn)評價(jià)，KE-2、KE-3、KG-3橡膠材料均出現(xiàn)鼓泡，所以棄用。KLZ-1，KLZ-2橡膠材料試片表面光滑，且機(jī)械性能檢測KLZ-1強(qiáng)度最好，因此節(jié)流器密封件選用KLZ-1材質(zhì)。

1.3.2 節(jié)流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高石梯燈影組氣藏多數(shù)氣井在投產(chǎn)時(shí)便要求下入井下節(jié)流器，井下條件復(fù)雜，井內(nèi)臟物多，極易出現(xiàn)節(jié)流器打撈頭被掩埋的異常情況，影響后續(xù)節(jié)流器的打撈維護(hù)作業(yè)。針對這一問題，在保證打撈頭強(qiáng)度的情況下，泄砂孔由2個(gè)增至4個(gè)，同時(shí)增大泄砂孔（圖3）。泄砂孔總過流面積為原來的2.5倍，進(jìn)一步減小了打撈頭被掩埋的可能。

圖3 打撈頭泄砂孔優(yōu)化前后對比圖

初始設(shè)計(jì)中，密封件采用氟橡膠V形盤根與聚四氟乙烯V形盤根交替組合的方式。室內(nèi)試驗(yàn)表明，該密封方式在高溫高壓條件下密封可靠。但在高石梯燈影組氣藏的實(shí)際應(yīng)用中，由于氣井普遍產(chǎn)量大，井內(nèi)臟物較多，密封件長期在含雜質(zhì)的高壓氣體沖蝕下，出現(xiàn)了個(gè)別氟橡膠盤根斷脫的現(xiàn)象，密封失敗從而導(dǎo)致井下節(jié)流失效。針對這一問題，將密封件優(yōu)化為單一的聚四氟乙烯填料V形盤根組合（圖4），有效增強(qiáng)了密封件的耐沖蝕性與耐磨性，應(yīng)用氣井再未發(fā)生節(jié)流器密封失效現(xiàn)象。

圖4 密封件優(yōu)化前后對比圖

2 抗硫節(jié)流器現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)

在高石梯氣田燈影組氣藏井下節(jié)流器應(yīng)用、維護(hù)試驗(yàn)過程中，常遇到節(jié)流器打撈頭被掩埋、節(jié)流器密封件失效、工具串卡阻等問題，通過改進(jìn)打撈頭泄砂孔數(shù)目和過流面積、節(jié)流器密封件材質(zhì)、優(yōu)化工具串組合、優(yōu)選解堵劑等處理，可以克服這些困難。其中高石001-X24井遇到的復(fù)雜問題涵蓋了上述3個(gè)內(nèi)容。因此對高石001-X24井抗硫井下節(jié)流器現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹。

2.1 井的基本情況

高石001-X24井構(gòu)造位置位于高石梯潛伏構(gòu)造震旦系頂界高石1井區(qū)南高點(diǎn)東北翼，為一口開發(fā)大斜度井。該井于2017年7月5日開鉆，2018年2月1日完鉆，實(shí)際完鉆層位為燈四下亞段，完鉆井深6 045 m，垂深5 120.81 m，于造斜點(diǎn)井深4 364 m處套管完井，?88.9+?73 mm油管下入井深5 068.63 m，節(jié)流器工作筒下放位置2 199.7 m。

該井經(jīng)過射孔、酸化儲(chǔ)層改造措施后，在計(jì)算地層壓力56 MPa、穩(wěn)定油壓30 MPa條件下，測試獲氣35.64 104m3/d，H2S含量為5.254 g/m3，常規(guī)一點(diǎn)法計(jì)算無阻流量為58.27 104m3/d。

于2018年7月26日首次下入嘴徑5.1 mm的GKJL65-70型節(jié)流器，節(jié)流后產(chǎn)氣量12.17 104m3/d。2019年2月根據(jù)氣礦要求，該井調(diào)產(chǎn)至15 104m3/d，需起出先前下入節(jié)流嘴孔徑5.1 mm節(jié)流器，地面換裝5.8 mm節(jié)流嘴后，重新下入節(jié)流器。

高石梯氣田上震旦統(tǒng)燈影組氣藏已投產(chǎn)氣井普遍具有井下垢物類型多、量大、形態(tài)復(fù)雜的特點(diǎn)。經(jīng)過前期井下垢物取樣分析，垢樣成分主要為有機(jī)酸、飽和烷烴、樹脂、瀝青質(zhì)、硫化物、密封脂及其他無機(jī)物組成。這些垢物是在哪個(gè)作業(yè)階段或哪種工作液形成的，相關(guān)單位化驗(yàn)分析后，沒有得出結(jié)論。

