氣井井下節(jié)流技術(shù)研究及應(yīng)用

艾志鵬，張烈輝，何婷婷，黃琦

（1.西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室”，四川成都610500；2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川南充629000；3.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院，四川廣漢618300）

氣井井下節(jié)流技術(shù)研究及應(yīng)用

艾志鵬1，張烈輝1，何婷婷2，黃琦3

（1.西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室”，四川成都610500；2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川南充629000；3.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院，四川廣漢618300）

井下節(jié)流工藝技術(shù)經(jīng)過近年來的不斷研究和推廣，目前已形成井下節(jié)流工具系列及其配套作業(yè)設(shè)備。本文結(jié)合川渝氣田井下節(jié)流工藝技術(shù)現(xiàn)場作業(yè)資料，簡述該工藝的原理，介紹了廣泛應(yīng)用的井下節(jié)流工具及其現(xiàn)場作業(yè)方式，并根據(jù)作業(yè)過程中產(chǎn)生的問題提出解決措施。井下節(jié)流工具和現(xiàn)場作業(yè)可靠性高，能夠滿足氣田高效開發(fā)和氣井快速投產(chǎn)的要求，經(jīng)濟效益和社會效益十分突出。

井下節(jié)流；工具；現(xiàn)場作業(yè)；應(yīng)用效果

近年來國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，用戶對天然氣需求量逐年增大，需要新井能快速，較高配產(chǎn)投產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)能。氣井傳統(tǒng)開采方式是經(jīng)過常規(guī)地面節(jié)流工藝節(jié)流后，通過水套爐加熱等配套措施來防止防水物的生成。但高壓氣井地面節(jié)流有許多弊端，比如，采氣井口和部分地面管線仍存在高壓，容易在節(jié)流處生成水合物，造成冰堵。水合物的生成將堵塞井筒生產(chǎn)管柱和地面流程，給氣井生產(chǎn)帶來嚴重的危害。同時地面配套產(chǎn)能建設(shè)周期長，高配產(chǎn)井穩(wěn)產(chǎn)時間短，不利于氣井的科學(xué)管理，更造成了地面配套工藝建設(shè)的大量浪費［1］。

通過氣井井下節(jié)流技術(shù)原理及應(yīng)用的研究，取消地面節(jié)流、保溫裝置，實現(xiàn)氣井井站無人值守，節(jié)省地面配套設(shè)施建設(shè)和人員成本費用，建立氣井科學(xué)生產(chǎn)制度和科學(xué)管理。目前該工藝從工具研制到現(xiàn)場作業(yè)技術(shù)已較為成熟，在川渝、蘇里格等氣田廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了氣藏的規(guī)模效益開發(fā)。

1　井下節(jié)流工藝技術(shù)研究

1.1井下節(jié)流工藝原理

氣井井下節(jié)流工藝通過座放井下節(jié)流器于井筒適當(dāng)位置，在井筒中實現(xiàn)降溫降壓，由于節(jié)流處地層溫度大于水合物生成臨界溫度，從而實現(xiàn)井筒中水合物防治，取消地面節(jié)流、保溫流程的一種采氣工藝技術(shù)［2］。

井下節(jié)流嘴相當(dāng)于截面突縮裝置（見圖1），天然氣流經(jīng)節(jié)流嘴時流速會迅速增加，壓力明顯下降。如果能通過節(jié)流降低天然氣溫度，使之高于此壓力條件下天然氣水合物形成臨界溫度，即可以實現(xiàn)節(jié)流降溫而防止水合物的形成。

圖1　節(jié)流示意圖Fig.1 Schematic diagram of the throttle

1.2節(jié)流壓降

節(jié)流前后的壓力與其流量的關(guān)系為［3］：

式中：p1，p2為天然氣節(jié)流前、后的壓力，MPa；qsc為氣體體積流量（標(biāo)況），104m3/d；d為節(jié)流孔眼直徑，mm；k為氣體絕熱指數(shù)；T1為節(jié)流前的溫度，K；Z1為節(jié)流前氣體的偏差系數(shù)；γg為天然氣相對密度。

在井下節(jié)流設(shè)計時，確定天然氣的流量，節(jié)流前的溫度T1和壓力p1，由式（1）變形迭代后可確定節(jié)流后的壓力p2，壓力降Δp=p2-p1。

1.3節(jié)流溫降

對于單位質(zhì)量氣體穩(wěn)定流動，能量守恒方程為［4］：

式中：h1、h2為節(jié)流前后氣體的比焓，J/kg；v1、v2為節(jié)流前后氣體的流速，m/s；z1、z2為節(jié)流前后氣體的位置，m；q為氣體與周圍環(huán)境的熱交換，J/kg；ws為氣體所作的軸功，J/kg；g為重力加速度，m/s2。

