節(jié)流測(cè)壓一體式井下節(jié)流器

劉 凱，方惠軍，馬 勇，張曉明，劉中桂，劉印華

（1.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院，陜西西安 710068；2.北京金科龍石油技術(shù)開發(fā)有限公司研發(fā)中心，北京 102200）

傳統(tǒng)井下節(jié)流工藝主要存在投資大、工藝復(fù)雜、耗能高、聲噪大、不利于安全生產(chǎn)和日常管理等弊端[1]。為此，以“簡(jiǎn)化流程、降低噪聲、節(jié)約投資、方便管理”為目的，研發(fā)并推廣使用井下節(jié)流器工藝技術(shù)，把大地作為熱能交換場(chǎng)所，使天然氣吸熱、膨脹過(guò)程在地下完成，從而實(shí)現(xiàn)在無(wú)地面水套爐加熱情況下，仍可保證氣體溫度，低壓輸氣，從而達(dá)到節(jié)能降耗、安全、環(huán)保的效果。

王曉容等[2]針對(duì)現(xiàn)有井下節(jié)流器存在坐封不嚴(yán)、不易打撈及失效率較高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)流器。這種節(jié)流器采用活塞坐封，比彈簧坐封更加嚴(yán)密；肩部增設(shè)保護(hù)環(huán)，防止膠筒撕裂；配套了新型防砂篩管，可實(shí)現(xiàn)有效防砂。張雄兵等[3]針對(duì)井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、投撈施工及井況等綜合因素，分析了井下節(jié)流器失效原因，并采取相對(duì)應(yīng)的措施來(lái)減少節(jié)流器的失效率，以提高氣井的開采時(shí)率，達(dá)到持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的目的。設(shè)計(jì)出的活動(dòng)型新型井下節(jié)流器采用鋼絲作業(yè)進(jìn)行投撈，當(dāng)節(jié)流器下放到設(shè)定深度時(shí)，上提使解鎖軸上移張開，卡瓦咬合在油管內(nèi)壁上，然后再緩慢下放。當(dāng)張力小于50 kg時(shí)，加速上提，剪斷連接銷釘，密封膠筒被撐開坐封，實(shí)現(xiàn)以彈簧和氣流壓差逐級(jí)兩級(jí)膠筒密封。而節(jié)流嘴上、下形成一定的壓差促使節(jié)流器坐封牢靠。打撈時(shí)，打撈工具抓住節(jié)流器打撈頭后，密封膠筒收縮，卡瓦松開，上提即可起出節(jié)流器。胡丹等[4]針對(duì)川西氣田前期井下節(jié)流器在使用過(guò)程中存在打撈困難和打撈成功率較低的問(wèn)題，研制了新型活動(dòng)式井下節(jié)流器。對(duì)整體式卡瓦、帶復(fù)位功能的膠筒、彈簧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。使得該工具長(zhǎng)度短、外徑小、丟手、卡掛、密封可靠，打撈成功率高。

綜合上述研究人員的研究成果，再對(duì)井下節(jié)流器展開進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，井下節(jié)流器在氣井壓力有所變化的情況下，為提高氣井產(chǎn)量，想要更換氣嘴時(shí)，需要將節(jié)流器解封打撈出井更換安裝有不同孔徑氣嘴的節(jié)流器，之后再次重復(fù)節(jié)流器坐封的工作；另一方面，采用井下節(jié)流的方法采氣，井下的壓力對(duì)氣井的產(chǎn)量起著重要作用，尤其煤層氣的產(chǎn)量低。為提高氣井產(chǎn)量，常規(guī)的做法是將節(jié)流器打撈出井，再單獨(dú)下放壓力計(jì)測(cè)井壓，從而根據(jù)氣井壓力，更換不同氣嘴的節(jié)流器。工作過(guò)程繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且成本高。

由此，設(shè)計(jì)出節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器。此節(jié)流器本體只需投入井內(nèi)坐封一次，更換氣嘴和采集壓力數(shù)據(jù)是將節(jié)流器本體內(nèi)的堵塞器打撈出，之后更換堵塞器內(nèi)的氣嘴，電腦軟件讀取堵塞器內(nèi)部的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，省去更換節(jié)流器的費(fèi)用和單獨(dú)下放壓力計(jì)的步驟。

1 研制背景

從設(shè)計(jì)依據(jù)和開發(fā)的必要性兩方面著手進(jìn)行節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器的研制。

