天然氣井井下節(jié)流器研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

李佳欣，蔡家鐵，陳欣然，楊雙春，陳 博

(遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順113001)

在天然氣井的生產(chǎn)和作業(yè)過(guò)程中，水合物生成的問(wèn)題層出不窮，極易造成井筒堵塞、油氣減產(chǎn)，對(duì)井筒內(nèi)精密結(jié)構(gòu)造成損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣井停產(chǎn)。現(xiàn)有技術(shù)條件下，天然氣井生產(chǎn)需要大量地面節(jié)流設(shè)備，其作用是降低天然氣中的水合物。這些設(shè)備投資大，能耗高，對(duì)油氣井的安全生產(chǎn)以及日常管理十分不利，同時(shí)也給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著井下節(jié)流器技術(shù)的發(fā)展，井上系統(tǒng)和天然氣水合物生成的問(wèn)題得到一定程度改善。本文針對(duì)現(xiàn)有的井下節(jié)流器技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，并對(duì)其未來(lái)的研究發(fā)展工作提出一些思路。

1 井下節(jié)流器原理及結(jié)構(gòu)

井下節(jié)流工藝是運(yùn)用井下節(jié)流嘴對(duì)井筒進(jìn)行節(jié)流降壓，并采取地層溫度加熱的方式，讓經(jīng)過(guò)節(jié)流的流體溫度盡可能恢復(fù)至與深度地層溫度相同，如圖1所示。這樣就降低了井筒內(nèi)水合物形成所必須的初始溫度，也就達(dá)到了防止水合物生成的目的。

1.1 井下節(jié)流工作原理

井下節(jié)流的工作原理是把井下節(jié)流器投放到井筒的適當(dāng)位置，使其對(duì)井筒內(nèi)的高溫高壓氣體進(jìn)行節(jié)流降壓，如圖2所示。這樣就可以把地面節(jié)流過(guò)程轉(zhuǎn)換到井筒里，采用地?zé)釋?duì)流體加熱的方法，將地層中高溫、高壓流體的膨脹和吸熱的過(guò)程在地層中實(shí)現(xiàn)，以保證氣體溫度和低壓輸氣。經(jīng)過(guò)這樣節(jié)流操作的流體，其溫度會(huì)比節(jié)流后壓力條件下的水合物形成最高溫度高，此時(shí)，井筒、井口和地面管線(xiàn)就不會(huì)形成水合物堵塞，從而達(dá)到節(jié)能降耗、安全、環(huán)保的效果[1]。

圖1 井下節(jié)流溫度分布理論分析曲線(xiàn)

圖2 節(jié)流降壓降溫原理

井下節(jié)流器的主要功能如表1所示。

表1 井下節(jié)流器主要功能

1.2 井下節(jié)流器裝置的結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)40年代，穆拉維也夫(MypaBbIeB)和克雷洛夫(A.n.KpbIJIOB)共同提出了1種在自噴井里選擇井底節(jié)流嘴來(lái)解決油井激動(dòng)間歇以及降低其程度的新思路。如果采用這種方法，更換節(jié)流嘴與更改油嘴尺寸時(shí)就必須打撈出整根油管，操作工序非常繁瑣，因此并沒(méi)有得到大范圍的推廣使用。直到20世紀(jì)80代，位于井下的節(jié)流嘴才再一次引起油氣田開(kāi)發(fā)者的重視。

國(guó)內(nèi)外許多油氣田都曾結(jié)合自身特點(diǎn)開(kāi)展過(guò)井下節(jié)流器的試驗(yàn)研究?，F(xiàn)有節(jié)流器的結(jié)構(gòu)主要由承托筒、內(nèi)筒、密封膠筒、卡瓦、氣嘴等部件構(gòu)成。例如蘇里格氣田、神木氣田主要采取HFY-56型井下節(jié)流器。這種井下節(jié)流器的結(jié)構(gòu)主要包括打撈頸、扶正器、卡瓦、密封膠筒、防砂罩等部分，如圖3所示。

圖3 HFY-56型井下節(jié)流器示意圖

根據(jù)節(jié)流油嘴結(jié)構(gòu)，井下節(jié)流器還可按照表2進(jìn)行分類(lèi)。

表2 井下節(jié)流器的分類(lèi)

