高凝油井井筒流動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)井筒流動(dòng)安全性的影響研究

刁歡

［中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司，海南 海口 570100］

0 引言

深水高凝油井是指在海洋深水區(qū)域，石油開采過程中遇到的高度凝結(jié)的油，導(dǎo)致井筒內(nèi)部的溫度、壓力、密度、黏度等參數(shù)發(fā)生變化，并且這種油的黏度很高，容易造成井筒流動(dòng)不暢，甚至發(fā)生堵塞，對(duì)井下設(shè)備和作業(yè)人員的安全造成威脅。深水高凝油井井筒流動(dòng)是油井生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是比較復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)。在油井生產(chǎn)過程中，油井井筒流動(dòng)不僅受到油井自身的影響，還受到井口變化、油管輸送等因素的影響。為了保障深水高凝油井井筒流動(dòng)的安全，需要對(duì)井筒流動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，并建立相應(yīng)的安全保障控制模型，以確保油井的正常生產(chǎn)。

1 深水高凝油井井筒流動(dòng)的特性與關(guān)鍵參數(shù)

1.1 流動(dòng)特性

深水高凝油井井筒流動(dòng)的特性主要包括流態(tài)、流速、流量、流動(dòng)壓力等多個(gè)方面。在深水高凝油井中，由于油的高凝點(diǎn)和高黏度，其流態(tài)可能會(huì)發(fā)生變化，如從層流過渡到湍流，從單相流變?yōu)槎嘞嗔鞯取４送猓魉俸土髁恳彩艿接偷淖枇椭亓Φ纫蛩氐挠绊懀枰M(jìn)行計(jì)算分析。同時(shí)，流動(dòng)壓力也是影響深水高凝油井井筒流動(dòng)安全的重要因素之一。當(dāng)井底流速較小時(shí)，油液的流動(dòng)阻力也會(huì)較小，流速較快。當(dāng)井底流速較大時(shí)，油液就會(huì)受到較大的阻力，流速會(huì)變慢。

高凝油在井筒中的流動(dòng)特性與低凝油有很大的區(qū)別。首先，高凝油的黏度較高，容易在井筒中形成“塞狀物”，導(dǎo)致油井流量下降甚至完全中斷。其次，高凝油的黏度隨著溫度的變化而變化，溫度越低黏度越高，流動(dòng)性越差。最后，高凝油的流動(dòng)特性還受到井筒內(nèi)部的摩擦力、重力和離心力等因素的影響。

1.2 關(guān)鍵參數(shù)

深水高凝油井井筒流動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)主要包括井筒直徑、井深、井筒壁面粗糙度、油井溫度和壓力等。其中，井筒直徑和井深是影響井筒流動(dòng)的主要因素，當(dāng)井筒直徑較小時(shí)，油液的流速較快，會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，導(dǎo)致井筒內(nèi)的油管受到較大的摩擦力，從而導(dǎo)致油管的磨損和腐蝕。當(dāng)井筒直徑較大時(shí)，油液的流動(dòng)速度會(huì)較慢，流動(dòng)阻力較小，油管的磨損和腐蝕也會(huì)減小。

井筒壁面粗糙度對(duì)井筒流動(dòng)的影響較小，油井溫度和壓力則是影響油井井筒流動(dòng)的關(guān)鍵因素，需要進(jìn)行精確計(jì)算和分析。此外，油液的密度和黏度也是影響油井井筒流動(dòng)的重要參數(shù)，油液的密度和黏度越大，油液在井筒內(nèi)流動(dòng)的阻力也會(huì)越大，流速越慢，井筒內(nèi)的摩擦力也會(huì)受到一定的影響，從導(dǎo)致油管出現(xiàn)一定程度的磨損和腐蝕。

2 理論模型

在深水高凝油井井筒流動(dòng)過程中，液體流動(dòng)的速度、流量、壓力、溫度等參數(shù)受到多種因素的影響，如井深、井溫、井壓、油水比、黏度等。為了建立深水高凝油井井筒流動(dòng)模型，需要采用Navier-Stokes 方程和K-BKR 模型，Navier-Stokes 方程描述了流體的運(yùn)動(dòng)和變形，其中包含質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒3 個(gè)方程，建立數(shù)學(xué)模型，該模型應(yīng)該包括井筒直徑、井深、井筒壁面粗糙度、油井溫度和壓力等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算和分析，采用有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以及相應(yīng)的安全保障措施[1]。

在建立模型時(shí)，需要注意以下要點(diǎn)。

（1）對(duì)于井筒直徑和井深等主要參數(shù)，需要進(jìn)行精確計(jì)算和分析，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

（2）對(duì)于油井溫度和壓力等關(guān)鍵參數(shù)，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，以確保油井的安全穩(wěn)定。