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

井下節(jié)流器是氣井使用很廣泛的井下控制工具，主要在生產(chǎn)油管內(nèi)使用。其工作原理是利用井下節(jié)流降壓，不需要安裝加熱爐[5]，充分利用地溫對(duì)節(jié)流后的氣體進(jìn)行加熱，使節(jié)流后氣流溫度能恢復(fù)到節(jié)流前溫度，增加氣井的攜液能力。同時(shí)節(jié)流器有效的解決了在生產(chǎn)過(guò)程中地面管線及設(shè)備凍堵問(wèn)題，且能更好的控制地層壓力及產(chǎn)量，降低地面設(shè)備投入。通過(guò)參考前人設(shè)計(jì)的井下節(jié)流器[6-10]，再根據(jù)市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)開發(fā)出節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器。其特點(diǎn)是:在滿足正常節(jié)流功能的前提下，將節(jié)流與壓力測(cè)試設(shè)計(jì)成一體，通過(guò)鋼絲投撈作業(yè)坐于之前已經(jīng)坐封在井下的節(jié)流器本體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)不用更換節(jié)流器即可更換氣嘴、不用單獨(dú)下放壓力計(jì)即可測(cè)試井中壓力的目的。

1.2 開發(fā)的必要性

油氣資源是重要的能源礦產(chǎn)和戰(zhàn)略性資源，20 世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)圍繞石油資源而展開的戰(zhàn)爭(zhēng)越來(lái)越頻繁。我國(guó)的油氣資源相對(duì)不足，特別是近期的產(chǎn)能仍不能滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要。因此供需形式和接替資源的發(fā)展與開發(fā)利用直接影響著國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全和社會(huì)穩(wěn)定，關(guān)系著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和全面小康社會(huì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[11，12]。中國(guó)煤層氣資源豐富，可以作為天然氣有效的補(bǔ)充。但是近年來(lái)，煤層氣的勘探、開發(fā)及后期評(píng)價(jià)等方面取得了很大的進(jìn)展同時(shí)也面臨著地質(zhì)和技術(shù)的挑戰(zhàn)，新的研究課題不斷出現(xiàn)[13，14]。對(duì)于常規(guī)的節(jié)流器，只能起到單獨(dú)的節(jié)流作用，更換節(jié)流器費(fèi)力、成本較高且功能單一。針對(duì)常規(guī)節(jié)流器的這些弊端，節(jié)流測(cè)壓一體式井下節(jié)流器的開發(fā)解決了上述問(wèn)題，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)實(shí)用、簡(jiǎn)單高效的目的。

圖1 節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器示意圖

2 節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器的開發(fā)

節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器的開發(fā)主要包括節(jié)流器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和與其配套的堵塞器壓力計(jì)開發(fā)。

高校第二課堂是第一課堂的補(bǔ)充，它不受時(shí)間和空間的限制，具備多種形式,成為素質(zhì)發(fā)展、創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)和實(shí)踐能力提升的重要載體，正是由于第二課堂教學(xué)的靈活性和新穎性,使其越來(lái)越受到高校的重視。

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器非常規(guī)的一體式節(jié)流器。該節(jié)流器由節(jié)流器本體與堵塞器兩部分組成（見圖1）?？紤]在使用過(guò)程中可能會(huì)有砂粒進(jìn)入節(jié)流器內(nèi)部，導(dǎo)致節(jié)流器無(wú)法正常坐封或解封，由此在節(jié)流器導(dǎo)向頭上增加了防砂結(jié)構(gòu)。從圖2 中可以看出，封隔器的導(dǎo)向頭上開了許多的細(xì)長(zhǎng)槽，這些槽相當(dāng)于濾網(wǎng)，氣體進(jìn)入節(jié)流器前先經(jīng)過(guò)導(dǎo)向頭上的槽將氣體進(jìn)行過(guò)濾，可以有效的防止砂粒進(jìn)入。

圖2 導(dǎo)向頭

節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器在投放時(shí)，先將工具連接好。工具下放到接近設(shè)計(jì)位置時(shí)，快速下放工具串，將封隔器初封，卡瓦咬合在油管內(nèi)壁，之后通過(guò)震擊器重復(fù)震擊至節(jié)流器與釋放頭脫開為止，封隔器坐封。接著將安裝有氣嘴和壓力計(jì)的堵塞器通過(guò)投撈工具投放到井下坐封的封隔器中。堵塞器投放在封隔器內(nèi)（見圖3），此時(shí)的狀態(tài)為節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器在井下工作的狀態(tài)。通過(guò)上提鋼絲將堵塞器釋放頭與堵塞器脫開。當(dāng)需要更換不同規(guī)格的氣嘴或讀取井下的壓力數(shù)據(jù)時(shí)，利用堵塞器打撈工具將堵塞器打撈出井，拆開堵塞器，更換氣嘴或通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線，一端連接堵塞器壓力計(jì)，另一端連接電腦，利用與壓力計(jì)配套軟件讀取壓力計(jì)記錄的數(shù)據(jù)即可。