2 井下節(jié)流器種類(lèi)

在實(shí)際生產(chǎn)中，井下節(jié)流器的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。目前，井下節(jié)流器主要被劃分成固定型以及活動(dòng)型2類(lèi)。

2.1 固定型井下節(jié)流器

固定型井下節(jié)流器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種型號(hào)節(jié)流器還被稱(chēng)為坐放式井下節(jié)流器，它的內(nèi)部安裝有1個(gè)工作筒，用于確定節(jié)流器的下入位置。

圖4 固定型井下節(jié)流器示意圖

祝心發(fā)、陳磊等[2]對(duì)蘇里格南項(xiàng)目中的固定型井下節(jié)流器進(jìn)行了研究，深入分析了固定型井下節(jié)流器在蘇里格南項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)和不足。

目前，固定型井下節(jié)流器在井內(nèi)無(wú)油管生產(chǎn)的情況時(shí)，不能改變它坐落短節(jié)的位置。坐落短節(jié)的位置通常在3 500 ～4 000 m的深度，這個(gè)深度給節(jié)流器的工作效率和使用年限帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。

隨著近年來(lái)智能完井技術(shù)的發(fā)展，固定型井下節(jié)流器又有了新的變革。智能完井的井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可以被看作1種固定型井下節(jié)流器，它可以對(duì)儲(chǔ)層的壓力、溫度、流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；它的決策系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)這些井下參數(shù)發(fā)出控制命令，執(zhí)行系統(tǒng)在得到命令后，節(jié)流器機(jī)械裝置開(kāi)始工作，節(jié)流器隨即發(fā)揮作用，達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)的目的[3]。這也推進(jìn)了固定型井下節(jié)流器在新領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.2 活動(dòng)型井下節(jié)流器

活動(dòng)型井下節(jié)流器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。與固定型井下節(jié)流器不同，在對(duì)氣井進(jìn)行節(jié)流作業(yè)時(shí)，活動(dòng)型井下節(jié)流器可以不再壓井和起下油管，只需要測(cè)試車(chē)把節(jié)流器投放到指定深度，坐封，就能夠?qū)铝黧w進(jìn)行節(jié)流降壓。從井下取出節(jié)流器時(shí)，只需使用專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，就能夠成功起出節(jié)流器。

圖5 活動(dòng)型井下節(jié)流器示意圖

王錦生等[4]成功提出了井下節(jié)流器工藝技術(shù)，可以在氣體保溫條件下進(jìn)行低壓輸氣，從而降低能耗、安全環(huán)保；王曉榮、徐文龍等[5]設(shè)計(jì)了1種新型節(jié)流器。該型節(jié)流器運(yùn)用活塞坐封，并安裝有新型防砂篩管，能夠有效防砂；肖述琴、于志剛等[6]設(shè)計(jì)了1種壓縮卡瓦式井下節(jié)流器中心桿，并使其膠筒回縮的新型打撈工具，減少了節(jié)流器打撈時(shí)間，降低了操作成本；段寶玉、張桂迎等[7]研制了新型活動(dòng)式井下節(jié)流器，這種節(jié)流器不僅擁有精準(zhǔn)定位、穩(wěn)定耐用的特征，還解決了老式節(jié)流器打撈操作復(fù)雜的弊端；蔣發(fā)光、梁政等[8]對(duì)井下節(jié)流器的膠筒系統(tǒng)進(jìn)行了有限元分析，確定了膠筒膨脹端口部厚度、膠筒與錐套之間的配合夾角等相關(guān)參數(shù)；李國(guó)強(qiáng)、張躍等[9]設(shè)計(jì)了井下可調(diào)節(jié)防砂節(jié)流器模型，利用地面壓力系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)地下氣嘴大小的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能；段寶玉、劉力軍等[10]研制了天然氣井免鋼絲投撈井下節(jié)流器及其配套工具，這種井下節(jié)流器體積小、質(zhì)量輕，投撈時(shí)不用試井車(chē)，使用方法簡(jiǎn)便，減少節(jié)流器作業(yè)成本，也增加了采氣工作效率；申鑫、吳孟人等[11]設(shè)計(jì)了1種新型可調(diào)式井下節(jié)流器，它利用氣嘴的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)氣井配產(chǎn)與試井等切換工作制度；練章華、滕汶江等[12]研制了1種新型活動(dòng)式井下節(jié)流器，具有長(zhǎng)度短、投撈可靠、密封良好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，實(shí)際作業(yè)效果顯著，采氣過(guò)程穩(wěn)定安全；趙乃鵬、占賽等[13]研發(fā)了氣井可調(diào)式井下節(jié)流器，減少了神木氣田中節(jié)流器投撈次數(shù)，有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。也降低了氣田的管理成本；尉曉文、王敏等[14]提出，對(duì)于氣井井筒已經(jīng)出現(xiàn)積液的情況，就必須把節(jié)流器打撈出井，進(jìn)而才能選擇有效的排液生產(chǎn)手段，這樣才能讓氣井的產(chǎn)能穩(wěn)步提升；王惠、惠徐寧等[15]研制了鎖芯式井下節(jié)流器，這種節(jié)流器具有投撈穩(wěn)定、坐封準(zhǔn)確、密封良好的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其1次打撈成功率高達(dá)90%；朱磊、王慧武等[16]設(shè)計(jì)了預(yù)置式全通徑氣嘴可退式節(jié)流器及其配套工具，對(duì)氣嘴的內(nèi)徑和最小下入深度進(jìn)行了計(jì)算。

