產水氣井井下節流參數優化設計新方法

王一妃王京艦胥元剛馬昌慶余東合王金霞

（1.中國石油華北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西西安 710018；3.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710018； 4.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065）

產水氣井井下節流參數優化設計新方法

王一妃1王京艦2，3胥元剛4馬昌慶1余東合1王金霞1

（1.中國石油華北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西西安 710018；3.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710018； 4.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065）

引用格式：王一妃，王京艦，胥元剛，等.產水氣井井下節流參數優化設計新方法［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：105-109.

傳統氣井井下節流計算模型應用于蘇里格低滲、低壓、低豐度致密砂巖氣藏產水氣井時，氣井井下節流工藝參數計算結果存在較大誤差，影響氣井產量及最終采收率，攜液潛能得不到充分發揮?；谀芰糠匠探庖夯旌衔锿ㄟ^節流器的流動動態，將液相質量分數引入能量守恒方程中，結合高氣液比氣井井筒壓力計算模型和基于井筒徑向傳熱的溫度模型及節流壓降、溫降模型，建立氣液混合物通過嘴流新模型，并編制了含水氣井井下節流工藝參數計算軟件。蘇里格氣田蘇AA井實例計算表明，新方法所設計參數與實際生產情況相匹配，氣井生產平穩，且能更好地維持氣井連續攜液生產。

氣藏；產水氣井；井下節流；參數優化

隨著開采時間的延長，地層能量下降，天然氣在井筒中的流速逐漸降低，當氣井的產量低于臨界流量時，液體在井筒中的下降速度增大并導致液體在井底聚集，影響氣井的正常生產。氣井嘴流模型和參數計算過程不考慮流體含水的影響會使計算結果存在較大的誤差［1-6］。將液相質量分數引入嘴流模型中，結合含水氣井井筒壓力溫度分布模型以及水合物生成條件預測模型［7-13］，對節流工藝參數的求取更加精確。

1　產水氣井嘴流新方法的建立

氣液混合物在節流器中的流動型態可分為臨界流動和非臨界流動。在臨界流動條件下，氣液混合物的流量最大，且節流器下游的任何壓力波動都不會影響節流器上游壓力，因此實際生產過程中，都盡可能把氣液混合物通過節流器的流動設計為臨界流動。對于非臨界流動，國內外研究的都較少，主要是根據能量守恒、質量守恒等基本原理進行理論推導［14-18］。筆者把氣液混合物通過節流器的流動看作是一個多變過程，依據能量方程建立氣液混合物通過節流器的流動模型，計算結果更加合理、精確。

若忽略氣液混合物通過節流器流動時位能變化和摩擦損失，則氣液混合物穩定流動的能量方程為

式中，νm為混合物比容，m3/kg；p為壓力，Pa； um為混合物流速，m/s。

而混合物比容為

式中，xg為氣相的質量分數，小數；νg為氣相比容，m3/kg；νl為液相比容，m3/kg。

氣液混合物通過節流嘴的流動過程可視為多變過程［20］，對于氣相有

式中，p1為入口截面1處壓力，Pa；p2為出口截面2處壓力，Pa；νg1為入口截面1處氣相比容，m3/kg；νg2為出口截面2處氣相比容，m3/kg；n為多變指數。則密度為

式中，ρm1為入口截面1處混合物的密度，kg/m3；ρm2為出口截面2處混合物的密度，kg/m3；νm1為入口截面1處混合物比容，m3/kg；νm2為出口截面2處混合物比容，m3/kg；xm1為入口截面1處混合物的質量分數，小數；xm2為出口截面2處混合物的質量分數，小數；νl1為入口截面1處液相比容，m3/kg；νl2為出口截面2處液相比容，m3/kg。

假設液相是不可壓縮的，并忽略氣液間傳質，則可知：νl=νl1=νl2，xm1=xm2，xg1=xg2，并且可得

多變指數n的大小為［21］

式中，k為比熱比，無量綱；cl為液相比熱，kJ/（kg·K）；cvg1為入口截面1處氣相定容比熱，kJ/（kg·K）；xg1為入口截面1處氣相的質量分數，小數。

式中，cpg1為入口截面1處氣相定壓比熱，kJ/（kg·K）。

則由入口截面1到出口截面2，νl和xg均保持不變，將式（2）、式（3）代入式（1）積分得

式中，um1為入口截面1處混合物流速，m/s；um2為出口截面2處混合物流速，m/s。

由于um2＞＞um1，故

質量流量為

式中，G為質量流量，kg/s；C為流量系數，可取0.865；A為節流嘴流通截面積，m2。

令壓力比為

則式（11）為

由式（13）可得臨界壓力比rpc滿足

根據式（14）可迭代求出臨界壓力比rpc。當rpc＜rp＜1時，通過節流嘴的流動為非臨界流動，此時流量G與壓力比rp有關，可由式（12）進行計算；當0≤rp≤rpc時，通過節流嘴的流動為臨界流動，此時流量G達到最大，將rp=rpc代入式（13）即可得到。