圖3 堵塞器投放到封隔器中示意圖

2.1.1 井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù) 最大外徑:46 mm；最小通徑:11 mm；總長(zhǎng)度:950 mm；工作壓力:25 MPa；工作溫度:120 ℃；防頂力:70～120 kN；解封力:200～400 N。

2.2 堵塞器壓力計(jì)研發(fā)

堵塞器壓力計(jì)的研發(fā)分兩部分:（1）安裝在堵塞器內(nèi)部的壓力傳感器、電池和電路板；（2）用于讀取壓力計(jì)記錄數(shù)據(jù)的電腦軟件。

堵塞器壓力計(jì)功能參數(shù):壓力測(cè)試范圍:0～60 MPa；溫度測(cè)試范圍:0～150 ℃；存儲(chǔ)容量:≥100 萬(wàn)個(gè)；分辨率:0.001 精度0.1%FS；分步長(zhǎng)值:可隨用戶調(diào)整設(shè)置。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與性能對(duì)比

現(xiàn)在市場(chǎng)上的節(jié)流器種類有很多。例如后置式節(jié)流器、抽桿式節(jié)流器、免鋼絲投撈節(jié)流器等。根據(jù)氣井所在地地質(zhì)的不同，分別在現(xiàn)場(chǎng)得到了很好的應(yīng)用。

3.1 市場(chǎng)上常規(guī)節(jié)流器應(yīng)用

四川油氣田天然氣資源豐富，探明率低、可采資源量大。但四川碳酸鹽巖氣藏的特點(diǎn)是高陡構(gòu)造多、斷層多，裂縫溶洞發(fā)育，多產(chǎn)層、多壓力，儲(chǔ)層埋深一般都在4 000 m 以上[15]，復(fù)雜地質(zhì)條件下，采氣工藝復(fù)雜，同時(shí)井漏頻繁。

抽桿式活動(dòng)型井下節(jié)流器在以上幾口井中應(yīng)用情況良好，下入節(jié)流器后井口壓力有效降低，天然氣產(chǎn)量明顯增加；且在打撈和坐封過(guò)程中都很順利。

蘇里格氣田具有低滲透、低產(chǎn)能的特點(diǎn)，在降壓生產(chǎn)中井筒和地面節(jié)流過(guò)程有可能形成水合物，造成管道堵塞而給氣井生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重危害。當(dāng)?shù)貧馓飭尉a(chǎn)量小、井口氣流溫度低，井筒易形成水合物；地面環(huán)境溫度低，冬季環(huán)境溫度最低達(dá)-30 ℃[17]。

根據(jù)蘇里格的地質(zhì)情況采用免鋼絲打撈井下節(jié)流器。該節(jié)流器采用預(yù)置工作筒式結(jié)構(gòu)，投送時(shí)用井口投送捕捉器直接將節(jié)流器芯子投入井中，依靠節(jié)流器芯子自身的質(zhì)量下行，最終進(jìn)入工作筒并鎖定在工作筒內(nèi)。打撈時(shí)從井口將打撈器投入井中，當(dāng)打撈器與節(jié)流器芯子對(duì)接后，利用井內(nèi)天然氣上升氣流的能量使打撈器帶動(dòng)節(jié)流器一起到達(dá)井口，由井口投送捕捉器捕捉完成節(jié)流器的打撈。

該工具于2009 年11 月在蘇里格75 區(qū)塊進(jìn)行了2 口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。蘇75-67-4 井作業(yè)，通井后將帶有節(jié)流器芯子的投送捕捉器安裝在采氣樹最上面的油管閥門上，然后打開所有油管閥門，旋轉(zhuǎn)投送捕捉器上面的釋放手柄，將節(jié)流器芯子投入井下。正常生產(chǎn)3 d 后將裝有打撈器的投送捕捉器安裝在采氣樹最上面的油管閥門上，然后打開所有油管閥門，旋轉(zhuǎn)投送捕捉器上面的釋放手柄，將打撈器投入井下。經(jīng)過(guò)47 min，打撈器攜帶著井下節(jié)流器芯子到達(dá)井口，并被投送捕捉器捕捉，完成節(jié)流器的打撈[18]。具體施工參數(shù)（見表2）。