2.2 井下節(jié)流器維護(hù)作業(yè)簡況

節(jié)流器打撈頭被掩埋：2019年2月27日，打撈工具下至2 196 m遇到節(jié)流器打撈頭，反復(fù)下探8次均未能撈住節(jié)流器打撈頭，上起工具串檢查，發(fā)現(xiàn)工具串上黏附大量的井下垢物，且震擊器不能收回，失去震擊功能，JDC打撈工具的內(nèi)腔因填塞了井下臟物打撈爪無法活動(dòng)。原因分析為井筒垢物太多，掩埋了節(jié)流器打撈頭（圖5）。

圖5 井筒垢物照片

節(jié)流器密封圈脫落：3月20日順利撈出了節(jié)流器。更換節(jié)流嘴后，重新座放工具。經(jīng)開井驗(yàn)證，開井后油壓節(jié)流不明顯，需要重新維護(hù)作業(yè)。3月21日，打撈工具串分別在井口下6 m、16 m、23 m處，遇軟阻現(xiàn)象，在封井器加注了少量乙二醇，軟阻現(xiàn)象緩解。撈起井下節(jié)流器檢查，發(fā)現(xiàn)節(jié)流器外密封下面的一道密封圈脫落（圖6），節(jié)流器卡瓦下部表面有明顯刮擦印痕。分析認(rèn)為上次鋼絲坐放作業(yè)過程中，工具串遇卡阻，反復(fù)上提下放導(dǎo)致密封件磨損掉落。

入井工具串卡阻：3月22日計(jì)劃重新下入井下節(jié)流器。第一次使用外徑67 mm通徑規(guī)通井，通井至14 m遇軟阻；第二次換為外徑較小的59.5 mm通井規(guī)通井，同時(shí)在封井器內(nèi)加注少量清洗液，通井工具串下放至16 m仍然遇軟阻，由于工具串無法下入，停止作業(yè)。通過現(xiàn)場分析，判斷堵塞未解除，再次注入清水及解堵劑，進(jìn)行浸泡解堵。3月29日通井順利；座放工具串下放順利；最后座放節(jié)流器成功。3月30日經(jīng)作業(yè)區(qū)開井驗(yàn)證，產(chǎn)量（15.09～15.39） 104m3/d，氣井穩(wěn)定生產(chǎn)，維護(hù)作業(yè)成功完成。統(tǒng)計(jì)至2019年8月，該井生產(chǎn)產(chǎn)量穩(wěn)定在（14～16） 104m3/d。生產(chǎn)實(shí)踐證明抗硫井下節(jié)流器性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 撈出后節(jié)流器密封圈脫落對比照片

3 含硫氣井井下節(jié)流推廣應(yīng)用建議

3.1 復(fù)雜井況下節(jié)流器井下問題診斷流程

通過在現(xiàn)場多口井作業(yè)及試驗(yàn)，在逐一解決上述問題的過程中，積累了經(jīng)驗(yàn)。對成功經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分析，初步形成了高石梯氣田燈影組氣藏井下節(jié)流器在復(fù)雜井況下井下問題診斷流程和相應(yīng)的解決方法：①堵卡因素分析判斷，根據(jù)儀器遇阻的位置、壓力、溫度、觀察現(xiàn)象、操作感知等綜合要素分析，初步判斷出堵卡原因，包括井口、井內(nèi)水合物、井內(nèi)垢物、入井工具串自身因素等形成的堵卡；②通過對應(yīng)方法解決或排除井口、井內(nèi)水合物、入井工具串等相對簡單的影響因素后，通過針對傳統(tǒng)的單腔室、向下單向取樣的垢物取樣器進(jìn)行改進(jìn)后，新研制一種雙腔室、上下雙向剮蹭快速取垢取樣器，進(jìn)行垢物取樣，提高了取垢效率；③垢物取樣后，委托專業(yè)單位進(jìn)行堵塞物或垢物成分分析；④根據(jù)垢物成分分析結(jié)果，再根據(jù)解堵劑的溶解性、成分、閃點(diǎn)、腐蝕性、使用環(huán)境要求等性能綜合指標(biāo)分析，優(yōu)選解堵劑；⑤進(jìn)行解堵作業(yè)，目前高石梯氣田燈影組氣藏已下入節(jié)流器的各井工作筒位于2 200～2 500 m，節(jié)流嘴前井溫為80℃～100℃，從試用效果及安全角度綜合考慮，優(yōu)選出油污清潔解堵劑作為現(xiàn)場施工使用的解堵劑。

