超高壓氣井井下節流技術應用和設計方法

于 洋 王威林 彭 楊 譚 昊 董宗豪 周 瑋

中國石油西南油氣田公司工程技術研究院, 四川 成都 610017

0 前言

天然氣井下節流技術是將地面節流移至井下適當位置,使其在實現井筒節流降壓的同時,充分利用地溫對節流后的天然氣進行加熱,達到防止水合物生成的目的,目前已成為一種有效的天然氣開采方式。與地面節流工藝相比,井下節流工藝不僅施工作業相對簡單,而且大大減少了對地面水套爐的投資建設,節約了單井生產成本。井下節流技術已經在我國遼河、四川、長慶、華北和大慶等油氣田得到了較為成功的應用。英國北海、墨西哥灣的多口高溫高壓氣井已經成功采用,說明井下節流技術具有廣泛的應用前景[1-5]。

隨著天然氣勘探開發的深入,超高壓氣井越來越多,地層壓力高達130 MPa。目前的超高壓氣井多采用地面井口加熱、多級節流的集輸工藝[6]。在生產過程中存在如下問題:井口壓力高,地面節流工藝及流程復雜,存在安全隱患;每次開關井各級均需人員操作,現場生產組織及開關井操作不便;在節流過程中各級壓力、流量分配不合理,當天然氣的溫度低于對應壓力下水合物生成溫度時,極易在井口、節流管匯及地面集輸流程形成水合物,造成設備損壞[7-13]。

超高壓氣井井下節流壓差大(80～100 MPa),現有井下節流器的最大節流壓差為70 MPa,不能滿足生產要求。因此開展超高壓氣井雙級節流方案的研究尤為重要,有必要從井下節流技術的理論入手,對超高壓氣井雙級節流方案的可實施性進行論證。

1 管流與嘴流模型

井下節流設計基于節流壓降模型和節流溫降模型進行設計。

1.1 節流壓降模型

臨界流是指流體在油嘴孔道里被加速到聲速時的流動狀態。在臨界狀態下,油嘴下游壓力變化對氣井產量沒有影響。相對密度為0.6的天然氣,當節流后壓力與節流前壓力之比小于0.546時,為臨界流,否則為亞臨界流[14-15]。

對于亞臨界流狀態,氣嘴直徑直接按式(1)計算:

(1)

對于臨界流,氣嘴直徑按式(2)計算:

(2)

1.2 節流溫降模型

當單位質量氣體穩定流動時,能量守恒方程為:

(3)

2 雙級節流器設計思路

雙級節流因為存在兩次降壓降溫過程,設計時需考慮以下三點:

1)兩個節流油嘴如何分配整個節流壓差,首選節流壓降等分的設計方案。

2)兩個節流油嘴之間的距離,可根據溫度恢復度來確定兩個節流油嘴之間的距離,保證節流后的溫度高于對應壓力條件下水合物的生成溫度。

3)兩個節流油嘴尺寸相互之間的影響,考慮兩個節流油嘴尺寸的差異是否會導致另一個節流油嘴失效[16-18]。兩個節流油嘴示意圖見圖1,兩個節流油嘴深度設計步驟見圖2。

圖1 兩個節流油嘴示意圖Fig.1 Schematic diagram of the doubling throttle nozzles

圖2 兩個節流油嘴深度設計步驟圖Fig.2 In-depth design steps of the doubling throttle nozzles

3 雙級節流論證

以超高壓含硫氣井ST 10井為例建立模型,氣井基本參數如下:井深7 640.88 m,地層壓力131 MPa,地層溫度157.46 ℃,配產15×104m3/d,地面采氣集輸系統的壓力約為10 MPa。

3.1 井下+地面雙級節流

采用井下節流器配以地面“安全”油嘴的做法,主要是用井下小尺寸節流器控制產量,用地面大尺寸油嘴保障場站的安全[19-20]。節流器設計下入深度1 800 m,井下+地面雙級節流設計結果見表1,在配產15×104m3/d的條件下,井下一級節流后,地面仍有44.5 MPa的節流壓差,導致地面節流溫降較大,地面節流后溫度明顯低于地面水合物生成溫度。于是考慮增大產氣量,重新進行設計,找出“臨界”產量。當產氣量低于52×104m3/d時,地面節流后溫度仍低于地面水合物生成溫度,地面須配備水套爐。當產氣量高于52×104m3/d時,地面節流后溫度高于地面水合物生成溫度,不需要額外配備水套爐。