表1 抽桿式活動(dòng)型井下節(jié)流器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.2 節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2017 年4 月在大吉7-9 向2 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。大吉7-9 向2 井是一口51/2（φ139.7×9.17）套管井，油管是27/8（N-80 EUE）油管，人工井底2 305.28 m，生產(chǎn)層位2 184.0～2 259.0 m，油管下深2 179.3 m；采氣樹規(guī)格:KQ78/70，完井管柱結(jié)構(gòu)（見圖4）。

圖4 大吉7-9 向2 井完井管柱結(jié)構(gòu)示意圖

吉7-9 向2 井位于山西省臨汾市大寧縣曲峨鎮(zhèn)布業(yè)村西部。該井于2015 年8 月完鉆，油補(bǔ)位5.01 m，表套244.5×8.61×556.44 m，氣嘴139.7×9.17×2 329.6 m，且該井為傾角5°～10°的單斜構(gòu)造，其中發(fā)育有寬緩的褶曲和斷裂構(gòu)造，只是地層傾角局部達(dá)10°以上。該區(qū)發(fā)育有斷距較大的斷層、陷落柱和沖刷帶薄煤區(qū)。此外該區(qū)塊煤層的外生節(jié)理異常發(fā)育，外生節(jié)理的線密度可達(dá)到10 條/米，大部分呈密集帶發(fā)育，斷層與密集發(fā)育的節(jié)理導(dǎo)致煤層厚度在很短距離內(nèi)發(fā)生明顯的改變，煤層的機(jī)械強(qiáng)度明顯降低。

地下水在運(yùn)移的過(guò)程中將攜帶淺部或異地的煤層氣向滯留區(qū)運(yùn)移，因此弱徑流區(qū)、滯留區(qū)是煤層氣富集的有利區(qū)域，而布業(yè)村區(qū)塊位于接近地下水弱徑流區(qū)、滯留區(qū)和強(qiáng)徑流區(qū)交界處，從水文地質(zhì)條件看布業(yè)村區(qū)塊東部位于強(qiáng)徑流區(qū)，西部位于弱徑流區(qū)、滯留區(qū)，因此從煤層氣保存條件分析，布業(yè)村西部有利于煤層氣富集，具有一定的煤層氣開發(fā)潛力。但布業(yè)村區(qū)塊煤系儲(chǔ)水層為致密灰?guī)r、致密砂巖和煤層，區(qū)塊構(gòu)造比較復(fù)雜，加之水動(dòng)力的影響，這些煤層氣的保存也有一定的負(fù)面影響。

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)使用節(jié)流器后參數(shù) 2017 年4 月12 日在大吉7-9 向2 井開始了實(shí)地測(cè)試，期間經(jīng)過(guò)通井、節(jié)流器安裝及調(diào)試、節(jié)流器投放，最終坐封在2 049.5 m處。之后節(jié)流器在井中正常工作10 d，期間多次打撈堵塞器，并進(jìn)行井內(nèi)壓力測(cè)試，一切正常。在節(jié)流器工作15 d 后，將節(jié)流器解封，打撈出井外，節(jié)流器無(wú)砂卡，解封正常，膠筒只是有輕微劃傷。節(jié)流器在井下工作時(shí)間內(nèi)使用情況（見表3）。

通過(guò)表3 可以清晰的看到大吉7-9 向2 井在使用節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器后，雖然其地質(zhì)條件復(fù)雜，產(chǎn)氣量少，但采氣量還是有明顯的改善。其中原因是因?yàn)楣?jié)流測(cè)壓一體化節(jié)流器能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)井中的壓力，根據(jù)氣井中壓力的改變而更換不同口徑的氣嘴，使產(chǎn)氣量時(shí)刻保持在最大量。

3.2.2 井下節(jié)流器技術(shù)參數(shù) HLJ57 節(jié)流器技術(shù)參數(shù)如下:總長(zhǎng):950 mm；外徑:φ57 mm；耐壓:25 MPa；耐溫:120 ℃；使用油管:φ62 mm；投放深度:2 045～2 055 m；具防砂功能、耐腐蝕性、可打撈。

