超稠油組合油嘴放噴裝置的研究與應(yīng)用

高忠敏，楊 波，陳偉東

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124109)

0 引 言

在超稠油井放噴過程中一般通過更換不同孔徑的油嘴控制產(chǎn)液量，隨著油井壓力逐漸下降，油嘴孔徑依次由2、4、6、8、10 mm逐級增大。為了防止放噴過程中生產(chǎn)壓差過大，導(dǎo)致油井出砂，規(guī)定放噴液量控制在25～35 t/d，井口放噴溫度不得超過110 ℃。由于油嘴孔徑變化為梯級變化，每更換一級油嘴，放噴液量會大幅波動，影響超稠油井放噴效率[1-7]。在放噴末期，含水大幅下降，油液黏度增加，稠油凝結(jié)在油嘴孔處，造成油嘴孔堵死，頻繁出現(xiàn)放噴“假死”狀態(tài)，延長了油井放噴時間，影響油井放噴轉(zhuǎn)下泵的時機(jī)。針對上述問題，研制了組合油嘴放噴技術(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計異形過流口形狀和位置，穩(wěn)定放噴階段產(chǎn)液量，縮短放噴時間，提高生產(chǎn)時效。

1 工藝結(jié)構(gòu)及原理

組合油嘴放噴裝置主要由過流閥套、柱形閥芯、外殼、渦街流量計、驅(qū)動手輪、絲杠、O型密封圈、推力軸承等組成(圖1)。

圖1 組合油嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of the combined nozzle structure

安裝組合油嘴放噴裝置時，利用卡箍將過流閥套與放噴井井口閥門連接，通過高壓膠皮軟管將渦街流量計出口與油井回油流程連接。放噴時，先打開油井生產(chǎn)閥門，然后根據(jù)設(shè)定的油井放噴產(chǎn)量，逆時針轉(zhuǎn)動驅(qū)動手輪，在推力軸承的作用下，柱形閥芯可以精確調(diào)整位移，向遠(yuǎn)離過流閥套方向移動，井液通過過流閥套內(nèi)壁的異形過流口進(jìn)入弧形過流道(圖2)，然后流入后端的外殼腔體內(nèi)。由于雙層O型密封圈的密封作用，井液不會進(jìn)入到絲杠的驅(qū)動部分，而是通過外殼側(cè)壁焊接的出口管線經(jīng)渦街流量計初步計量后，通過回油管線，匯集到計量間，進(jìn)行準(zhǔn)確計量。

圖2 過流閥套結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram ofthe structure of the overflow valve pocket

2 工藝參數(shù)

過流閥套的內(nèi)徑為40 mm，閥套外螺紋型號為M70×1.5，軸向長度為60 mm；異形過流口最大長度為33 mm，最大寬度為10 mm；弧形過流道開孔角度為135 °，開孔寬度為6 mm；柱形閥芯外徑為40 mm，前端倒角為45 °；最大放噴流量為150 m3/d，耐壓為15 MPa，耐溫為320 ℃。

3 工藝優(yōu)化設(shè)計

3.1 異形過流口形狀優(yōu)化

超稠油井放噴時，井口壓力與時間為非直線關(guān)系(圖3)。按井口壓力變化趨勢，可分為平穩(wěn)期、急速期、緩速期3個階段[8-12]。

圖3 放噴階段井口壓力變化關(guān)系曲線Fig.3 The relationship curve ofwellhead pressure change during blowoff

由于各井放噴液量之間的差異，平穩(wěn)期最長可達(dá)20 d以上。急速期最短時間為1.5～2.0 h，最長可達(dá)100.0～150.0 h。由于油水混合不均勻，此階段是油井放噴“假死”現(xiàn)象的常發(fā)階段。當(dāng)油井井口壓力降至0.5 MPa時，需要調(diào)換油嘴，啟動接力泵輔助抽吸生產(chǎn)，即進(jìn)入了緩速期。此時由于井底壓力降低，原油中的氣組分大量析出，出現(xiàn)井口高溫但無液量產(chǎn)出現(xiàn)象，嚴(yán)重影響地面設(shè)備安全生產(chǎn)，需要重新控制井口閥門開度，以控制井底氣組分的析出[13]。

結(jié)合放噴過程中3個階段的壓力、溫度、含水及放噴階段過流面積與產(chǎn)出量的關(guān)系，將異形過流口的形狀按照各階段特點設(shè)置為不同曲率，保證放噴產(chǎn)量的平穩(wěn)(圖4)。

圖4 異形過流口截面結(jié)構(gòu)Fig.4 The cross-section structure of special shaped overflow outlet

異形過流口前段與油井放噴平穩(wěn)期對應(yīng)，中段與急速期對應(yīng)，末段與緩速期對應(yīng)。在放噴過程中，平穩(wěn)期生產(chǎn)時間長，井口壓力下降較緩，含水在90%以上，井口溫度高，此時異形過流口截面形狀為等腰三角形，隨著柱形閥芯的后移，過流截面面積以固定比例增加，與油井平穩(wěn)期壓力下降曲線斜率相對應(yīng)。