（3）在模型中，應(yīng)該考慮井口變化、油管輸送等因素對(duì)井筒流動(dòng)的影響，并采取相應(yīng)的安全保障措施。

（4）對(duì)油井井筒的幾何形狀、油井井筒內(nèi)高凝油的黏度、油井井筒內(nèi)的流動(dòng)速度、井筒內(nèi)的溫度和壓力變化等多個(gè)因素進(jìn)行全方位考慮，通過計(jì)算與分析，得出相應(yīng)的流動(dòng)模型，以便更好地制定合理的流動(dòng)安全保障措施。

3 案例分析

以某油田為例，孔隙砂巖油藏埋深為1525m，儲(chǔ)層的溫度為89℃，海底的溫度為10.1℃，當(dāng)深度越大，相應(yīng)的地層溫度也會(huì)隨之增加，地溫的梯度為每100m 變化5.5℃，屬于高地溫梯度油田。在該油田中，主要是采用了水下井口開發(fā)，水深為320m。該油田原油的年度、含硫量、氣油比等都比較低，而凝點(diǎn)和含蠟量都比較高，水下井口開發(fā)在該油田中應(yīng)用，海底的溫度偏低，并且在生產(chǎn)前期，含水量比較低，產(chǎn)量也較低，所以使得井口溫度比較低，為了保證井筒流動(dòng)的安全，應(yīng)在油田生產(chǎn)前期關(guān)注井筒的凝固風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 穩(wěn)態(tài)工況

針對(duì)該油田，選擇其中凝固風(fēng)險(xiǎn)比較高的油井進(jìn)行分析。油田儲(chǔ)層溫度一樣時(shí)，當(dāng)產(chǎn)液量處于較低情況時(shí)，油田井筒流動(dòng)的速度也就變得非常低，相應(yīng)地，流動(dòng)的熱量也就比較少，所以，井口溫度不高。儲(chǔ)層溫度、地溫梯度一樣時(shí)，當(dāng)油田井筒流動(dòng)的總長(zhǎng)越長(zhǎng)那么，熱量散失速度也就越快、越多。經(jīng)過分析之后，選擇該油田中的N 井研究其凝固風(fēng)險(xiǎn)。在穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)工況下，基于生產(chǎn)預(yù)測(cè)指標(biāo)對(duì)N 井的水下井口溫度、壓力數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算，不同年份，預(yù)測(cè)值各不相同，2029 年水下井口壓力、井口溫度分別為25.6bar、88.2℃，2035 年井口壓力、井口溫度分別為26.2bar、88.2℃。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)期間，沒有存在井筒凝管的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

3.2 瞬態(tài)工況

針對(duì)瞬態(tài)工況熱力水力學(xué)的分析，主要包括兩個(gè)方面。

（1）計(jì)劃關(guān)井。在臺(tái)風(fēng)或者其他因素的影響下，導(dǎo)致突然關(guān)井停產(chǎn)，在這樣的情況下，不采取任何措施，關(guān)井之后，井筒內(nèi)部的流體流動(dòng)狀態(tài)，以及流體冷卻到凝點(diǎn)所需的時(shí)間，也就是非操作的時(shí)間。

（2）停產(chǎn)后熱啟動(dòng)。主要是在關(guān)井之后的非操作時(shí)間之內(nèi)對(duì)重啟井產(chǎn)量的變化進(jìn)行分析，并分析啟井是否能夠順利進(jìn)行。

3.2.1 短時(shí)間關(guān)井

從穩(wěn)態(tài)工況開始分析，根據(jù)特定關(guān)井策略，展開相應(yīng)的關(guān)井作業(yè)，順利完成計(jì)劃關(guān)井。在此期間，計(jì)劃關(guān)井油氣水的產(chǎn)量發(fā)生較大的變化，從0～0.8s 處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)，從0.8～1.3s 呈直線下降，從1.3～1.7s 開始上升，之后處于平穩(wěn)狀態(tài)。關(guān)井之后，N 井水下采油樹嘴上游溫度發(fā)生變化，表1 為N 井計(jì)劃關(guān)井之后井口溫度數(shù)據(jù)。通過分析，考慮到流體的凝固風(fēng)險(xiǎn)，該井生產(chǎn)前期費(fèi)操作時(shí)間大概是2.2h。

表1 N 井計(jì)劃關(guān)井后的井口溫度

3.2.2 啟動(dòng)油井

當(dāng)N 井處于穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)之后，開始進(jìn)行計(jì)劃關(guān)井。在其冷卻期間，應(yīng)趕在非操作時(shí)間，也就是在2.2h 前開始進(jìn)行熱啟動(dòng)。在實(shí)際工況中，水下采油樹油嘴上游溫度和壓力發(fā)生一定的變化，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，不管時(shí)間發(fā)生怎樣的變化，水量基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，未發(fā)生較大的變化；在生產(chǎn)前3 個(gè)月，氣量呈現(xiàn)波浪式上升的狀態(tài)，隨后開始下降，在5 個(gè)月以后，逐漸保持平穩(wěn)；在生產(chǎn)前2個(gè)月，油量發(fā)生波浪式變動(dòng)，油量逐漸持中，在2 個(gè)月之后保持平穩(wěn)[3]。由此可見，在N 井的生產(chǎn)前期，能夠成功熱啟動(dòng)，并且還可以保持生產(chǎn)的穩(wěn)定。

