井下節流技術優化研究及在港中油田的應用

梅 杰，劉一睿

（中國石油大港油田公司第一采油廠，天津 300280）

隨著天然氣需求的持續增長，氣藏已全面進入規模開發階段，氣井生產過程中遇到的問題也逐漸增多，其中高壓氣井井筒、井口及地面管道的水合物堵塞是影響氣井安全穩定生產的重要因素之一。傳統防治水合物凍堵的方法是加熱或注抑制劑，但其地面工藝流程復雜且運行成本高，無法滿足高壓氣井連續生產和效益開發的需要。為有效解決高壓氣井頻繁凍堵問題，提高氣井開發效率，急需探索形成一種高效的天然氣水合物防治技術。

筆者基于前者研究形成的氣井井下節流技術，優選節流工具，以氣井生產數據為分析依據，通過優化設計關鍵技術參數，有效提高了井下節流技術的適應性，實現了高壓氣井的高效生產[1-3]。

1 技術原理及配套工具

1.1 技術原理

天然氣節流是一個降壓降溫過程，常規的地面節流工藝，在節流前需用地面加熱裝置對天然氣進行加熱，提高溫度避免形成水合物堵塞。井下節流技術是將節流器置于井下油管的適當位置，使天然氣的節流降壓膨脹過程發生在井內，同時利用地層熱能加熱節流后的低溫天然氣，從而達到降低節流嘴后壓力，降低水合物生成溫度，實現水合物的有效防治[4-7]。

1.2 配套工具

目前井下節流器主要有兩種：固定式（預制式）和活動式（后置式），二者主要區別在于坐放方式不同，固定式節流器有坐放短節（工作筒），節流器通過鋼絲作業坐放在坐放短節內，而活動式井下節流器無需坐放短節，節流器直接卡定在油管上，坐放位置可調。固定式井下節流器承受壓差高，坐封可靠，適用于新投產井；活動式井下節流器下入深度可調，但節流壓差相對較小。

1.2.1 固定式井下節流器 固定式井下節流工具由坐落短節和節流器兩部分組成，固定式井下節流器主要由油嘴套、密封膠圈、卡定機構以及打撈頭組成（見圖1、表1）。

圖1 固定式節流器實物圖

下完井管柱時，在設計位置安裝坐落短節，投產時通過鋼絲作業將節流器投入坐落短節內，向下震擊剪斷坐封銷釘，節流器通過卡瓦固定在坐落短節內，坐封后上提剪斷檢驗銷釘，驗證坐封效果。坐落短節密封面與節流器密封組件形成良好密封，實現井下節流。需要更換節流嘴時，通過鋼絲作業下入配套打撈工具，抓住打撈頸上提即可取出節流器。

表1 固定式節流器主要技術參數

1.2.2 活動式井下節流器 活動式井下節流器主要由投放部分（釋放頭、打撈頸），卡定部分（卡瓦），密封部分（密封膠筒、油嘴）三部分組成（見圖2、表2）。

圖2 活動式節流器結構圖

表2 活動式節流器主要技術參數

投放時，投放工具與節流器通過銷釘連接，卡瓦松弛、膠筒處于自然收縮狀態。將工具串（鋼絲+繩帽+加重桿+震擊器+丟手工具+節流器）下至設計位置，上提鋼絲，上錐體錐面沿卡瓦內錐面上行撐開卡瓦，卡住管壁，再增大上提力，剪斷坐封銷釘，完成坐封并丟手。此時被壓縮的彈簧彈出頂住活塞桿上行，帶動下錐體錐面上行脹開膠筒。提出丟手工具后開井，在節流壓差作用下活塞產生上推力，膠筒進一步張緊密封管壁，同時膠筒壓差產生的上推力張緊卡瓦，確保密封、錨定。打撈時下打撈工具撈住打撈頸，向下震擊，膠筒下行回彈，密封機構解封，卡瓦失去支撐下行解封，完成解封過程。