3.2 井下雙級節流

以ST 10井為例,配產為15×104m3/d,以兩個節流器平均分配整個節流壓差為原則,根據雙級節流設計方法,第一級、第二級節流器位置分別安裝在2 800 m、2 400 m。兩級節流器尺寸接近,確保兩個節流器所承受的壓差均不超過70 MPa。從表2井下雙級節流設計結果和圖3、圖4井下雙級節流井筒壓力、溫度分布圖可以看出,第一級節流前后溫度變化較小,第二級節流后溫度降低,隨著不斷從地層吸收熱量,井筒溫度逐漸升高。兩級節流后的溫度均高于水合物生成溫度,井筒內不會生成水合物。采用上述雙級節流方案,井口溫度為27.3 ℃(>地面生成水合物溫度14.3 ℃),井口也不會生成水合物。因此,ST 10井采用井下雙級節流方案可行。

表1 井下+地面雙級節流設計結果表

表2 井下雙級節流設計結果表

圖3 井下雙級節流井筒壓力分布圖Fig.3 Pressure distribution of underground two-stage throttling downhole

圖4 井下雙級節流井筒溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution of underground two-stage throttling downhole

4 雙級節流油嘴尺寸對節流的影響

井下下入兩個節流油嘴,考察兩個節流油嘴尺寸的差異是否會導致其中一個節流油嘴失效。通過合理的設計,是否可以起到兩級節流的作用。對比“下大上小”和“下小上大”兩種技術方案。

考察當第二級(較淺)節流油嘴尺寸小于第一級(較深)節流油嘴尺寸,第一級(較深)節流油嘴是否還有節流作用。對比以下兩種組合方式,計算不同節流油嘴尺寸組合的節流壓差的變化情況。

1)第一組產氣量15×104m3/d,在第二級節流油嘴尺寸保持不變的條件下,逐步增大第一級節流油嘴尺寸。

2)第二組產氣量10×104m3/d,在第一級節流油嘴尺寸保持不變的條件下,逐步減小第二級節流油嘴尺寸。

表3～4為不同兩級節流油嘴尺寸組合節流壓降變化表,計算結果表明,在第二級節流油嘴尺寸小于第一級節流油嘴尺寸,第一級節流油嘴仍具有節流作用,且隨第一級節流油嘴尺寸的增大,第一級節流壓差降低。圖5為節流壓差變化趨勢,當第一級節流油嘴尺寸保持不變的條件下,第二級節流油嘴從5.5 mm縮小至3.8 mm,第一級節流壓差受影響較小,保持在9 MPa,圖6為節流壓差變化趨勢。可見,第一節節流壓差不受第二級節流油嘴尺寸變化的影響。

當第一級節流油嘴尺寸5 mm,第二級節流油嘴尺寸5.5 mm時,即“下小上大”的節流方案,一、二級節流壓降的比例接近1∶1,可確保第一級節流長期有效,且小直徑節流油嘴的位置可確保氣井流量順利通過大直徑的二級節流油嘴。而“下大上小”的節流方案,當第一級節流油嘴尺寸大于第二級節流油嘴尺寸1 mm時,隨著產氣量的降低,第一級節流壓差占節流總壓降的比例也從30.6%下降到22.7%,當產量繼續減低時,該級節流將會失效轉為一級節流。

表3 不同節流油嘴尺寸組合節流壓降變化表(產氣量15×104 m3/d,第二級節流油嘴尺寸5.5 mm)

表4 不同節流油嘴尺寸組合節流壓降變化表(產氣量10×104 m3/d,第一級節流油嘴尺寸5 mm)

圖5 節流壓差變化圖(產氣量15×104 m3/d,第二級節流油嘴尺寸5.5 mm)Fig.5 Throttling pressure difference(gas production=15×104 m3/d,second-stage throttling nozzle size=5.5 mm)

圖6 節流壓差變化圖(產氣量10×104 m3/d,第一級節流油嘴尺寸5 mm)Fig.6 Throttling pressure difference(gas production=10×104 m3/d,first-stage throttling nozzle size=5.5 mm)

5 結論

1)超高壓氣井采用井下+地面雙級節流方案,存在一個“臨界”產量,在配產低于“臨界”產量時,在生產過程中地面會生成水合物,需配備水套爐。在配產高于“臨界”產量時,在生產過程中地面不會生成水合物,地面不需要額外配備水套爐。

2)超高壓氣井井下雙級節流方案,井筒和井口均不會生成水合物,井下雙級節流方案可行,這種方案可降低氣井投資,減化地面流程,為川渝地區安全生產發揮積極作用。

3)采用提出的設計原則和方法,通過合理的井下節流設計,產量較低時可采用井下雙級節流,產量較高時,可采用井下+地面雙級節流。

4)井下安裝兩個節流油嘴都有節流的作用,更推薦“下小上大”的雙級節流方案,確保氣井流量順利通過上部油嘴,兩級節流壓降比接近1∶1,兩級節流油嘴的間距設計根據節流后溫度應高于節流油嘴后的壓力所對應的水合物生成溫度為依據,完善了井下雙級節流技術方案,為超高壓氣井井下節流技術現場應用提供理論依據。