總體來(lái)說(shuō)，固定型井下節(jié)流器適用于新投產(chǎn)的氣井，而對(duì)于已經(jīng)投入生產(chǎn)作業(yè)一段時(shí)間的老井；活動(dòng)型井下節(jié)流器的應(yīng)用則更加廣泛。經(jīng)過(guò)對(duì)比不難

看出，相比于固定型井下節(jié)流器，活動(dòng)型井下節(jié)流器操作更加簡(jiǎn)便快捷、成本更低、使用范圍更廣。

3 智能井下節(jié)流器

隨著智能完井技術(shù)與智慧油田理念的發(fā)展[17]，在井下節(jié)流工藝的運(yùn)用過(guò)程中，傳統(tǒng)節(jié)流工藝技術(shù)由于受到諸多條件的限制而劣勢(shì)明顯。機(jī)械式的節(jié)流工藝不具備實(shí)時(shí)讀出井下壓力、溫度等井下生產(chǎn)參數(shù)的能力，不能實(shí)施監(jiān)督井下生產(chǎn)狀態(tài)，也無(wú)法在第一時(shí)間掌握井下的安全狀況，更無(wú)法根據(jù)井下復(fù)雜情況自動(dòng)改變節(jié)流器工作方式，這就給氣井的生產(chǎn)帶來(lái)很多不便；傳統(tǒng)井下節(jié)流器不能及時(shí)自動(dòng)改變節(jié)流嘴徑的尺寸，需進(jìn)行此操作時(shí)，必須先關(guān)井，再使用繩索將節(jié)流器打撈出井，才能根據(jù)所要達(dá)到的不同等級(jí)的節(jié)流功能，由地面工作人員手動(dòng)安裝不同嘴徑大小的節(jié)流嘴，這樣無(wú)疑降低了生產(chǎn)效率，增大節(jié)流器損壞的風(fēng)險(xiǎn)，也縮短了節(jié)流器的使用壽命。

智能完井的井下節(jié)流器能夠測(cè)量?jī)?chǔ)層的壓力、溫度、流量等基本參數(shù)，在分析后發(fā)出下一步指令，在得到指令后，井筒內(nèi)的執(zhí)行裝置開(kāi)始運(yùn)作，從而達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)的效果[3]。應(yīng)用智能完井技術(shù)可使油藏采收率提高10%[18]，這也推進(jìn)了固定型井下節(jié)流器在新領(lǐng)域的應(yīng)用。