2 工藝優化設計流程及參數設計[1-8]

2.1 工藝優化設計流程（見圖3）

2.2 工藝參數優化設計

2.2.1 下入深度 當井下節流器下入深度超過某一值時，節流后節流器以上氣流溫度就能保證在水合物形成初始溫度以上，這一深度即為井下節流器的最小下入深度。水合物形成溫度一般由水合物預測曲線求得（見圖4）。

圖3 工藝優化設計流程圖

氣流通過節流嘴時，溫度與壓差的關系為：

為防止水合物生成，氣嘴出口溫度必須高于水合物生成溫度：

氣嘴最小下入深度：

式中：T1-氣嘴入口溫度，℃；T2-氣嘴出口溫度，℃；Lmin-不生成水合物的節流器最小下入深度，m；M0-地溫增率，m/℃；Th-水合物形成溫度，℃（由水合物預測曲線求得）；T0-地面平均溫度，℃；β-壓力比；K-天然氣絕熱系數（1.3）；Z-氣嘴入口氣體壓縮系數。

2.2.2 氣嘴直徑 為滿足氣井配產要求，采用臨界流動狀態原理來確定節流器的氣嘴直徑[8]。在氣體通過節流嘴的過程中，當上下游壓力之比達到臨界值（0.546）時，氣流通過節流嘴的流速將趨近于聲速，即達到臨界流動狀態，此時無論怎樣降低下游壓力，流速不再增加，通過節流嘴的氣體流量達到最大值，這就是臨界流動狀態原理（見圖5）。由臨界流動狀態下的最大產氣量計算公式可推出節流氣嘴直徑公式為：

圖4 經驗圖解法水合物生成預測曲線

圖5 不同嘴徑節流前后壓力比與產氣量關系圖

表3 井下節流器下入前后生產數據對比表

式中：d-氣嘴直徑，mm；qmax-臨界流動狀態下最大流量，m3/d；P1-氣嘴入口壓力，MPa；γg-天然氣相對密度；T1-氣嘴入口溫度，K；Z1-氣嘴入口氣體壓縮系數；K-天然氣絕熱系數。

3 現場應用實例

3.1 應用效果

近兩年為有效解決氣井凍堵問題，第一采油廠先后在港中油田中8-75等4口凍堵氣井進行井下節流先導試驗。通過在氣井應用井下節流技術，避免了水合物的形成，有效解決了氣井井口設備頻繁凍堵問題，4口氣井應用井下節流技術后，未再出現井口凍堵現象，確保了氣井連續穩定生產，同時，有效降低了井口和地面管道壓力，提高了集氣管道安全系數（見表3）。

3.2 實例說明

港中油田中8-75井2016年1月補孔開井，生產井段：2 582 m～2 851.2 m，工作制度4 mm油嘴，正常生產時日產氣 1.6×104m3，無液，油壓 18.5 MPa，套壓18.5 MPa，因井口及地面管道頻繁凍堵，采取高鍋刺井口、地面摻水、加甲醇等措施均無法正常連續生產。為有效解決氣井頻繁凍堵問題，2017年4月進行井下節流先導試驗，因井口凍堵無法進行測壓和測溫，參考歷史測壓和測溫數據，為滿足地溫大于80℃，設計下入深度1 800 m；根據地質要求，配產1.5×104m3/d，由公式計算得出節流嘴直徑2.1 mm。應用井下節流器后，中8-75井油壓由18.5 MPa下降至2.2 MPa，初期產氣量2.4×104m3/d，一直到氣井停噴未再出現井口設備凍堵現象，現場應用效果很好。

4 結論及認識

（1）優化后井下節流技術實現了水合物的有效防治，解決了頻繁凍堵問題，有效提高了氣井生產時率；

（2）井下節流技術降低了氣井及集氣管道壓力，提高了安全系數，減少了維護管理強度。