層級(jí)式孔板排水采氣工藝設(shè)計(jì)及性能對(duì)比

王其偉 (中石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營(yíng)257015 中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580)

天然氣燃燒主要產(chǎn)生水及CO2，廢氣中粉塵及氮、硫含量低，隨著能源綠色環(huán)?；?，氣代煤、氣代油成為大勢(shì)所趨，因此，天然氣的生產(chǎn)顯得日益重要。氣井生產(chǎn)多數(shù)伴有地層水產(chǎn)出，嚴(yán)重影響氣井的產(chǎn)量，出水嚴(yán)重時(shí)，產(chǎn)氣量降低，甚至關(guān)井停產(chǎn)[1～6]。在氣井生產(chǎn)過程中，排水采氣是常用的有效手段。目前氣井排出地層水、提高采氣效果的方式主要包括氮?dú)馀e排液、更換小直徑油管、下連續(xù)油管、泡沫排液(加泡沫劑，投泡沫棒)、井下加排液泵[7～13]等方式，上述方式對(duì)某些類型的氣井都有一定的效果，能夠?qū)⒕追e液部分排出，維持氣井正常生產(chǎn)。但常用的加入泡沫劑的方式一方面增加生產(chǎn)成本，同時(shí)返排的泡沫劑對(duì)環(huán)境也會(huì)有一定的影響，氣舉有效期短，且成本較高，因此，新型排水采氣工藝不斷涌現(xiàn)。

井底積液的根本原因是氣液兩相流的非均質(zhì)性，在井底壓力的作用下，產(chǎn)出的天然氣總是向上流動(dòng)，當(dāng)?shù)貙幽芰砍渥?，氣井產(chǎn)量較大時(shí)，氣體流速較快，液體克服重力作用，隨氣體向上流動(dòng)，從井口產(chǎn)出；但當(dāng)氣體流速較低時(shí)，向上運(yùn)移的液體會(huì)沿井筒壁回流到井底，在井底積累，井底流壓增大，影響氣體的產(chǎn)出。氣液兩相沿著井筒向上流動(dòng)與回流，受重力和氣體流速的影響，會(huì)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[14～19]，氣井液體回流的根本原因是氣液兩相密度不同、運(yùn)移速度不同，受到的重力影響不同，如何克服井筒垂直狀態(tài)下氣液兩相流的液體回流，是解決氣井積液的根本方法。

1 層級(jí)式孔板排水采氣工藝設(shè)計(jì)

圖1 層級(jí)式孔板排水示意圖 圖2 漏斗式孔板示意圖

在氣井井筒內(nèi)安裝多個(gè)可以將積液泡霧化并能限制液體回流的孔板，形成功能組群的方式，對(duì)沿井筒向上運(yùn)移的井底積液采用逐級(jí)泡沫化或霧化，利用氣流動(dòng)能將液體逐級(jí)上移，并且通過霧化裝置的邊沿部分限制液體的回流，從而將井底積液排出井筒。層級(jí)式孔板排水裝置包括油管以及安裝在油管內(nèi)部的孔板，如圖1所示。既能有效克服積液回流，又能減少化學(xué)劑的用量，節(jié)約成本。在光滑的井筒中，低速氣流呈層流狀態(tài)，井壁附近氣體流速慢；在氣流速度較快時(shí)，氣體呈紊流狀態(tài)，但井壁處的氣體流速仍然較慢，液膜也較厚，無法阻止液體的回流，為液體沿筒壁向下流動(dòng)創(chuàng)造了條件。加入孔板后，其上口較小，且上表面與井壁呈一定角度，液體不能沿著井壁向下，需要改變流動(dòng)方向，經(jīng)過氣體流速較快的孔喉，被上升的氣流托起，使氣體攜帶液體旋轉(zhuǎn)上升。該裝置通過在井筒中有規(guī)律地添加多個(gè)阻止液體回流的孔板，將井筒單一均勻結(jié)構(gòu)改為層級(jí)變徑結(jié)構(gòu)，改變氣流形態(tài)和局部氣流速度。同時(shí)，為了提高裝置的排水效率，減少氣體上升阻力，阻止液體回流，優(yōu)化后的裝置類似于倒置的漏斗，并且出口內(nèi)表面帶有可以使上升氣體旋轉(zhuǎn)的旋流槽，使氣體呈渦流狀運(yùn)移，改變了氣流的方向和流速，提升了氣體的攜液能力，如圖2所示。

圖3 井筒攜液模擬裝置示意圖

該裝置設(shè)計(jì)的孔板與節(jié)流閥不同，固定在井筒接箍處，進(jìn)口直徑與井筒相同，出口略小，上下孔連通，在阻止液體回流的同時(shí)，最大限度地減少孔板對(duì)氣體流動(dòng)的影響，盡可能保持氣體在孔板兩側(cè)壓力不損失。內(nèi)表面溝槽或凸起形成導(dǎo)流線，霧化裝置上部孔的上表面與油管管壁近似直角，對(duì)沿著管壁向下流動(dòng)的液體起到阻擋和改變液流方向的作用，利于旋流而上的氣液流將液體二次泡霧化攜帶向上運(yùn)移。該裝置的孔板出口界面改變了向下流動(dòng)的液流方向，是目前改正油管均勻光滑、液體易回流的有效手段，其方法雖然簡(jiǎn)單，但是效果明顯。

2 層級(jí)式排水采氣方法性能評(píng)價(jià)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用模擬井筒是一個(gè)總長(zhǎng)度為300cm的有機(jī)玻璃管，每段長(zhǎng)50cm(外徑50mm，內(nèi)徑44mm，壁厚3mm),由長(zhǎng)度為10cm的短有機(jī)玻璃管(內(nèi)徑50mm、外徑60mm)連接而成,如圖3所示。試驗(yàn)所用氣體為空氣，由空氣壓縮機(jī)提供。試驗(yàn)用水為自來水。

