高溫高壓凝析氣井井下節(jié)流工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

易俊，張寶

(中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000)

薛旭周，王宏亮，李嬌龍，張少陽

(能新科(西安)油氣技術(shù)有限公司，陜西 西安 710000)

庫車盆地克拉蘇構(gòu)造帶[1,2]南北向以克拉蘇斷裂為界可進(jìn)一步劃分為克拉區(qū)帶和克深區(qū)帶，克深區(qū)帶東西向可分為4段：阿瓦特段、博孜段、大北段、克深段。博孜區(qū)塊位于克深區(qū)帶博孜段，其平均埋深約7000m，地層壓力因數(shù)達(dá)1.76，地溫梯度約為1.71℃/100m，天然氣甲烷平均體積分?jǐn)?shù)89.33%，平均相對(duì)密度0.63，氣油比8339～8668m3/m3，屬于常溫高壓凝析氣藏。主要產(chǎn)層為巴什基奇克組巴二段，其孔隙度2.5%～7%(平均5%)，滲透率0.05～0.36mD(平均0.12mD)，屬于特低孔特低滲儲(chǔ)層。天然裂縫發(fā)育程度相對(duì)較低，以高角度縫為主，大多為方解石半充填。截至2015年12月，區(qū)塊投產(chǎn)B、C和D井3口井，由于儲(chǔ)層致密，自然產(chǎn)能較低(無阻流量(4.52～6.28)×104m3/d)，酸壓在一定程度上提高了產(chǎn)能(無阻流量(13.77～20.66)×104m3/d)，但是絕對(duì)增量有限[3,4]。由于產(chǎn)量較低，井口溫度低，生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)水合物堵塞的情況，嚴(yán)重影響了氣井的正常生產(chǎn)。

目前，油田現(xiàn)場(chǎng)主要采用除水、加熱降壓、加注化學(xué)抑制劑和安裝井下節(jié)流器等方法來抑制水合物的生成[5～7]。由于塔里木油田多為深井和超深井，前3種方法不管是投入成本還是日常維護(hù)費(fèi)用都很高。而采用井下節(jié)流技術(shù)工藝簡單、易于實(shí)施，能夠有效抑制水合物生成，并且在長慶油田[8]、大慶油田[9,10]、澀北氣田[11]及塔里木油田[12～14]取得了成功應(yīng)用。

1 井下節(jié)流工藝原理

井下節(jié)流工藝是將地面節(jié)流過程轉(zhuǎn)移至井筒之中，使天然氣的節(jié)流降壓膨脹過程發(fā)生在井內(nèi)，這樣就可以充分利用地?zé)豳Y源對(duì)節(jié)流后的低溫天然氣進(jìn)行加熱，防止形成水合物堵塞生產(chǎn)通道。同時(shí)，降低井口壓力，使輸氣壓力達(dá)到正常輸氣要求，從而有效地防止水合物在井筒和井口產(chǎn)生凍堵的問題。

2 井下節(jié)流設(shè)計(jì)流程

圖1 水合物計(jì)算流程圖

井筒壓力和溫度分布情況是影響井下節(jié)流條件的主要因素，井下節(jié)流工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是耦合了水合物生成條件預(yù)測(cè)、井筒溫度、壓力分布、節(jié)流壓降、溫降模型，并根據(jù)氣井產(chǎn)量設(shè)計(jì)油嘴下入深度和節(jié)流器氣嘴(以下簡稱流嘴)直徑，以防止水合物生成。具體計(jì)算流程見圖1。

3 模型可行性驗(yàn)證

3.1 水合物生成條件預(yù)測(cè)方法

在工程實(shí)踐中，目前已有多種預(yù)測(cè)天然氣水合物生成條件的方法[15,16]。最常用的有波諾馬列夫經(jīng)驗(yàn)公式法、經(jīng)驗(yàn)圖解法、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法。由圖2可見，壓力越高，形成水合物的臨界溫度越高，若不采取水合物防治措施，氣井生產(chǎn)過程中很容易產(chǎn)生水合物，堵塞井筒，影響生產(chǎn)。3種方法對(duì)比，經(jīng)驗(yàn)圖解法與統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果相對(duì)較接近，而波諾馬列夫經(jīng)驗(yàn)公式法誤差相對(duì)較大。筆者采用統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法預(yù)測(cè)水合物生成條件，得出博孜區(qū)塊井口外輸壓力為11MPa，對(duì)應(yīng)形成水合物的溫度為19℃。