天然氣流經(jīng)井下節(jié)流氣嘴時，可作如下假設(shè)［5］：（1）氣體的動能變化相對于焓值較小，可以忽略；（2）由于節(jié)流裝置長度相對于井下管柱長度很小，節(jié)流前后的位能差近似為零；（3）天然氣通過節(jié)流孔時流動率很高，基本無熱交換，q等于零；（4）忽略氣體作的軸功，式（2）可簡化為：

上式只表明絕熱節(jié)流前后焓值相等。其實，節(jié)流過程并不是等焓過程，節(jié)流前后焓前降后升。

已知天然氣組成、節(jié)流前溫度和壓力，可求出節(jié)流前天然氣的焓值h1。根據(jù)相平衡計算可求得節(jié)流后天然氣的氣相摩爾分率e、各組分的液相摩爾分數(shù)xi及氣相摩爾分數(shù)yi。假設(shè)節(jié)流后的溫度初值T2，可求得節(jié)流后混合物的焓h2，然后調(diào)整T2使h1、h2相等，通過迭代即可求出天然氣節(jié)流后的溫度。

1.4節(jié)流嘴參數(shù)計算

井下節(jié)流氣嘴直徑計算公式可對（1）式進行整理得到：

式中：p1、p2為天然氣節(jié)流前、后的壓力，MPa；qsc為氣體體積流量（標(biāo)況），104m3/d；d為節(jié)流孔眼直徑，mm；k為氣體絕熱指數(shù)，一般為1.25～1.30；T1為節(jié)流前的溫度，K；Z1為節(jié)流前氣體的偏差系數(shù)；γg為天然氣相對密度。

2　井下節(jié)流工具應(yīng)用

井下節(jié)流工具目前已形成了包括固定式井下節(jié)流器和活動式井下節(jié)流器兩大類?，F(xiàn)場作業(yè)通過鋼絲作業(yè)來完成井下節(jié)流器的投撈［6］。

2.1固定式節(jié)流器現(xiàn)場作業(yè)方法

目前已有滿足節(jié)流壓差達70 MPa的非抗硫、中高抗硫的固定式節(jié)流器。固定式節(jié)流器主要由打撈頸、本體、卡瓦、“V”型密封件、油嘴套、整體式氣嘴等組成。

座放時先通過模擬通井規(guī)進行通井，通井至節(jié)流器工作筒位置，記錄工作筒的深度，期間無卡阻為合格。投放時，通過兩組銷釘將投放工具與節(jié)流器連接。下放至工作筒位置后，向下震擊剪斷座放銷釘使節(jié)流器卡瓦張開，節(jié)流器座放與工作筒內(nèi)，隨后向上慢提鋼絲，確認節(jié)流器座放好后，向上震擊剪斷檢驗銷釘，使投放工具和井下節(jié)流器脫手，完成節(jié)流器的座放。具體步驟如下：

（1）以不大于50 m/min的速度勻速下放到節(jié)流器工作筒深度，記錄靜止懸重。

（2）快速向下震擊，剪斷座放銷釘，隨后多次快速向下震擊，使節(jié)流器卡瓦張開，座放與工作筒內(nèi)。

（3）慢速上提鋼絲，觀察到懸重上升15 kg以上時，表明節(jié)流器已經(jīng)座放在工作筒內(nèi)，確定節(jié)流器座放好后，在震擊器釋放情況下快速上提鋼絲，依靠震擊器的震擊力瞬間剪斷檢驗銷釘。

（4）起出投放工具，恢復(fù)井口，完成施工。

打撈時，下入專用的打撈工具，抓住節(jié)流器打撈頸后上提鋼絲，使節(jié)流器卡瓦收回后，將節(jié)流器提出工作筒，上起鋼絲至井口，完成打撈施工。

2.2活動式節(jié)流器現(xiàn)場作業(yè)方法

活動式節(jié)流器投放時，投放工具、節(jié)流器心桿及外筒通過銷釘連接，下行時卡瓦在油管壁作用下，處于收回狀態(tài)。到達預(yù)定位置后，快速上提座放工具串，使節(jié)流器卡瓦片張開卡在油管壁上，繼續(xù)向上震擊剪斷投放工具與節(jié)流器連接銷釘，限位彈簧上推使密封膠筒膨脹，節(jié)流器座放成功。隨后起出投放工具，完成座放。

打撈時，下入專用的打撈工具，抓住節(jié)流器打撈頸后向下震擊，使節(jié)流器膠筒解封，隨后上提起出節(jié)流器，完成打撈施工。

2.3實例分析

以安岳區(qū)某井為例，進行井下節(jié)流分析。該井是安岳氣藏須善段一口井，井深2 688 m，油管尺寸27/8in，油壓26.2 MPa，套壓27.4 MPa，地層壓力26.018 MPa，溫度74.205℃，溫度梯度0.833℃/100m，測試產(chǎn)氣量33.297 3×104m3/d，產(chǎn)油80 m3/d。準(zhǔn)備利用井下節(jié)流工藝控制井口壓力5 MPa～7 MPa，配產(chǎn)天然氣量4×104m3/d，油8 t/d。