若已知地面條件下液氣體積比為R1g，不考慮氣相在液相中的溶解度，則

式中，ρgsc為地面條件下氣相的密度，kg/m3；ρl為地面條件下液相的密度，kg/m3。

采用礦場實用單位，可取流量系數C為0.865，根據式（13）可得到產氣量

式中，Qg為產氣量，m3/d；d為節流嘴直徑，mm；p1為入口截面1處壓力，MPa。

對于干氣井xg1=1，n=k，β=0，代入式（17）得

式（18）是研究干氣井節流動態的基本公式，而這些關系又可根據式（14）、（17）推導出來，由此也說明將氣液混合物通過節流器的流動看作是一個多變過程是合理的。

2　節流敏感性分析

基于氣液混合物通過節流器的流動特征，為了進一步明確氣液混合物通過節流器的流動規律以及對產氣量的影響，避免復雜的節流動態計算和設計過程出現誤差，使設計結果更加精確，采用Visual Basic可視化程序設計語言，分模塊開發了氣井節流參數優化設計軟件。

利用設計軟件進行了節流敏感性分析，圖1～圖4。當氣嘴入口壓力、入口溫度、氣嘴直徑、絕熱指數一定時，隨著氣液比的增大，最大產氣量減??；當氣液比一定時，隨著入口壓力的增大，最大產氣量增大；隨著入口溫度的增大，最大產氣量減小；隨著氣嘴直徑的增大，最大產氣量增大；隨著絕熱指數的增大，最大產氣量增大；當其他條件不變的情況下，傳統干氣節流模型的最大產氣量大于氣液模型，說明氣井產水對產氣量有一定的影響，隨著水氣比的逐漸增大，最大產氣量呈下降的趨勢，降幅達7%，因此氣液模型考慮含水影響更符合實際生產條件。

圖1　入口壓力對最大產氣量影響

圖2　入口溫度對最大產氣量影響

圖3　氣嘴直徑對最大產氣量影響

圖4　絕熱指數對最大產氣量影響

3　應用實例

以蘇里格氣田蘇AA井為例進行井下節流工藝參數優化設計來驗證所建立模型的適用性。蘇AA井于2007年7月21日開鉆，2007年7月30日完鉆，于2007年8月2日完井。2007年8月19日至8月22日試氣，試氣層位盒8下、山2，射孔井段3 326～3 329 m、3 342～3 345 m、3 412～3 415 m，試氣無阻流量10.884 8×104m3/d。其現場方案設計節流器投放情況如表1所示。根據氣井的已知參數，采用文中方法編制的軟件進行井下節流參數優化設計，并與現場原方案設計參數及應用情況進行對比分析（圖5）。可以看出，不同的節流位置，上游壓力與下游壓力分布基本相似，只是節流壓差大小與低壓力區起始位置不同。為了防止水合物的生成，在確定節流器的最小下入深度后，在滿足節流器自身材質承壓范圍的基礎上，適當增加節流器的下入深度，使節流后的低溫氣流與地層能量進行充分的熱交換，從而獲得更高的井口溫度，有效避免了水合物的生成。節流器下入越深，氣流到達井口的溫度越高，如圖6所示。

表1　蘇AA井節流器方案設計投放情況（?73 mm油管）

圖5　節流時井筒壓力分布

圖6　未節流、節流時井筒溫度、水合物生成溫度分布

表2中將采用傳統不考慮產水影響的純氣體井下節流模型的方案設計結果與文中考慮產水影響的節流新方法設計參數進行對比，氣井初期方案配產2.0×104m3/d，方案設計投放節流嘴尺寸為2.9 mm，氣井實際產氣量為2.6×104m3/d，與初期方案配產（2.0×104m3/d）不符，說明傳統方法設計的節流嘴尺寸存在較大誤差；用新方法計算節流嘴尺寸為2.6 mm，而且根據該井的實際產量（2.6×104m3/d）對節流嘴尺寸進行復算，復算結果為2.9 mm，與節流器實際應用相匹配，節流參數優化設計模型具有更高的精度，完全能滿足工程設計的需要。

