氣井沖蝕產(chǎn)量模型在儲(chǔ)氣庫(kù)的應(yīng)用

王嘉淮，羅天雨，呂毓剛，薛承文

(中油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000)

氣井沖蝕產(chǎn)量模型在儲(chǔ)氣庫(kù)的應(yīng)用

王嘉淮，羅天雨，呂毓剛，薛承文

(中油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000)

氣井臨界沖蝕產(chǎn)量是地下儲(chǔ)氣庫(kù)氣井配產(chǎn)的重要參考因素之一。根據(jù)經(jīng)典計(jì)算模型，結(jié)合氣藏工程原理，詳細(xì)研究并推導(dǎo)了適合呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)氣井沖蝕產(chǎn)量的模型公式。根據(jù)臨界沖蝕產(chǎn)量模型公式，分析了影響沖蝕產(chǎn)量大小的主要因素與影響規(guī)律，主要影響參數(shù)為管柱內(nèi)徑、流動(dòng)壓力和氣體溫度，影響規(guī)律為沖蝕產(chǎn)量與管柱內(nèi)徑、流動(dòng)壓力成正比關(guān)系，與氣體溫度成反比關(guān)系，且受管柱內(nèi)徑變化的影響較大。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，參考國(guó)內(nèi)其他儲(chǔ)氣庫(kù)的資料，結(jié)合呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)的實(shí)際情況，確定了呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)中氣井沖蝕產(chǎn)量公式的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值。利用沖蝕產(chǎn)量模型，從氣井沖蝕產(chǎn)量的角度，計(jì)算并優(yōu)選了?114.3 mm管柱為呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)的直井管柱，研究了安全閥部位的沖蝕規(guī)律，認(rèn)為在實(shí)際采氣階段?88.9 mm安全閥存在階段性的沖蝕，應(yīng)定期檢查安全閥，及時(shí)更換，確保安全閥的正常使用。

沖蝕流速;沖蝕產(chǎn)量;管柱內(nèi)徑;直井管柱;安全閥;儲(chǔ)氣庫(kù)

引 言

儲(chǔ)氣庫(kù)氣井的配產(chǎn)不僅要考慮實(shí)際的用氣需求，還要考慮最小攜液量和沖蝕產(chǎn)量的影響。當(dāng)氣井產(chǎn)氣量很大時(shí)，高速氣體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生顯著沖蝕作用，對(duì)管壁和井下工具產(chǎn)生沖蝕磨損［1－3］，此時(shí)氣體的臨界流速稱為沖蝕流速。對(duì)于地下儲(chǔ)氣庫(kù)必須考慮如何將油管中高壓流動(dòng)的氣體流速控制在沖蝕流速以下，以減少或避免沖蝕的發(fā)生。

1 氣井沖蝕產(chǎn)量計(jì)算

1.1 沖蝕產(chǎn)量公式

對(duì)于沖蝕流速的計(jì)算，由于其受到眾多因素的影響，還沒(méi)有準(zhǔn)確的計(jì)算方法，目前油田地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)中主要采用APIRP 14E推薦的計(jì)算公式:

式中:V為沖蝕流速，m/s;C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);ρ為混合物密度，kg/m3。

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，可以得出一定采氣量下的最小管柱直徑:

式中:γ為氣體相對(duì)密度;p為管內(nèi)流動(dòng)壓力，MPa;Z為氣體壓縮系數(shù);T為氣體溫度，K;Q為采氣量，m3/s;d為管柱內(nèi)徑，m;C0為修正系數(shù)，通常取值為8.670 7(K/MPa)0.25(s/m)0.5。

根據(jù)井筒內(nèi)體積產(chǎn)量與地面標(biāo)準(zhǔn)條件下產(chǎn)量的關(guān)系式，可得:

式中:Qsc為地面標(biāo)準(zhǔn)條件下的產(chǎn)量，104m3/d;d為管柱內(nèi)徑，mm。

1.2 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值的大小

公式中的C是經(jīng)驗(yàn)值，并沒(méi)有嚴(yán)格的取值方法［4－5］，與材料、硬度、彈性模量、沖擊角度等有關(guān)［6］。C最低可取值100，當(dāng)酸性氣體的含量降低、含砂量較少時(shí)，可以適當(dāng)取大一點(diǎn);若是采用耐蝕合金管柱時(shí)，C值取200，常規(guī)SS管柱C值取150。目前塔里木油田C值取120或150進(jìn)行計(jì)算，金忠臣［7］等 C 值取121，譚羽非、林濤［8］等 C 值取121.7，大港油田地下儲(chǔ)氣庫(kù)C值取100［9］。

呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)氣源為從土庫(kù)曼斯坦進(jìn)關(guān)的天然氣，CO2含量較高;同時(shí)在實(shí)際注采氣過(guò)程中存在出砂的可能，結(jié)合經(jīng)典文獻(xiàn)和其他儲(chǔ)氣庫(kù)的取值大小，呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)C值取為120，當(dāng)C=120時(shí)，式(4)化簡(jiǎn)為:

2 敏感性分析

根據(jù)公式(5)可知，影響沖蝕產(chǎn)量的主要因素有管柱內(nèi)徑、氣體溫度以及管內(nèi)流動(dòng)壓力。根據(jù)公式(5)模擬計(jì)算，Qsc變化規(guī)律見(jiàn)圖1、2。

圖1 不同尺寸管柱在60℃時(shí)沖蝕臨界產(chǎn)量

可以看出，在其他條件相同的情況下:①?zèng)_蝕產(chǎn)量會(huì)隨著管柱內(nèi)徑的增大而增大，且變化明顯，說(shuō)明管柱內(nèi)徑的變化對(duì)沖蝕產(chǎn)量影響較大;②沖蝕產(chǎn)量隨溫度的降低而增加，且受溫度的變化影響相對(duì)較小;③沖蝕產(chǎn)量隨壓力的增加而增加，壓力變化的影響比溫度變化影響大。

3 沖蝕產(chǎn)量模型在呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)上的應(yīng)用

3.1 直井管柱優(yōu)選

對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)的氣井，應(yīng)確定合理的管柱尺寸，在滿足氣井配產(chǎn)的情況下，不致于產(chǎn)生明顯的沖蝕;同時(shí)沖蝕流速不要限制到不必要的低值，以避免選用過(guò)大直徑的管柱，造成浪費(fèi)。

圖2 ?114.3 mm管柱不同溫度下沖蝕臨界產(chǎn)量

呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行以季節(jié)調(diào)峰與戰(zhàn)略儲(chǔ)備為主，由于戰(zhàn)略儲(chǔ)備采氣具有偶然性和不確定性，發(fā)生的概率極低，因此按季節(jié)調(diào)峰與戰(zhàn)略儲(chǔ)備2種功能組成氣庫(kù)不同的運(yùn)行模式，然后考慮不同井型，優(yōu)選配產(chǎn)方案見(jiàn)表1。

表1 呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)配產(chǎn)方案

根據(jù)配產(chǎn)方案，直井單井注氣量最高為70×104m3/d，調(diào)峰采氣量最高為85×104m3/d，應(yīng)急采氣量為88×104m3/d。當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)在最大應(yīng)急產(chǎn)量88×104m3/d運(yùn)行時(shí)，應(yīng)急壓力區(qū)間地層壓力為24.93～33.91 MPa，運(yùn)行結(jié)果表明:①若采用?88.9 mm管柱，應(yīng)急中后期井口壓力降至11.923 MPa，此時(shí)沖蝕產(chǎn)量限制為60×104m3/d，小于最大應(yīng)急產(chǎn)量88×104m3/d，不滿足配產(chǎn)應(yīng)急要求;②若采用?114.3 mm管柱，應(yīng)急生產(chǎn)后期井口壓力降至15.5MPa，沖蝕產(chǎn)量為122×104m3/d，大于最大應(yīng)急產(chǎn)量88×104m3/d，不會(huì)發(fā)生沖蝕傷害，滿足配產(chǎn)應(yīng)急要求。因此，直井優(yōu)選?114.3 mm管柱。表2為采氣運(yùn)行中不同管徑的生產(chǎn)能力研究情況。

