頁巖氣井合理油管直徑和氣嘴尺寸選擇

徐 苗，許 輝，陳登亞，鮑永輝

（1.長江大學石油工程學院，湖北 武漢430100；2.中海油天津分公司，天津300452）

引 言

頁巖氣是一種非常重要的非常規能源，近年來我國已經加大了對頁巖氣的開發力度。頁巖儲層壓裂后，初期開采可以采用定產量生產的工作制度達到一定的穩產期限，針對頁巖氣井穩產期的生產特征有必要建立一套可操作性強的油管直徑和氣嘴尺寸的動態確定方法。氣井生產系統分析又稱為節點系統分析，是運用工程理論將地層流體的滲流、舉升垂直流動和地面集輸系統視為一個完整的采氣生產系統，進行整體優化分析，使整個氣井生產系統不僅在局部上合理，而且在整體上處于最優狀態。采用節點系統分析方法，可以進行參數敏感性分析，并進一步確定合理的生產參數。

本文對涪陵地區某頁巖儲層水平氣井 H1井在穩產期的三個階段分別進行節點系統分析，優選了管徑和氣嘴。這一設計思路也適用于其它頁巖氣井，為頁巖氣井合理選擇管徑和氣嘴提供了有力依據。H1井的基礎數據如下：穩產期是1 170天，定產階段的配產量為8×104m3／d，測深4 500m，水平段中深2 510m，地層壓力35.88MPa，地層溫度87.28℃。

1 油管直徑和氣嘴尺寸的選擇原則

選擇原則主要有以下幾點：①整個開發過程中，油管不變；②所選尺寸的油管能保證不產生井底積液，抗沖蝕，不生成水合物；③以定產量生產時，用氣嘴調節井口壓力，保證氣嘴處于臨界流狀態；④保證油管經濟安全；⑤視現場實際情況選擇油管和氣嘴。

2 合理油管直徑和氣嘴尺寸的選擇

對H1井，在定產時間段內，對不同的時間點進行分析，研究合理油管直徑和氣嘴尺寸的選擇方法。

2.1 氣井生產系統分析

以井口作為目標節點進行分析，將地層向井底流動過程和垂直管流過程作為一個子系統，做出流入動態曲線；以從井口經過氣嘴、地面管線水平管流過程作為另一個子系統，做出流出動態曲線。兩條曲線的交點即為氣井生產系統的協調點，協調點的橫坐標為氣井日產量，縱坐標為井口壓力。以油管直徑和氣嘴尺寸為敏感性參數，研究滿足配產量時的頁巖氣井的合理油管直徑和氣嘴尺寸。

分析時間點為第1天，第520天，第1170天時的生產情況。用Pipesim軟件做出了這三個時間點的節點分析（圖1，2，3，表1）。

圖1 穩產第1天時系統節點分析

圖2 穩產第520天時系統節點分析

圖3 穩產第1 170天時系統節點分析

表1 油管直徑和氣嘴尺寸選擇

2.2 油管柱攜液臨界流量校核

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。氣井攜液臨界流速（李閩模型）：

式中，uct－攜液臨界流速，m／s；σ－氣水界面張力，N／m；ρ1－相應溫度壓力下的液體密度，kg／m3；ρg－相應溫度壓力下的氣體密度，kg／m3。

相應溫度壓力下的氣體密度：

式中，rg－氣體相對密度；P－壓力，MPa；T－溫度，K；Z－氣體偏差系數。

氣井攜液臨界流量：

式中，qcr－氣井攜液臨界流量，104m3／d；A－油管面積，m2。

為了提高氣井產能，可采用大尺寸的油管，但是大尺寸的油管有可能不能連續攜液，所以選擇油管尺寸時還應考慮攜液問題。不同時間點、不同油管內徑下計算的臨界攜液流量見表1。

2.3 油管柱抗氣體沖蝕性能校核

高速氣體在管內流動時產生明顯沖蝕作用的流速稱為沖蝕流速。1984年，Beggs提出計算沖蝕流速的公式：

式中，ue－沖蝕流度，m／s；ρg－氣體密度，kg／m3；C為常數，C＝122。

根據沖蝕流速確定的油管日通過能力為：

式中，qe－受沖蝕流速約束的油管通過能力，104m3／d。不同時間點、不同油管內徑下計算的油管日通過能力見表1。

2.4 天然氣水合物形成的預測

氣井生產過程中，天然氣從井底流向井口，溫度逐漸降低，當下降到某一適宜的壓力條件下在井筒中就可能形成水合物（圖4）。

圖4 天然氣水合物生成預測

預測圖中，形成水合物的PT曲線和水合物相圖的交點所對應的溫度就是水合物產生的位置的溫度。以油管內徑50.7mm、井口壓力4.73MPa為例，水合物產生的位置的溫度為21℃，低于此時的井口溫度35.42℃，所以井筒內不生成水合物。不同時間點、不同油管內徑下預測得到的結果見表1。

從以上圖表可以得出以下結論：①在目前給定配產下，隨著地層壓力的下降，井口壓力下降；②同一生產時間點，管徑增大，井口壓力增大；③油管內徑越大，滿足配產時，所需氣嘴尺寸越小；④目前分析的地層壓力下降過程中，內徑35.8mm、41.9mm和50.7mm的油管都滿足攜液要求；⑤目前分析的地層壓力下降過程中，4種內徑的油管都滿足抗氣體沖蝕的要求；⑥目前分析的地層壓力下降過程中，4種內徑的油管在生產過程中都不生成水合物；⑦在分析的時間范圍內，采用35.8mm和41.9mm的油管生產時井口壓力偏小，在第三個時間點，出口壓力為2MPa時，沒有合適的氣嘴，達不到臨界流；⑧1 170天為穩產期，為防止后期產量下降產生積液，以及考慮到經濟成本，建議選擇50.7mm的油管及相應的氣嘴；⑨后期以定井口壓力4.73MPa生產時，產量下降，后期需要調小氣嘴。

3 結論

1）合理選擇頁巖儲層水平氣井的油管內徑和氣嘴尺寸要綜合考慮穩產期不同階段的生產特征，考慮氣井配產量、能否攜液、是否抗沖蝕、是否生成水合物等因素，保證氣井高效安全生產。

2）研究結果表明，涪陵地區某頁巖儲層水平氣井H1井選用50.7mm的油管和相應尺寸的氣嘴生產較為合理。

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