旋流霧化井下排水采氣技術(shù)在榆林氣田的研究與應(yīng)用

解永剛，李曉蕓，鐘興華，李 耀，李 丹，高 亮

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

氣藏經(jīng)過試采階段、穩(wěn)產(chǎn)階段進(jìn)入到后期開采階段的過程中，部分氣井產(chǎn)量會開始全面遞減。在后期氣藏的開采中出現(xiàn)一個突出的問題就是氣井井底積液，會對天然氣生產(chǎn)造成很大的影響。榆林氣田低產(chǎn)低效氣井日趨增多，由于氣井底層能量不足，攜液能力差，經(jīng)常導(dǎo)致井底積液等問題的發(fā)生，大大降低了氣井的開井時率，影響氣井產(chǎn)能發(fā)揮，解決好這34 %氣井的穩(wěn)產(chǎn)，成為目前急需解決的難題。通過開展排水采氣新工藝新技術(shù)調(diào)研，應(yīng)用旋流霧化井下排水采氣工藝技術(shù)，能夠有效增強產(chǎn)液氣井的攜液能力和穩(wěn)產(chǎn)能力、提高氣井開井時率。

1 旋流霧化井下排水采氣工藝技術(shù)

快速有效地排液復(fù)產(chǎn)是保持氣井產(chǎn)能、高效開發(fā)氣田的關(guān)鍵。近年來，國內(nèi)外各大油氣田通過科研攻關(guān)已成功開發(fā)出一系列的排水采氣工藝技術(shù)。在考慮充分利用地層能量維持氣井正常生產(chǎn)的前提下，旋流霧化井下排水采氣工具技術(shù)受到了青睞。

1.1 理論設(shè)計依據(jù)

在垂直管中氣液兩相流有泡流、段塞流、擾動流、環(huán)霧流四種流動形式。它們可同時存在于1 口井中，隨著氣流速度的增加，相應(yīng)地出現(xiàn)泡流、段塞流、擾動流和攜帶液滴向上運動的環(huán)霧流。從環(huán)霧流到泡流氣流速度降低，正是氣井積液產(chǎn)生的過程。

圖1 氣液混合相在垂直管中的流態(tài)

決定各相在垂直管中向上運動的主要因素是氣液流速度，液體的排出，或在井底的積聚，是由該速度值所決定的。根據(jù)Turner 液滴模型，最小攜液速度就是足夠移動可能存在油管內(nèi)的最大液滴所需的最低流速。氣井開始積液時，井筒內(nèi)氣體的最低流速稱為氣井?dāng)y液臨界流速，對應(yīng)的流量稱為氣井?dāng)y液臨界流量。當(dāng)井筒內(nèi)氣體實際流速小于臨界流速時，氣流就不能將井內(nèi)液體全部排除井口。因此，滿足氣井不積液的條件為：qsc≥qmin

最小攜液氣量計算公式如下：

式中：A－油管截面積，m2；Pwf－油管終端流壓，MPa；Twf－油管終端流溫，K；Z－Pwf、Twf條件下的氣體偏差因子。

氣流速度與液滴直徑大小關(guān)系如下：

式中：Vg－氣流速度，m/s；g－重力加速度，m/s2；d－液滴直徑，m；ρi－液體密度，kg/m3；ρg－氣體密度，kg/m3。

由此可見：氣流速度Vg和液滴直徑的0.5 次方成正比，因此，如何將液滴霧化成直徑為微米級的霧滴是關(guān)鍵。

1.2 工藝原理

旋流霧化井下排水采氣技術(shù)是一種預(yù)防氣井積液的新措施。通過在氣井井筒中投放旋流霧化井下排水采氣工具，充分利用井底氣體和液體本身所具有的壓力勢能，經(jīng)過雙旋流霧化噴嘴內(nèi)旋流氣動作用，將積液霧化成微米級的霧滴并均勻分布在氣流中，形成均勻的兩相流，依靠氣井自身能量將液體攜帶到地面，以提高氣井的攜液能力。