具體詳細(xì)分析判斷過程見圖7。

3.2 井下節(jié)流器應(yīng)用優(yōu)化方案

圖7 井下問題診斷流程圖

針對高石梯氣田燈影組氣藏的投產(chǎn)氣井普遍具有井下垢物類型多、量大、形態(tài)復(fù)雜的井下節(jié)流器應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，并結(jié)合該氣藏新區(qū)需要加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測和試井資料錄取需求，提出井下節(jié)流器應(yīng)用優(yōu)化方案。

1）儲(chǔ)層、井筒凈化試生產(chǎn)：針對投產(chǎn)時(shí)便要求下入井下節(jié)流器的現(xiàn)狀，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，井下節(jié)流器首次座放時(shí)，是井最臟的階段，也是井下節(jié)流器應(yīng)用環(huán)境最差、遇到問題最多階段。同時(shí)，先期下入井下節(jié)流器也將影響氣井早期動(dòng)態(tài)監(jiān)測和試井資料錄取工作。建議在條件允許下，投產(chǎn)初期增加儲(chǔ)層、井筒凈化為目標(biāo)的試生產(chǎn)或試采環(huán)節(jié)，井下垢物減少后，再下入井下節(jié)流器。開展氣藏工程研究，可充分利用該窗口期，開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測和試井資料錄取工作。

2）井筒清潔：進(jìn)入井下節(jié)流器下入施工階段，施工前，做好井筒垢物取樣、化學(xué)除垢或機(jī)械除垢等井筒清潔工作。

3）維護(hù)頻率：下入井下節(jié)流器后，初期加大維護(hù)頻率，每季度維護(hù)一次；后期視井筒清潔程度6～12月維護(hù)一次。

4）工具串組合改進(jìn)：現(xiàn)有井下節(jié)流器入井工具串組合為震擊器+打撈頭模式，建議改為震擊器+垢物取樣裝置+打撈頭模式，便于震擊器上的附著物或臟物進(jìn)入取樣裝置，提高震擊器的震擊效果。

3.3 抗硫井下節(jié)流器應(yīng)用效果

截至2019年12月，先后在高石梯氣田燈影組氣藏高石001-X23井、高石001-X24井、高石001-X30井、高石001-H26井等11口井開展了17井次節(jié)流器維護(hù)應(yīng)用試驗(yàn)，應(yīng)用井中最高硫化氫含量20.6 g/m3。通過井下節(jié)流器應(yīng)用優(yōu)化方案開展，井下節(jié)流器相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)和配產(chǎn)任務(wù)要求，降壓效果明顯，最高節(jié)流壓差37 MPa；生產(chǎn)管線無水合物形成，后續(xù)節(jié)流器維護(hù)正常。當(dāng)年節(jié)約場站地面裝置投資約1 650萬元以上，井下節(jié)流器氣井年產(chǎn)氣量達(dá)5.2 108m3。具體應(yīng)用效果如表3。

4 結(jié)論

1）針對高石梯氣田燈影組氣藏高溫、高壓、中含硫等特點(diǎn)與實(shí)際生產(chǎn)管柱情況，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材質(zhì)優(yōu)選，開發(fā)了GKJL65-70型固定式抗硫井下節(jié)流器。該節(jié)流器的打撈頭泄砂孔由2個(gè)增至4個(gè)，同時(shí)增大泄砂孔過流面積，改善了節(jié)流器打撈頭被掩埋的異常情況；密封組件優(yōu)化為單一的聚四氟乙烯填料V形盤根，進(jìn)一步提高了耐沖蝕性與耐磨性。

2）現(xiàn)場應(yīng)用表明，該節(jié)流器性能穩(wěn)定，可靠性高，節(jié)流降壓效果明顯，生產(chǎn)管線無水合物形成，節(jié)流器定期維護(hù)正常。

3）形成了適合高石梯氣田燈影組氣藏復(fù)雜井況下的節(jié)流器問題診斷流程，可規(guī)避或解決現(xiàn)場施工作業(yè)中遇到的各類問題。

4）針對高石梯氣田燈影組氣藏的投產(chǎn)氣井普遍具有井下垢物類型多、量大、形態(tài)復(fù)雜的環(huán)境特點(diǎn)，建立了井下節(jié)流器應(yīng)用優(yōu)化方案，對井下節(jié)流器最佳下入時(shí)機(jī)、井筒清潔要求、節(jié)流器維護(hù)頻率及工具串組合進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。應(yīng)用結(jié)果表明氣井均達(dá)到設(shè)計(jì)與配產(chǎn)任務(wù)要求，同時(shí)大大節(jié)約了場站地面裝置投資。

表3 高石梯氣田燈影組氣藏抗硫井下節(jié)流器現(xiàn)場應(yīng)用效果匯總表