旋流霧化井下排水采氣技術在榆林氣田的研究與應用

解永剛，李曉蕓，鐘興華，李 耀，李 丹，高 亮

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

氣藏經過試采階段、穩產階段進入到后期開采階段的過程中，部分氣井產量會開始全面遞減。在后期氣藏的開采中出現一個突出的問題就是氣井井底積液，會對天然氣生產造成很大的影響。榆林氣田低產低效氣井日趨增多，由于氣井底層能量不足，攜液能力差，經常導致井底積液等問題的發生，大大降低了氣井的開井時率，影響氣井產能發揮，解決好這34 %氣井的穩產，成為目前急需解決的難題。通過開展排水采氣新工藝新技術調研，應用旋流霧化井下排水采氣工藝技術，能夠有效增強產液氣井的攜液能力和穩產能力、提高氣井開井時率。

1 旋流霧化井下排水采氣工藝技術

快速有效地排液復產是保持氣井產能、高效開發氣田的關鍵。近年來，國內外各大油氣田通過科研攻關已成功開發出一系列的排水采氣工藝技術。在考慮充分利用地層能量維持氣井正常生產的前提下，旋流霧化井下排水采氣工具技術受到了青睞。

1.1 理論設計依據

在垂直管中氣液兩相流有泡流、段塞流、擾動流、環霧流四種流動形式。它們可同時存在于1 口井中，隨著氣流速度的增加，相應地出現泡流、段塞流、擾動流和攜帶液滴向上運動的環霧流。從環霧流到泡流氣流速度降低，正是氣井積液產生的過程。

圖1 氣液混合相在垂直管中的流態

決定各相在垂直管中向上運動的主要因素是氣液流速度，液體的排出，或在井底的積聚，是由該速度值所決定的。根據Turner 液滴模型，最小攜液速度就是足夠移動可能存在油管內的最大液滴所需的最低流速。氣井開始積液時，井筒內氣體的最低流速稱為氣井攜液臨界流速，對應的流量稱為氣井攜液臨界流量。當井筒內氣體實際流速小于臨界流速時，氣流就不能將井內液體全部排除井口。因此，滿足氣井不積液的條件為：qsc≥qmin

最小攜液氣量計算公式如下：

式中：A－油管截面積，m2；Pwf－油管終端流壓，MPa；Twf－油管終端流溫，K；Z－Pwf、Twf條件下的氣體偏差因子。

氣流速度與液滴直徑大小關系如下：

式中：Vg－氣流速度，m/s；g－重力加速度，m/s2；d－液滴直徑，m；ρi－液體密度，kg/m3；ρg－氣體密度，kg/m3。

由此可見：氣流速度Vg和液滴直徑的0.5 次方成正比，因此，如何將液滴霧化成直徑為微米級的霧滴是關鍵。

1.2 工藝原理

旋流霧化井下排水采氣技術是一種預防氣井積液的新措施。通過在氣井井筒中投放旋流霧化井下排水采氣工具，充分利用井底氣體和液體本身所具有的壓力勢能，經過雙旋流霧化噴嘴內旋流氣動作用，將積液霧化成微米級的霧滴并均勻分布在氣流中，形成均勻的兩相流，依靠氣井自身能量將液體攜帶到地面，以提高氣井的攜液能力。

圖2 旋流霧化井下排水采氣工藝原理示意圖

旋流霧化井下排水采氣工藝主要應用了亥姆赫芝哨和雙旋流氣動霧化噴嘴兩項關鍵技術，主要是通過改變井筒流體的運動狀態，降低滑脫損失，增強氣井攜液能力，從而達到提高排液效率、延長氣井穩產期的目的。

式中：c－聲速；V－空腔體積；r－與腔連接管有關的系數。

圖3 亥姆赫茲哨結構示意圖

式中表達了“亥姆赫芝哨”發出的超聲波頻率與其尺寸之間的關系。可以看出，只要尺寸V 足夠合適，在足夠氣流速度差驅動下，能夠發出足夠高頻率的超聲波，就能將液體擊碎成微米級直徑的液滴，此時只需要很低的氣體流速就能夠將井底積液攜帶出井筒，實現排水采氣的目的。

1.2.2 綜合機械、氣動霧化的霧化方式 為了能讓“亥姆赫芝哨”在井下氣液混合流動環境下能夠發聲，在流體流過“亥姆赫芝哨”之前采用了一個能夠產生雙旋流的分離裝置將氣液分離，使流過“亥姆赫芝哨”的流體為氣體，且旋流分離裝置也有一定破壞液體表面張力使液滴破碎的作用；最后分離后的氣、液再經過霧化噴嘴（見圖4、圖5）再次霧化，三重作用使液體充分霧化。

圖4 旋流霧化井下排水采氣噴嘴示意圖

圖5 雙旋流氣動霧化噴嘴結構示意圖

該裝置在φ73 mm 油管中，能夠在最低瞬時流量208 m3/h 時驅動，發出超聲波；霧化后的液滴直徑可達78～88 μm，液體霧化程度可達93.6 %。

1.3 旋流霧化井下排水采氣工具結構優化

1.3.1 結構組成 第一代旋流霧化井下排水采氣工具采用卡釘器座封結構，該結構主要適用于EUE 扣型油管，而榆林氣田南區90 %以上氣井選用FOX 扣型油管，無法下入卡釘器結構的旋流霧化井下排水采氣工具。針對這一問題，通過近幾年來不斷優化井下節流器結構，總結失效井下節流器打撈經驗，并將井下節流器座封、密封原理應用于旋流霧化井下排水采氣工具上，取得了良好的效果（見圖6）。