根據(jù)井下節(jié)流動態(tài)分析，采用3.4 mm直徑氣嘴。經(jīng)過節(jié)流后節(jié)流器下游溫度降低，但是由于地溫加熱作用，使節(jié)流后井筒氣流溫度高于該壓力下的水合物形成溫度，從而達到降低地面管線壓力及防治水合物形成的目的。該井自2014年6月下入固定式節(jié)流器后開井生產(chǎn)，井口油壓穩(wěn)定，產(chǎn)量平穩(wěn)，一直未發(fā)生井筒水合物堵塞現(xiàn)象。

3　結(jié)論及建議

3.1結(jié)論

（1）井下節(jié)流技術(shù)可對水合物的形成有效的預(yù)防，縮短開井時間，達到穩(wěn)產(chǎn)的目的。

（2）通過井下節(jié)流技術(shù)的廣泛應(yīng)用，簡化了地面流程，提高了自動化管理水平，節(jié)約地面建設(shè)投資和井站管理人員成本。

（3）目前井下節(jié)流工具及其配套工具的研制日趨成熟，但23/8in及31/2in油管適用的井下節(jié)流器仍處于空白階段。

（4）井下節(jié)流工藝現(xiàn)場作業(yè)可靠性高，通過在安岳氣田超過100口井的現(xiàn)場作業(yè)統(tǒng)計表明，節(jié)流器一次座放成功率達到98%，一次打撈成功率達到90%。

3.2建議

（1）當(dāng)初期獲得的測試數(shù)據(jù)產(chǎn)水量較大時，計算所得井下節(jié)流嘴可能出現(xiàn)偏差，需要研究該情況下的井下節(jié)流嘴直徑計算修正系數(shù)。

（2）當(dāng)節(jié)流器座放位置以上具有較大井斜時，建議井下節(jié)流工具座放及打撈時在工具串上連接扶正器和萬向短接，可以減少工具串在起下過程中出現(xiàn)阻卡。

（3）對于進行過儲層加砂壓裂的井，井下節(jié)流器在井下生產(chǎn)時間超過規(guī)定的維護時間過長后，陶?？赡軐?jié)流器產(chǎn)生嚴重的沖蝕，導(dǎo)致節(jié)流器打撈頸缺損，加大了打撈的難度，甚至導(dǎo)致節(jié)流器無法打撈。同時，大量出砂可能將打撈頸掩埋，導(dǎo)致打撈失敗。因此，井下節(jié)流器應(yīng)按照氣井井下節(jié)流操作規(guī)程進行維護。

［1］張鳳瓊，況雪梅，游建國，張奎，朱英杰.井下節(jié)流技術(shù)在川東地區(qū)含硫氣井應(yīng)用初探［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2012，35（4）：74-76.

［2］佘朝毅，李川東，雷振中，周朝定，李志敏.井下節(jié)流工藝技術(shù)在氣田開發(fā)中的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2003，26（Z1）：52-56.

［3］曾敏，等.井下節(jié)流技術(shù)在蘇中區(qū)塊的運用［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2013，36（3）：77-80.

［4］李士倫.天然氣工程（第善版）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008：250-259.

［5］李穎川，胡順渠，郭春秋.天然氣節(jié)流溫降機理模型［J］.天然氣工業(yè)，2003，23（3）：70-72.

［6］葉長青，李大鵬，賀茂國，等.氣井井下節(jié)流技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用［J］.天然氣工程，2012，32（增刊）：1-3.

Downhole throttle technology research and application

AI Zhipeng1，ZHANG Liehui1，HE Tingting2，HUANG Qi3
（1.The Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2.China Southwest Oil and Gas Field Company，Chuanzhong Oil&Gas Mines，Nanchong Sichuan 629000，China；3.China Southwest Oil and Gas Field Company，Gas Production Engineering Research Institute，Guanghan Sichuan 618300，China）

Downhole throttle technology through constant research and promotion in recent years，has formed a series of downhole throttle tools and supporting operation equipment.In this paper，combined with the Sichuan gas field operation records of downhole throttle technology，introduces the widely application and job mode of downhole throttle tools，and then，puts forward the solving measures according to the problems in the process of generating operation.Downhole throttle tools in the field operation are high reliability，the can meet the efficient development of gas fields and rapid gas production requirements，economic benefit and social benefit is very prominent.

downhole throttle；tools；field operation；application effect

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.005

TE377

A

1673-5285（2015）02-0017-04

2014－11-23

艾志鵬（1990-），西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為采油氣理論與工程技術(shù)，郵箱：aizp@petrochina.com.cn。