何明格、林麗君等[19]開(kāi)發(fā)了1套井下智能節(jié)流及智能節(jié)流器系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)的節(jié)流嘴和節(jié)流閥座采用錐閥配合的形式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下信號(hào)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和對(duì)井下節(jié)流器遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，也驗(yàn)證了井下智能節(jié)流方式是切實(shí)可行的。

圖6 智能井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)示意圖

隨著智能井下節(jié)流器的逐步應(yīng)用，其不足也開(kāi)始顯露。目前的智能井下節(jié)流器無(wú)法根據(jù)井下復(fù)雜情況變化及時(shí)自適應(yīng)改變節(jié)流嘴徑大小，且節(jié)流嘴徑的變化自由度不高。部分智能節(jié)流器仍屬于半機(jī)械控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的遠(yuǎn)程操控，在井下高溫高壓環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)智能系統(tǒng)故障等問(wèn)題，還需在后續(xù)的研發(fā)工作中進(jìn)一步優(yōu)化。

4 發(fā)展建議

天然氣井井下節(jié)流技術(shù)在油氣田已經(jīng)被廣泛使用，但是，目前的井下節(jié)流器在油田生產(chǎn)中還有一些難題尚未覓得解決方法。在日后的研究工作中需要重點(diǎn)關(guān)注以下方面：

1) 當(dāng)前井下節(jié)流器的智能化和數(shù)字化還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)能利用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制，自動(dòng)改變油嘴尺寸的高度智能化井下節(jié)流器；同時(shí)，新型的智能節(jié)流器還需要具備將井下溫度、壓力的數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)傳遞回地面的能力，使地面工作人員能夠及時(shí)掌握井下復(fù)雜情況變化，便于調(diào)整節(jié)流器工作狀態(tài)，也能夠?qū)χ悄芄?jié)流器的工作效果進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)。

2) 目前的井下節(jié)流器在投放的過(guò)程中，其坐封機(jī)構(gòu)為機(jī)械式，易引起節(jié)流器誤坐封。新一代的智能井下節(jié)流器需要利用人工智能技術(shù)，根據(jù)井下溫度壓力變化，準(zhǔn)確判斷坐封位置，達(dá)到遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制節(jié)流器坐封的目的。

3) 在人工智能產(chǎn)品發(fā)展的歷程中，可能會(huì)存在因靈敏度過(guò)高造成的困擾。因此，智能化井下節(jié)流器在根據(jù)不同井況改變節(jié)流嘴大小時(shí)，需要設(shè)定1個(gè)“變化區(qū)間”，只有當(dāng)井下情況的變化超出這個(gè)“變化區(qū)間”時(shí)，節(jié)流器的節(jié)流嘴才會(huì)自動(dòng)做出相應(yīng)的調(diào)整。避免井況稍有變化時(shí)，節(jié)流器的節(jié)流嘴徑就隨即發(fā)生變化。

5 結(jié)論

1) 固定型井下節(jié)流器能夠承受較高的壓差，有良好的密封效果，坐放、投撈易于操作，工作穩(wěn)定，適合于具有高節(jié)流壓差的新井。但無(wú)法自由打撈和投放，更不能及時(shí)更換不同直徑的節(jié)流嘴，在井下復(fù)雜情況中的應(yīng)用受到相當(dāng)程度的限制。在智能完井領(lǐng)域，固定型井下節(jié)流器將有更廣闊的發(fā)展空間。

2) 活動(dòng)型井下節(jié)流器能夠被投放到井筒的內(nèi)任意深度，投撈操作簡(jiǎn)便，適用于開(kāi)采一段時(shí)間的老井。然而其在坐封時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)誤坐封的情況，更換節(jié)流嘴時(shí)也必須將節(jié)流器打撈出井，使其使用壽命減少。但是，活動(dòng)型井下節(jié)流器為智能井下節(jié)流器提供了發(fā)展方向。

3) 智能井下節(jié)流器能夠監(jiān)測(cè)并反饋井下重要參數(shù)，根據(jù)地面控制信號(hào)指令執(zhí)行節(jié)流操作，但是存在智能化程度不高，無(wú)法實(shí)時(shí)改變節(jié)流嘴徑大小等問(wèn)題，在未來(lái)的發(fā)展中，還有待進(jìn)一步提高。