圖6 第一代旋流霧化井下排水采氣工具示意圖

優化后的旋流霧化井下排水采氣工具主要有三部分組成：卡定裝置、霧化裝置、密封裝置等三部分組成。其中卡定部分由卡瓦和投送、打撈接頭組成；霧化部分包括超聲霧化裝置（亥姆赫芝哨）和雙旋流氣動超聲霧化噴嘴等；密封裝置包括膠筒、膠筒的壓縮和解壓裝置等。

圖7 優化后旋流霧化井下排水采氣工具實物圖

1.3.2 選井條件 對井口壓力6~15 MPa 的小產量氣井，設定氣量為1.5×104m3/d，井底溫度為90 ℃，用李閩模型計算臨界流量（見表1）。

表1 李閩模型臨界攜液流量計算

由表1 可知，當井底流壓小于10 MPa 時，臨界攜液流量仍有1.9×104m3/d 之多，配產1.5×104m3/d 的氣井均不能有效攜液。但實際生產中，榆林氣田許多配產1.0~1.5×104m3/d 生產氣井，仍具有較好的攜液能力和穩產能力。通過系數核算，初步以李閩模型的65 %作為合理計算值。

鑒于榆林氣田產氣量大于1.0×104m3/d 的氣井，可通過提產帶液結合泡排的方式進行排液，因此，選取氣量在0.5~1.0×104m3/d 的Ⅲ類氣井應用旋流霧化井下排水采氣技術，選井條件如下。

下入深度：≤3 500 m，根據氣井生產狀況，結合測試的流壓梯度測試數據，判斷氣井積液位置；下到不穩定流動段最深位置。

井底壓力：≥8 MPa；日產氣量：≥5 000 m3。

2 現場試驗及應用效果評價

2.1 現場試驗

為提高氣井排液效果和氣井開井時率，在對旋流霧化井下排水采氣工具技術開展理論研究的基礎上，現場選取6 口氣井成功投放旋流霧化井下排水采氣工具。試驗結果表明，旋流霧化井下排水采氣工具可以有效增加積液井排液能力，確保氣井正常生產。

2.2 應用效果評價

2.2.1 榆1 井 該井配產0.5×104m3/d，油套壓分別為11.2、15.6 MPa，前期采取提產帶液，輔助泡排等措施，平均日產液量較措施前提高0.2 m3，但油套壓降低，油套壓差明顯增大，因此恢復原配產后間歇生產。該井于2011 年11 月22 日投放旋流霧化井下排水采氣工具（見表2）。

表2 榆1 井投放旋流霧化井下排水采氣工具前后對比表

通過對比該井投放旋流霧化井下排水采氣工具前后1 年的數據發現：投放前，該井平均產氣量0.61×104m3/d，平均產水量0.27 m3/d，油套壓分別為11.9、16.0 MPa；投放后，平均產氣量1.66×104m3/d，平均產水量0.57 m3/d，油套壓分別為12.8、14.6 MPa。

該井自投放旋流霧化井下工具后，生產平穩，油套壓穩定，油套壓差較工具投放前減小2.3 MPa，日產氣量、日產水量均明顯增加，無需再采取泡排措施，排液效果明顯。

2.2.2 榆2 井 該井配產1×104m3/d，油套壓力分別為14.5/14.6 MPa，平均日產液量0.4 m3，于2011 年11 月25 日投放旋流霧化井下排水采氣工具（見表3）。

通過對比該井投放旋流霧化井下排水采氣工具前后2 個月的數據發現：投放前，平均產氣量0.96×104m3/d，平均產水量0.22 m3/d，油套壓分別為12.6、15.4 MPa；投放后，平均產氣量1.74×104m3/d，平均產水量0.51 m3/d，油套壓分別為12.2、13.4 MPa。

表3 榆2 井投放旋流霧化井下排水采氣工具前后對比表

該井自投放工具后，無需再采取泡排措施，生產平穩，油套壓穩定，油套壓差較工具投放前減小1.6 MPa，日產氣量、日產水量均明顯增加，排液效果明顯。

3 結論與認識

（1）針對φ73 mm 油管的氣井，使用旋流霧化井下排水采氣技術，可實現在低于正常臨界攜液流速下連續攜液正常生產，具有連續攜液生產的良好效果。

（2）旋流霧化井下排水采氣工具技術是一種新型、簡單、高效的排水采氣工藝技術。結合榆林氣田氣井分類特征，旋流霧化井下排水采氣技術適用于氣量在0.5~1.0×104m3/d 的Ⅲ類氣井應用，建議下步繼續深入開展理論研究和現場試驗。

（3）旋流霧化井下排水采氣技術操作簡單，一次性投資，減少人力物力，在榆林氣田有很好的推廣應用前景。

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