圖2 旋流霧化井下排水采氣工藝原理示意圖

旋流霧化井下排水采氣工藝主要應(yīng)用了亥姆赫芝哨和雙旋流氣動霧化噴嘴兩項關(guān)鍵技術(shù)，主要是通過改變井筒流體的運動狀態(tài)，降低滑脫損失，增強氣井?dāng)y液能力，從而達(dá)到提高排液效率、延長氣井穩(wěn)產(chǎn)期的目的。

式中：c－聲速；V－空腔體積；r－與腔連接管有關(guān)的系數(shù)。

圖3 亥姆赫茲哨結(jié)構(gòu)示意圖

式中表達(dá)了“亥姆赫芝哨”發(fā)出的超聲波頻率與其尺寸之間的關(guān)系?？梢钥闯?，只要尺寸V 足夠合適，在足夠氣流速度差驅(qū)動下，能夠發(fā)出足夠高頻率的超聲波，就能將液體擊碎成微米級直徑的液滴，此時只需要很低的氣體流速就能夠?qū)⒕追e液攜帶出井筒，實現(xiàn)排水采氣的目的。

1.2.2 綜合機械、氣動霧化的霧化方式 為了能讓“亥姆赫芝哨”在井下氣液混合流動環(huán)境下能夠發(fā)聲，在流體流過“亥姆赫芝哨”之前采用了一個能夠產(chǎn)生雙旋流的分離裝置將氣液分離，使流過“亥姆赫芝哨”的流體為氣體，且旋流分離裝置也有一定破壞液體表面張力使液滴破碎的作用；最后分離后的氣、液再經(jīng)過霧化噴嘴（見圖4、圖5）再次霧化，三重作用使液體充分霧化。

圖4 旋流霧化井下排水采氣噴嘴示意圖

圖5 雙旋流氣動霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置在φ73 mm 油管中，能夠在最低瞬時流量208 m3/h 時驅(qū)動，發(fā)出超聲波；霧化后的液滴直徑可達(dá)78～88 μm，液體霧化程度可達(dá)93.6 %。

1.3 旋流霧化井下排水采氣工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.3.1 結(jié)構(gòu)組成 第一代旋流霧化井下排水采氣工具采用卡釘器座封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要適用于EUE 扣型油管，而榆林氣田南區(qū)90 %以上氣井選用FOX 扣型油管，無法下入卡釘器結(jié)構(gòu)的旋流霧化井下排水采氣工具。針對這一問題，通過近幾年來不斷優(yōu)化井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)，總結(jié)失效井下節(jié)流器打撈經(jīng)驗，并將井下節(jié)流器座封、密封原理應(yīng)用于旋流霧化井下排水采氣工具上，取得了良好的效果（見圖6）。

圖6 第一代旋流霧化井下排水采氣工具示意圖

優(yōu)化后的旋流霧化井下排水采氣工具主要有三部分組成：卡定裝置、霧化裝置、密封裝置等三部分組成。其中卡定部分由卡瓦和投送、打撈接頭組成；霧化部分包括超聲霧化裝置（亥姆赫芝哨）和雙旋流氣動超聲霧化噴嘴等；密封裝置包括膠筒、膠筒的壓縮和解壓裝置等。

圖7 優(yōu)化后旋流霧化井下排水采氣工具實物圖

1.3.2 選井條件 對井口壓力6~15 MPa 的小產(chǎn)量氣井，設(shè)定氣量為1.5×104m3/d，井底溫度為90 ℃，用李閩模型計算臨界流量（見表1）。

表1 李閩模型臨界攜液流量計算

由表1 可知，當(dāng)井底流壓小于10 MPa 時，臨界攜液流量仍有1.9×104m3/d 之多，配產(chǎn)1.5×104m3/d 的氣井均不能有效攜液。但實際生產(chǎn)中，榆林氣田許多配產(chǎn)1.0~1.5×104m3/d 生產(chǎn)氣井，仍具有較好的攜液能力和穩(wěn)產(chǎn)能力。通過系數(shù)核算，初步以李閩模型的65 %作為合理計算值。