當(dāng)油井放噴進(jìn)入急速期，放噴產(chǎn)出物成分復(fù)雜，含水迅速下降至30%～50%，產(chǎn)出物黏度大幅增加，井口壓力也快速下降，同時會伴有一定脫氣現(xiàn)象，在井口產(chǎn)出物中會含有約20%～30%的油蒸汽，極易出現(xiàn)段塞式放噴，即井口只出氣不出液。當(dāng)氣體排出完畢后，前端的油液由于黏度高，會造成放噴油嘴堵塞，導(dǎo)致井口不出液也不出氣，出現(xiàn)放噴“假死”狀態(tài)。針對急速期的特點，將異形過流口中段設(shè)置為變曲率結(jié)構(gòu)，前端曲率大，后端曲率小。隨著柱形閥芯的后移，在前段等腰三角形結(jié)構(gòu)過流截面的基礎(chǔ)上快速增加過流截面，以彌補(bǔ)由于油液黏度升高造成的過流口堵塞。當(dāng)進(jìn)入中段后期，井底壓力低，為防止過流截面增加過快造成的井底脫氣，在增加過流面積的同時，相應(yīng)減少了曲率，在保證過流能力的同時，防止井底壓力下降過快，造成井底脫氣。

當(dāng)油井進(jìn)入放噴末期，即緩速期，井口壓力降至0.5 MPa時，需要啟動接力泵輔助抽吸放噴，按照工作制度要求，需要拆除油嘴，在無控制的情況下啟泵抽吸放噴。若在無控制情況下利用接力泵輔助抽吸放噴，由于出口壓力由0.5 MPa迅速下降為負(fù)壓，生產(chǎn)壓差會大幅增加，此時井底脫氣現(xiàn)象更加嚴(yán)重，造成井底高溫油蒸汽及水蒸汽快速上竄至井口，出現(xiàn)只出氣不出液且高溫的情況，對機(jī)泵及后續(xù)的生產(chǎn)管理帶來隱患。異形過流口末段將過流截面積增加量設(shè)計為逐漸減小的趨勢，防止生產(chǎn)壓差迅速增大導(dǎo)致井底脫氣，避免井口出現(xiàn)只出氣不出液且高溫的情況。

根據(jù)油井常見放噴初始壓力，利用Solidworks Flow Simulation進(jìn)行流速模擬[14-17]，生成不同放噴初始壓力下異形過流口截面數(shù)據(jù)(圖4、表1，R為過渡圓的半徑)。

表1 異形過流口尺寸數(shù)據(jù)Table 1 The dimensional data of special shaped overflow outlet

按照表1尺寸制備3套組合油嘴放噴裝置，在不同初始放噴壓力的井試用10井次，驗證異形過流口截面設(shè)計的合理性(表2)。

由表2可知：變曲率過流截面對油井井底能量的釋放起到了很好的緩沖作用，在保證放噴連續(xù)性的同時，有效控制井底脫氣引起的放噴“假死”現(xiàn)象，同時對放噴壓力、溫度也有很好的調(diào)控作用，對油井平穩(wěn)放噴、減少油井放噴壓力激動作用明顯。

表2 異形過流口試用井生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 2 The production data of trial wells with special shaped overflow outlets

3.2 異形過流口位置優(yōu)化

放噴出現(xiàn)“假死”現(xiàn)象的另一原因，是油液流動壓力在井口的無用損耗造成的，由于溫度下降，黏度增加，稠油凝結(jié)在閥口，造成流通截面逐漸變小。為減小油液流動壓力的損耗，考慮調(diào)整異形過流口位置。將異形過流口設(shè)置于出口管線一側(cè)和設(shè)置于出口管線對側(cè)(圖5)，利用Solidworks Flow Simulation軟件分析過流口開度(K)為30%、60%、90% 時的流線分布情況[18](圖6)。

圖5 異形過流口設(shè)置方位示意圖Fig.5 The schematic diagram of the setting position of the special shaped overflow outlet

由圖6可知：隨著開度增加，經(jīng)過異形過流口的壓力損失明顯減小，異形過流口開度為30%、60%、90%時的壓力損失分別為0.012～0.018 MPa、0.004～0.006 MPa、0.002～0.003 MPa。異形過流口位置對流線分布影響明顯，當(dāng)異形過流口設(shè)置于出口管線一側(cè)時，隨著過流口開度增加，流線更加集中，在外殼腔內(nèi)的存留越少；當(dāng)異形過流口設(shè)置于出口管線對側(cè)時，隨著開度增加，流線更加紊亂，液體在外殼腔內(nèi)存留越多，對后續(xù)液體進(jìn)入出口管線會形成較大的阻力。

圖6 不同異形過流口位置時的流線分布Fig.6 The streamline distribution at different positions of special-shaped overflow outlet

基于上述壓力及流線分布特點分析，在過流閥套安裝時，異形過流口應(yīng)設(shè)置于出口管線一側(cè)，以減少油液流經(jīng)異形過流口后在外殼腔的留存時間及流經(jīng)路徑長度，提高能量利用率。