博孜區(qū)塊B、C、D這3口井由于產(chǎn)能低，井口溫度低，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象。由圖3可見，3口井井口溫度、壓力在水合物包絡(luò)線之內(nèi)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況比較符合。而E井于2016年12月采用加砂壓裂大幅度提高氣井產(chǎn)量，日產(chǎn)氣量為51.68×104m3，井口壓力81MPa，井口溫度45.4℃，生產(chǎn)過程中沒有出現(xiàn)水合物堵塞現(xiàn)象，井口溫度、壓力在水合物包絡(luò)線之外，與預(yù)測(cè)結(jié)果相符。

圖2 3種方法預(yù)測(cè)水合物包絡(luò)線 圖3 博孜區(qū)塊不同井不同產(chǎn)量水合物預(yù)測(cè)

圖4 C井井筒流溫、流壓擬合曲線

3.2 井筒參數(shù)分布預(yù)測(cè)模型

正確模擬氣井井下節(jié)流時(shí)井筒中流體壓力、溫度分布，是制定合理工作制度、分析井筒流動(dòng)動(dòng)態(tài)和預(yù)測(cè)是否有水合物生成的關(guān)鍵[17]。博孜區(qū)塊大多數(shù)井為套管射孔完井，井筒溫度的計(jì)算模型需根據(jù)工程熱力學(xué)理論計(jì)算油套管及其環(huán)空、水泥環(huán)、地層之間的導(dǎo)熱系數(shù)，但通常存在較大的困難。如果采用軟件默認(rèn)值，則不能代表博孜區(qū)塊的導(dǎo)熱系數(shù)，其計(jì)算結(jié)果偏高。如果采用“井口溫度單點(diǎn)擬合法”，即通過整體調(diào)整導(dǎo)熱系數(shù)使得模擬井口溫度與測(cè)量井口溫度達(dá)到擬合，因沒有考慮垂向上沿井筒導(dǎo)熱系數(shù)的不同，溫度預(yù)測(cè)誤差較大。筆者采用“井筒溫度剖面擬合法”，即通過調(diào)整沿井筒的導(dǎo)熱系數(shù)，使得模擬的流溫剖面與測(cè)量的流溫剖面達(dá)到擬合。根據(jù)C井2017年12月11日流溫、流壓剖面測(cè)試實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，采用Cullender-Smith模型能較好地?cái)M合氣井井筒壓力分布；通過調(diào)整導(dǎo)熱系數(shù)，使得模擬計(jì)算流溫剖面與實(shí)際流溫剖面達(dá)到擬合(見圖4)，得到了博孜區(qū)塊沿井筒的導(dǎo)熱系數(shù)，以預(yù)測(cè)不同井不同產(chǎn)量下的井溫剖面。

3.3 水合物生成預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

天然氣水合物是否形成主要取決于天然氣組分、壓力和溫度，在天然氣組分一定的條件下，系統(tǒng)壓力越高，水合物形成的溫度越高，水合物越易形成。通過鄰區(qū)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)(見圖5)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)產(chǎn)量下降到20×104m3/d時(shí)，井口容易生成水合物凍堵，造成關(guān)井停產(chǎn)。

選取博孜區(qū)塊C井預(yù)測(cè)水合物生產(chǎn)臨界條件，采用PIPESIM軟件分別模擬產(chǎn)量為5×104、10×104、15×104、20×104、25×104、30×104、35×104、40×104m3/d時(shí)井筒是否會(huì)形成水合物，如圖6所示。在高壓下，初期產(chǎn)量低于25×104m3/d時(shí)，井口溫度較低，會(huì)形成水合物，與鄰區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果較類似。

圖5 鄰區(qū)生產(chǎn)井水合物生成臨界條件統(tǒng)計(jì) 圖6 軟件模擬不同產(chǎn)量下井筒水合物生成情況

4 井下節(jié)流器優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 節(jié)流器下深計(jì)算