表2　蘇AA井下節流方案設計參數與文中設計參數對比

2008年3月27日根據氣井的生產情況，套壓壓降速率較大，隨即對節流器進行了調產更換，節流嘴尺寸2.0 mm，配產1.5×104m3/d；2008年8月6日再次進行調產更換，節流嘴尺寸1.6 mm，配產1.0×104m3/d。下面應用文中方法再次進行驗證，如表3所示。

表3　蘇AA井調產更換節流參數與文中計算結果比較

表3可以看出，該井2次調產更換節流器的設計參數與復算結果與現場實際應用參數是基本吻合的，設計結果完全能夠應用于氣井的正常生產。

圖7是蘇AA井生產曲線。投產初期，氣井配產過高，壓力下降較快，壓力波動大，但在臨界狀態下，節流器能夠有效避免壓力激動傳遞到井底而造成地層傷害，且在節流器直徑確定后，氣井的最大產氣量不受壓力波動的影響。經過2次調產調整節流器氣嘴尺寸后，氣井的產氣量比較平穩，壓力下降較平緩，攜液能力得到了充分發揮。

圖7　蘇AA井生產曲線

4　結論與建議

（1）將氣液混合物通過節流器的流動視為一個多變過程，依據能量方程建立氣液混合物通過節流器的流動模型，更為嚴密，更具有通用性，不僅適用含水氣井，也適用干氣氣井的節流動態分析。

（2）綜合所建立的模型，采用可視化程序設計語言Visual Basic編制了井下節流優化設計程序，并將其運用到現場，計算結果表明，氣液混合物通過節流嘴的優化設計模型更符合低滲透氣田產液氣井井下節流的實際情況、具有推廣應用的價值。

（3）通過分析影響產氣量的節流敏感因素，比較了氣液模型與干氣模型，發現在相同條件下，干氣節流模型的最大產氣量大于氣液模型，說明含水對產氣量有一定的影響，并且在其他條件不變的情況下，隨著水氣比的逐漸增大，最大產氣量呈下降的趨勢，因此氣液模型考慮含水影響更符合實際生產條件，對節流計算具有更高的精度。

（4）氣井配產對節流嘴徑影響較大，配產過大，壓降速率過大，短期內節流將達到非臨界狀態，造成壓敏效應，大大影響氣井的穩產期，因此應緊密結合氣井的試氣情況，準確配產，減少節流器更換頻率，使氣井產能最大化。

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（修改稿收到日期 2015-08-13）

〔編輯 付麗霞〕

New method of downhole throttling parameter optimization design for water produced gas wells

WANG Yifei1，WANG Jingjian2，3，XU Yuangang4，MA Changqing1，YU Donghe1，WANG Jinxia1
（1. Petroleum Production Engineering Research Institute，Huabei Oilfield Company，CNPC，Renqiu 062552，China；2. Research Institute of Petroleum Exploration and Deνelopment，Changqing Oilfield Company，CNPC，Xi'an 710018，China；3. National Engineering Laboratory for Exploration and Deνelopment of Low Permeability Oil and Gas Field，CNPC，Xi'an 710018，China；4. College of Petroleum Engineering，Xi'an Petroleum Uniνersity，Xi'an 710065，China）

Applying traditional downhole throttling calculation model to water produced gas wells in Sulige field，characterized with low permeability，low pressure，and low abundance，there is a big error in the calculation of the parameters of the gas well downhole throttling process，which will affect the output of the gas well and the final recovery，and the liquid carrying ability can not be fully played.The paper theoretically set up a new model that gas-liquid mixture flowing through the throttle device，based on the energy equation which the liquid phase mass fraction is introduced into，combined with the wellbore pressure calculation model with high gas-liquid ratio，the temperature calculation model based on the wellbore radial heat transfer，the throttling pressure and temperature drop model. Based on this，the downhole throttling process parameters calculation software was compiled for water produced gas wells. Sulige SuAA well was used as an example to be compared with published method，and the results show that the design parameters of the new method are matched with the actual production conditions，the gas well production is stable，and it can keep the gas well continuous liquid production. The method has good application effect and has a certain popularization and application value.

gas reservoir； water produced gas well； downhole throttle； parameter optimization

TE37 文獻識別碼：A

1000-7393（ 2015 ） 06-0105- 05 doi:10.13639/j.odpt.2015.06. 027

王一妃，1988年生。2013年獲西安石油大學油氣田開發工程專業工學碩士學位，現主要從事井下作業工具的設計工作，助理工程師。E-mail：cyy_wyf@petrochina.com.cn。