表2 井下節(jié)流器投送、打撈試驗(yàn)情況

表3 節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器現(xiàn)場(chǎng)使用情況

HLJ57 節(jié)流器配套堵塞器參數(shù)如下:總長(zhǎng):397 mm；最大外徑:30.5 mm；耐壓:25 MPa；耐溫:120 ℃；工具可打撈。

3.3 節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器與常規(guī)節(jié)流器比較

市場(chǎng)上常規(guī)的節(jié)流器在天然氣井上得到了很好的應(yīng)用，但是由于煤層氣藏與常規(guī)天然氣藏地質(zhì)及開采特征的差異，使得節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器較常規(guī)節(jié)流器有著更優(yōu)益的效果。

煤層氣與常規(guī)天然氣具有不同巖石成分。常規(guī)天然氣的巖層成分是礦物質(zhì)，而煤層氣是由有機(jī)殘?jiān)?jīng)過(guò)化學(xué)蝕變和熱蝕變所形成的富碳物質(zhì)。煤層氣是以甲烷為主要的礦產(chǎn)，是在煤化作用過(guò)程中形成，儲(chǔ)層在每層及其鄰近巖層中的非常規(guī)天然氣。對(duì)于常規(guī)儲(chǔ)層，僅僅是天然氣的儲(chǔ)集層，而煤層不僅是煤層氣的源巖，也是煤層氣的儲(chǔ)集層[19，20]。煤層氣地質(zhì)特征就使得節(jié)流器很難坐封，且要求很高的密封性。如果采用常規(guī)的節(jié)流器，要想保證高效的采氣效果，必須經(jīng)常將節(jié)流器打撈上來(lái)?yè)Q不同口徑的節(jié)流器，再放到井下坐封。而使用節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器就相對(duì)容易的多。其工作原理是將節(jié)流器本體先坐封在井下，之后更換不同口徑的氣嘴，只需將投擲在節(jié)流器本體內(nèi)部的堵塞器打撈出即可。有效的避免了節(jié)流器的重復(fù)坐封工作。

節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器較常規(guī)的節(jié)流器優(yōu)點(diǎn)在于:氣井在采氣一段時(shí)間后，井內(nèi)的壓力慢慢降低，而使得產(chǎn)氣量減少。所以采用更換不同口徑的氣嘴，以滿足氣井最大的采氣量。但是更換不同口徑的氣嘴需要測(cè)試當(dāng)前井內(nèi)的氣壓有多少。測(cè)試井內(nèi)的氣壓，對(duì)于常規(guī)的節(jié)流器是將節(jié)流器解封打撈上來(lái)后，再下放壓力計(jì)測(cè)試井內(nèi)的壓力。而對(duì)于煤層氣井由于特殊的地質(zhì)條件，節(jié)流器坐封困難。所以，盡可能的在節(jié)流器不解封的前提下測(cè)量井內(nèi)的壓力。因此采用節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器可以有效的解決節(jié)流器一邊工作一邊測(cè)壓，在節(jié)流器不解封的前提下就可通過(guò)打撈堵塞器。之后將堵塞器壓力計(jì)與電腦連接，讀取壓力計(jì)中存儲(chǔ)的井內(nèi)壓力數(shù)據(jù)。

綜上所述，節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器在煤層氣井下，使用效果表現(xiàn)優(yōu)秀，較常規(guī)節(jié)流器，在滿足正常節(jié)流的前提下，更換氣嘴和測(cè)試井內(nèi)的壓力不用將節(jié)流器解封。這樣，有效的解決了節(jié)流器坐封難、重復(fù)坐封的難題。節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器應(yīng)用廣泛，在臨汾區(qū)塊也應(yīng)用了數(shù)口井。其發(fā)展前景可觀，因此以后會(huì)在更多的煤層氣井上使用此工具。

4 結(jié)論

（1）節(jié)流測(cè)壓一體式節(jié)流器的開發(fā)有效解決了更換氣嘴時(shí)更換新節(jié)流器的費(fèi)用與節(jié)流器重復(fù)坐封解封的過(guò)程。

（2）節(jié)流與測(cè)壓為一體的設(shè)計(jì)可以在正常節(jié)流情況下完成測(cè)壓工作，減少操作步驟，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，逐漸向“一機(jī)多用”的方向發(fā)展，符合現(xiàn)代人的要求。

（3）導(dǎo)向頭部位設(shè)計(jì)類似過(guò)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有效的防止砂粒進(jìn)入節(jié)流器本體內(nèi)部，在保證節(jié)流器正常節(jié)流的前提下，減少工具的投放。