井下節(jié)流工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于井下節(jié)流器合理下入深度的確定。下入深度過淺，容易導(dǎo)致節(jié)流嘴前溫度過低，使得高壓天然氣經(jīng)過節(jié)流之后，節(jié)流嘴后的氣流溫度低于水合物生成溫度，形成水合物。下入深度過深，容易導(dǎo)致節(jié)流前后的節(jié)流壓差過大，影響節(jié)流嘴密封圈的使用壽命，因此井下節(jié)流器需要優(yōu)化合理下入深度。在臨界流狀態(tài)下井下節(jié)流器最小下深計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Lmin為節(jié)流器最小下入深度，m；M0為地溫增率，m/K；th為水合物形成溫度，℃；βk為臨界壓力比，1；z1為節(jié)流嘴入口端的氣體偏差系數(shù)，1；k為天然氣絕熱指數(shù)，一般為1.27～1.30；t0為地面平均溫度，℃。

4.2 節(jié)流嘴直徑計(jì)算

節(jié)流嘴直徑主要根據(jù)氣井產(chǎn)量，并結(jié)合節(jié)流嘴前的氣流溫度和節(jié)流嘴兩端壓力來確定。在臨界流狀態(tài)下，節(jié)流嘴下游壓力的波動(dòng)不會(huì)影響到上游，即節(jié)流嘴以后管線和分離器等設(shè)備的壓力波動(dòng)不會(huì)影響節(jié)流嘴前流體的流動(dòng)，使通過節(jié)流嘴的氣體流量達(dá)到最大值。達(dá)到臨界流時(shí)氣井產(chǎn)量公式為：

(2)

式中：qmax為標(biāo)況下通過節(jié)流嘴的體積流量，m3/d；d為節(jié)流嘴直徑，mm；p1為節(jié)流嘴入口處壓力，MPa；T1為節(jié)流嘴入口端的溫度，K；γg為天然氣相對(duì)密度，1。

由式(2)可得井下節(jié)流器節(jié)流嘴直徑計(jì)算公式為：

(3)

圖7 節(jié)流前水合物生成情況

假設(shè)在原始地層壓力條件下，初期產(chǎn)氣量為20×104m3/d，井口壓力11MPa，在不下井下節(jié)流嘴條件下，井筒溫度曲線與水合物生成溫度曲線相交，如圖7所示，在距離井口300m處，若有自由水存在就會(huì)形成水合物。

4.3 節(jié)流后井筒參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)井筒參數(shù)結(jié)果如圖8所示。當(dāng)節(jié)流器下入深度為3000m，節(jié)流嘴直徑為4.75mm時(shí)，能有效防止水合物生成。壓力由節(jié)流前的97.89MPa下降到節(jié)流后的16.73MPa，溫度由節(jié)流前的68.34℃下降到60℃，節(jié)流后溫度(21.43℃)高于水合物生成溫度(18℃)，沿整個(gè)井筒不會(huì)形成水合物，可有效防止水合物生成。

圖8 C井節(jié)流前后井筒參數(shù)

5 結(jié)論

1)井下節(jié)流工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是耦合水合物生成條件預(yù)測(cè)、井筒壓力、溫度分布以及節(jié)流壓降、溫降模型，并根據(jù)氣井產(chǎn)量設(shè)計(jì)油嘴下入深度和節(jié)流嘴直徑大小防止水合物生成。

2)采用波諾馬列夫經(jīng)驗(yàn)公式法、經(jīng)驗(yàn)圖解法和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法3種方法對(duì)水合物生成條件進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可行性。

3)井筒壓力和溫度分布是影響井下節(jié)流條件的主要因素，采用Cullender-Smith模型和“井筒溫度剖面擬合法”修正的井筒溫度模型可以很好地預(yù)測(cè)井筒壓力、溫度。

4)根據(jù)確定的臨界產(chǎn)量，設(shè)計(jì)產(chǎn)量在20×104m3/d情況下，下入井下節(jié)流器，并優(yōu)化下入深度和節(jié)流嘴直徑大小，可有效防止水合物生成。