鑒于榆林氣田產(chǎn)氣量大于1.0×104m3/d 的氣井，可通過提產(chǎn)帶液結(jié)合泡排的方式進(jìn)行排液，因此，選取氣量在0.5~1.0×104m3/d 的Ⅲ類氣井應(yīng)用旋流霧化井下排水采氣技術(shù)，選井條件如下。

下入深度：≤3 500 m，根據(jù)氣井生產(chǎn)狀況，結(jié)合測試的流壓梯度測試數(shù)據(jù)，判斷氣井積液位置；下到不穩(wěn)定流動段最深位置。

井底壓力：≥8 MPa；日產(chǎn)氣量：≥5 000 m3。

2 現(xiàn)場試驗及應(yīng)用效果評價

2.1 現(xiàn)場試驗

為提高氣井排液效果和氣井開井時率，在對旋流霧化井下排水采氣工具技術(shù)開展理論研究的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場選取6 口氣井成功投放旋流霧化井下排水采氣工具。試驗結(jié)果表明，旋流霧化井下排水采氣工具可以有效增加積液井排液能力，確保氣井正常生產(chǎn)。

2.2 應(yīng)用效果評價

2.2.1 榆1 井 該井配產(chǎn)0.5×104m3/d，油套壓分別為11.2、15.6 MPa，前期采取提產(chǎn)帶液，輔助泡排等措施，平均日產(chǎn)液量較措施前提高0.2 m3，但油套壓降低，油套壓差明顯增大，因此恢復(fù)原配產(chǎn)后間歇生產(chǎn)。該井于2011 年11 月22 日投放旋流霧化井下排水采氣工具（見表2）。

表2 榆1 井投放旋流霧化井下排水采氣工具前后對比表

通過對比該井投放旋流霧化井下排水采氣工具前后1 年的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：投放前，該井平均產(chǎn)氣量0.61×104m3/d，平均產(chǎn)水量0.27 m3/d，油套壓分別為11.9、16.0 MPa；投放后，平均產(chǎn)氣量1.66×104m3/d，平均產(chǎn)水量0.57 m3/d，油套壓分別為12.8、14.6 MPa。

該井自投放旋流霧化井下工具后，生產(chǎn)平穩(wěn)，油套壓穩(wěn)定，油套壓差較工具投放前減小2.3 MPa，日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量均明顯增加，無需再采取泡排措施，排液效果明顯。

2.2.2 榆2 井 該井配產(chǎn)1×104m3/d，油套壓力分別為14.5/14.6 MPa，平均日產(chǎn)液量0.4 m3，于2011 年11 月25 日投放旋流霧化井下排水采氣工具（見表3）。

通過對比該井投放旋流霧化井下排水采氣工具前后2 個月的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：投放前，平均產(chǎn)氣量0.96×104m3/d，平均產(chǎn)水量0.22 m3/d，油套壓分別為12.6、15.4 MPa；投放后，平均產(chǎn)氣量1.74×104m3/d，平均產(chǎn)水量0.51 m3/d，油套壓分別為12.2、13.4 MPa。

表3 榆2 井投放旋流霧化井下排水采氣工具前后對比表

該井自投放工具后，無需再采取泡排措施，生產(chǎn)平穩(wěn)，油套壓穩(wěn)定，油套壓差較工具投放前減小1.6 MPa，日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量均明顯增加，排液效果明顯。

3 結(jié)論與認(rèn)識

（1）針對φ73 mm 油管的氣井，使用旋流霧化井下排水采氣技術(shù)，可實現(xiàn)在低于正常臨界攜液流速下連續(xù)攜液正常生產(chǎn)，具有連續(xù)攜液生產(chǎn)的良好效果。

（2）旋流霧化井下排水采氣工具技術(shù)是一種新型、簡單、高效的排水采氣工藝技術(shù)。結(jié)合榆林氣田氣井分類特征，旋流霧化井下排水采氣技術(shù)適用于氣量在0.5~1.0×104m3/d 的Ⅲ類氣井應(yīng)用，建議下步繼續(xù)深入開展理論研究和現(xiàn)場試驗。

（3）旋流霧化井下排水采氣技術(shù)操作簡單，一次性投資，減少人力物力，在榆林氣田有很好的推廣應(yīng)用前景。

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