3.3 過流控制部件表面硬度強(qiáng)化

放噴初期井口壓力高、流體溫度高，對異形過流口的抗沖蝕性要求高，材料表面要求具有較高的硬度，以提高抗沖蝕能力[19-20]?？紤]到加工便利性和成本，柱形閥芯和過流閥套所用材質(zhì)為45鋼，表面硬度稍低。為提高其表面硬度，采用了滲碳處理措施，在功率為10 kW的滲碳爐中進(jìn)行CO2滲碳處理。檢測表明：柱形閥芯和過流閥套鋼材表面含碳量可達(dá)1.2%；表面硬度由35 HRC升至69 HRC，提升幅度高達(dá)1倍。滲碳處理措施大幅改善了45鋼的表面耐磨性及抗沖蝕性，可滿足異形過流口區(qū)域高強(qiáng)度沖刷的使用要求。通過對柱形閥芯與過流閥套使用情況跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過表面硬度強(qiáng)化處理，單套柱形閥芯與過流閥套應(yīng)用10井次后，累計應(yīng)用時長為3 022.0 h，柱形閥芯與異形過流口無明顯沖蝕溝槽(圖7)。

圖7 柱形閥芯與過流閥套實物圖Fig.7 The physical photo of cylindrical spool and overflow valve sleeve

4 技術(shù)應(yīng)用效果

截至目前，在遼河油田杜813興隆臺南、杜84、曙127454興隆臺南3個區(qū)塊113口超稠油井應(yīng)用了組合油嘴放噴技術(shù)。經(jīng)過統(tǒng)計分析可知，井口放噴壓力可控性增強(qiáng)，產(chǎn)液量變化穩(wěn)定，采油站外輸液量穩(wěn)定問題得到明顯控制。與上一注汽周期相比，累計縮短放噴時間4 123.0 h，平均單井縮短放噴時間36.5 h，作業(yè)下泵后的復(fù)噴率由67.5%降至13.2%，提高了對放噴井產(chǎn)液量的控制能力。

杜813-39-K46井開發(fā)層位為興隆臺油層，射孔段為838.0～863.7 m，射開15.5 m、4層，2017年1月開始采用組合油嘴放噴技術(shù)控制放噴，累計應(yīng)用8個周期。2017年12月，杜813-39-K46井進(jìn)行第13周期熱采注汽，周期注汽量為2 029 m3，于2018年1月12日進(jìn)行放噴生產(chǎn)，通過組合油嘴放噴技術(shù)進(jìn)行控制放噴。井口初始放噴壓力為7.8 MPa，異形過流口采用表1中放噴初始壓力為7.0～10.0 MPa對應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)，啟泵輔助抽吸前最高產(chǎn)液量為27.9 t/d，最低產(chǎn)液量為24.2 t/d，放噴產(chǎn)液量符合率為100%，放噴時間較上周期縮短62.0 h。下泵作業(yè)施工期間未出現(xiàn)復(fù)噴情況，熱采轉(zhuǎn)下泵一次成功，縮短了油井作業(yè)工期，較上階段增油65.7 t。放噴階段產(chǎn)液量及井口壓力曲線見圖8。

圖8 杜813-39-K46放噴階段產(chǎn)量變化情況

由圖8可知：在放噴期前段，產(chǎn)液量保持穩(wěn)中有降，井口壓力呈固定速率下降。進(jìn)入中段，當(dāng)壓力降至0.5～1.5 MPa，井口壓力下降速度明顯減緩，產(chǎn)液量小幅下降，井口無脫氣現(xiàn)象，有效控制了井底脫氣，杜絕了井口放噴“假死”現(xiàn)象的產(chǎn)生。啟泵后，井口壓力保持在0.5 MPa以下并平緩降低，產(chǎn)液量與井口壓力下降呈對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)井口壓力降至0.1 MPa后，放噴能量接近枯竭，油井在低產(chǎn)液量運(yùn)行，產(chǎn)液量保持相對平穩(wěn)，直至井口壓力趨零，放噴產(chǎn)液量為零，結(jié)束此輪放噴生產(chǎn)。

利用組合油嘴放噴技術(shù)可有效控制放噴過程中的井口壓力下降速率，杜絕因井口壓力下降過快，生產(chǎn)壓差過大，井底原油脫氣形成的井口放噴“假死”現(xiàn)象。對超稠油井放噴過程中的產(chǎn)液量調(diào)整具有很好的調(diào)控能力。

5 結(jié)論與建議

(1) 組合油嘴放噴技術(shù)通過異形過流口和柱形閥芯的配合，實現(xiàn)了油井放噴期井口壓降與過流口截面積的有效匹配，可更加準(zhǔn)確地調(diào)控放噴井產(chǎn)液量。

(2) 根據(jù)放噴壓力，制訂了異形過流口外形尺寸設(shè)計表，可針對不同油井、不同生產(chǎn)階段定制不同過流口形狀，為油井精細(xì)化管理提供技術(shù)支持。

(3) 由于超稠油水平井生產(chǎn)井段長，放噴周期長，急速期更長，井口放噴參數(shù)變化更加復(fù)雜，后續(xù)需要結(jié)合超稠油水平井放噴壓力、產(chǎn)出物含水變化情況進(jìn)行深化研究。