N 井生產(chǎn)早期熱啟動(dòng)油嘴上游的溫度與壓力如表2所示，在這一工況期間，水下采油樹油嘴上游的溫度、壓力全部處于凝點(diǎn)溫度以上，沒有出現(xiàn)井筒流動(dòng)安全保障相關(guān)問題。

表2 N 井生產(chǎn)早期熱啟動(dòng)油嘴上游的溫度與壓力

3.2.3 長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井

在長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井的情況下，油井井筒內(nèi)部的流體會(huì)逐漸降溫，慢慢降至地層的溫度。該油田的凝點(diǎn)比較高，為43℃，在長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井的狀況下，可能出現(xiàn)流體凝固狀況，所以，在此期間就需要考慮采取措施，加強(qiáng)井筒管理，有效防止凝固。針對(duì)高凝油田，在井筒防凝方面，通常會(huì)擠柴油代替原油，采取這樣的方式來防凝。油田地溫梯度如表3 所示，為該油田的地溫梯度，通過結(jié)合表格數(shù)據(jù)分析可知，環(huán)境溫度是在凝固點(diǎn)（即43℃）位置，也就是泥線445m 左右。關(guān)井之后，向井下擠柴油，起到防凝的作用，并使用柴油代替泥線下到445m 之間的井流物，所需的柴油體積大概是9m3。

表3 油田地溫梯度

3.3 模擬分析

在長(zhǎng)期關(guān)井時(shí)，需要將井筒擠柴油防止凝固這一要點(diǎn)考慮進(jìn)去，在這個(gè)過程中，通常會(huì)同時(shí)考慮正常工況和極端工況這兩種情況，正常工況指的是油田在長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài)，然后正常關(guān)井；極端工況則指的是在開井之后，短期內(nèi)因突發(fā)情況而突然關(guān)井，這兩種工況存在較大的區(qū)別，在正常工況情況下，井筒以及周圍的儲(chǔ)層巖石處于加熱的狀態(tài)，在關(guān)井之后，仍然可以使井筒保溫[4]。

3.3.1 極端工況下的防凝措施

極端工況下，N 井保持穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)兩天之后突然關(guān)井，在這樣的情況下，井筒以及周邊的儲(chǔ)層巖石還未被加熱，在這種工況下，N 井穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)期間，井口的壓力、溫度如表4 所示。通過對(duì)穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)期間井口壓力、溫度的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)48h 內(nèi)，壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，不過，當(dāng)井流物產(chǎn)出不斷增加時(shí)，井筒和周圍的地層巖石溫度在被不斷加溫，溫度也不斷上升。關(guān)井之后，向井下擠一些柴油，防止井下的物體凝固。在擠柴油的期間，還應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，了解柴油和井流物之間的情況[5]。當(dāng)擠壓速度為2m3/h 時(shí)，柴油、井流物之間的界面溫度超出凝固點(diǎn)，而擠注壓力，則應(yīng)超出6MPa。

表4 N 井穩(wěn)態(tài)短期生產(chǎn)時(shí)的井口壓力和溫度

3.3.2 正常工況下的防凝措施

正常工況下，N 井是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)才關(guān)井，并且井筒、周圍地層巖石已被加熱。在穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)過程中，海底井口溫度為52℃，流動(dòng)壓力為48bar。正常工況下，模擬擠柴油這一過程，柴油溫度和海底的泥線溫度基本一樣，大概是12.8℃，并計(jì)算擠注期間和井流物的界面溫度。當(dāng)擠柴油的速率不小于1m3/h 的時(shí)候，界面溫度基本處于凝固點(diǎn)以上，而擠注的壓力也不低于6MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

深水高凝油井井筒的流動(dòng)安全保障至關(guān)重要，需要采取多種措施進(jìn)行保障，對(duì)井筒內(nèi)的溫度和壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)是保障井筒流動(dòng)安全的重要手段之一。通過上述計(jì)算表明，關(guān)井后井筒非操作時(shí)間大概是2.2h，在此期間可以重新熱啟井，沒有流動(dòng)安全問題。在長(zhǎng)期關(guān)井狀況下，擠柴油防凝，模擬發(fā)現(xiàn)，極端工況下擠壓速率不能低于3m3/h，壓力不低于6MPa；正常工況下擠壓速率不低于1m3/h。