表2 采氣運(yùn)行中不同管徑的生產(chǎn)能力研究

3.2 安全閥的沖蝕校核

對(duì)于呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)的直井，如果選用?88.9 mm的安全閥。該安全閥的最小內(nèi)徑為71.5 mm，下深為100 m。運(yùn)用公式(5)計(jì)算結(jié)果顯示，?88.9 mm安全閥會(huì)在呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)采氣階段部分周期發(fā)生沖蝕，相對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)整個(gè)生產(chǎn)周期來(lái)說(shuō)，發(fā)生沖蝕的時(shí)間雖然不是很長(zhǎng)，但存在安全隱患;如果使用，一定要定期檢查安全閥，及時(shí)更換，確保安全閥的正常使用。建議采用?114.3 mm的安全閥，此時(shí)需對(duì)應(yīng)改變井身結(jié)構(gòu)，以滿足安全閥的下入。

4 結(jié)論及建議

(1)經(jīng)過(guò)計(jì)算和推導(dǎo)，得到呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值120時(shí)的沖蝕流量公式。

(2)沖蝕產(chǎn)量與管柱內(nèi)徑、流動(dòng)壓力成正比關(guān)系，與氣體溫度成反比關(guān)系，且受管柱內(nèi)徑的影響較大。

(3)根據(jù)呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)氣井配產(chǎn)方案，直井優(yōu)選?114.3 mm管柱，在最大應(yīng)急產(chǎn)量時(shí)該管柱滿足配產(chǎn)應(yīng)急要求。

(4)選用?88.9 mm的安全閥在采氣階段存在階段性的沖蝕，應(yīng)定期檢查安全閥，建議更換為?114.3 mm的安全閥。

［1］Finnie I.3rd U S national congr of appl［J］.Mech，1958，3(7):527.

［2］Finnie I.Some reflections on the past and future of erosion［J］.Wear，1995，30(6):186 －187:1 －10.

［3］李國(guó)韜.地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采井完井沖蝕問(wèn)題初探［J］.小型油氣藏，2006，11(1):62 －64.

［4］潘牧，羅志平.材料的沖蝕問(wèn)題［J］.材料科學(xué)與工程，1999，17(3):92 －96.

［5］趙會(huì)友，陳華輝，等.幾種鋼的腐蝕沖蝕磨損行為與機(jī)理研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16(2):112－119.

［6］劉家浚.材料磨損原理及其耐磨性［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1993:177，180 －187.

［7］孫家樞.金屬的磨損［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1992:478.

［8］金忠臣，楊川東，張守良.采氣工程［M］.北京:石油工程出版社，2004:147.

［9］譚羽非，林濤.凝析氣藏地下儲(chǔ)氣庫(kù)單井注采能力分析［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008，27(3):27－29.

Application of erosion output model of gas wells in underground gas storage

WANG Jia– huai，LUO Tian– yu，LV Yu– gang，XUE Cheng － wen
(Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay，Xinjiang834000，China)

The critical erosion output of gas wells is one of the important parameters of production allocation for underground gas storage．A model formula of calculating gas well erosion output for Hutubi gas storage has been discussed and derived based on classical calculation model and gas reservoir engineering principle．According to the critical erosion output model formula，the key factors affecting the erosion output and the affecting pattern have been analyzed．The key factors include pipestring ID，flowing pressure and gas temperature．The erosion output is in direct proportion to pipestring ID and flow pressure，in inverse proportion to gas temperature，and changes greatly with the size of pipestring ID．The empirical constant of gas well erosion output formula has been determined for Hutubi gas storage after investigation into domestic gas storages and local situations．The erosion output model has optimized?114.3 mm pipestring for the vertical gas wells in Hutubi gas storage，studied the erosion pattern at safety valve location，and presented that periodical erosion exists at?88.9 mm safety valve，therefore the safety valve should be inspected regularly and changed timely to ensure normal operation．

erosion velocity;erosion output;pipestring ID;vertical well pipestring;safety valve;gas storage

TE822

A

1006－6535(2012)01－0110－03

20110616;改回日期20111020

中油新疆油田公司重點(diǎn)項(xiàng)目“天然氣開(kāi)發(fā)技術(shù)研究及應(yīng)用”的部分研究成果(XJ－2010－08)

王嘉淮(1957－)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1981年畢業(yè)于西南石油學(xué)院采油專業(yè)，2005年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣田開(kāi)發(fā)專業(yè)，獲博士學(xué)位，目前主要從事采油(氣)工程、稠油熱采技術(shù)方面的研究工作與科研管理工作。

編輯 王 昱