2.2 試驗(yàn)方法

將有機(jī)玻璃管垂直固定在高3m的支架上，底部與進(jìn)氣管和進(jìn)液管連接，上部出口通過橡膠管與液體收集量筒連接，2根有機(jī)玻璃管的連接處根據(jù)試驗(yàn)要求，可以安裝限制液體回流的孔板，將水裝入連接好的有機(jī)玻璃管中，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)通入不同流量的氣體，記錄液體上升的高度，或不同時(shí)刻從出口排出的液量。

2.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)溫度：室溫；氣體流速：315mL/min(壓縮機(jī)供氣)；孔板內(nèi)徑：15mm。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

管筒沒有孔板時(shí)，在315mL/min的氣體流速下，液體可以到達(dá)240cm的高度，但不能到達(dá)出口，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，情況沒有變化。當(dāng)添加孔板限制液體回流后，水可以從出口排除，進(jìn)入收集液體的管筒。從表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，安裝孔板時(shí)，排液量逐漸增多，當(dāng)充氣40min后，液體平均排液量達(dá)到600mL，并且剩余液體都集中在管筒的最上一級(jí)孔板處，底部的幾節(jié)孔板沒有水積存。從試驗(yàn)現(xiàn)象也可以看出，液體是從底部逐級(jí)向上運(yùn)移的，類似于給液體裝上了向上攀登的階梯，可以逐級(jí)向上傳遞，達(dá)到比較理想的排液效果。液體逐級(jí)上升的方式對(duì)于井筒較深、氣體流量較小的氣井，具有良好的輔助排液的功能。

表1 孔板對(duì)攜液能力的影響

3 排水采氣方法對(duì)比

當(dāng)氣體流速小、油管直徑較大時(shí)，液體很難被攜帶到地面[20]，加入泡沫劑提高攜液能力，是目前比較常用的措施之一。在氣體流速很小、油管直徑較大的井筒中，即使加入孔板阻止液體回流，也很難使液體上升到井口，達(dá)到排出積液的效果。目前層級(jí)式孔板排液技術(shù)還不能完全取代泡沫排水等常規(guī)工藝，將泡沫排液與層級(jí)式孔板相結(jié)合，可以更加有效地提高泡沫排液的效果。室內(nèi)利用有機(jī)玻璃管，驗(yàn)證了有泡沫劑存在時(shí)，層級(jí)式孔板排水裝置對(duì)排液效果的影響。

采用圖3所示試驗(yàn)裝置，室溫；在兩段50cm長(zhǎng)的管子之間加裝下口內(nèi)徑44mm、上口內(nèi)徑35mm、高20mm的喇叭口式立體孔板作為減少液體回流的裝置，共5片；氣體由壓縮機(jī)提供； XG-1泡沫劑，由陜西廣貿(mào)石油工程有限公司提供。

表2 孔板對(duì)泡沫劑攜液能力的影響

試驗(yàn)方法：在有機(jī)玻璃管內(nèi)加入1000mL水或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%泡沫溶液。按2.2試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比加入孔板前后的氣液運(yùn)移特點(diǎn)和充氣10min后排出的液體量，可以看出加入孔板對(duì)泡沫劑攜液能力的效果，結(jié)果見表2。

由表2可以看出，泡沫劑存在時(shí)，有孔板，相同的排液時(shí)間，3個(gè)氣體流速下，排液量都比不加孔板的排液量大，管筒中殘余液量明顯低于無孔板的量，說明加入限制液體回流的孔板可以增加氣體對(duì)泡沫的攜液能力，減少回流量，加入多級(jí)孔板可以明顯提高井筒的排液能力。但從表1與表2中數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，有孔板、沒有泡沫劑時(shí)，10min平均排液量?jī)H為150mL，排液速度要低于有泡沫劑、無孔板裝置10min排液900mL的速度。因此，孔板排水技術(shù)目前的排液效率還不是十分理想，有必要在孔板裝置的形狀及排液機(jī)理上進(jìn)一步研究，提高裝置的排液效率，使之高效發(fā)揮排液功能。但加入泡沫劑在實(shí)際氣田排水效率也與室內(nèi)試驗(yàn)相差較大，試驗(yàn)用有機(jī)玻璃管僅3m高，新生成的泡沫致密，攜液能力強(qiáng)，泡沫性能在有機(jī)玻璃管中幾乎沒有變化，而實(shí)際管柱中，井筒通常數(shù)千米長(zhǎng)，泡沫的性能不斷衰減，泡沫穩(wěn)定性差，隨著向上運(yùn)移時(shí)間的增長(zhǎng)，泡沫的穩(wěn)定性及攜液能力會(huì)隨之大幅下降。從有孔板并加泡沫劑的試驗(yàn)可以看出，孔板和泡沫劑同時(shí)存在，具有協(xié)同作用，其效果好于單獨(dú)的2種方式。

該方法與在井筒安裝排液泵及氣動(dòng)排水采氣裝置有相同點(diǎn)，都是通過在井筒添加裝置輔助排液，但存在根本性的差別，其工作原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)都不同。安裝排液泵需從地面連接電纜，消耗動(dòng)力；氣動(dòng)排水裝置是采用射流泵原理來排液，在射流泵上下兩端有壓差損失，損耗了地層的能量；層級(jí)式孔板排水是采用孔板排水裝置來提高排水效率，中間的通孔可以允許小型井底設(shè)備通過，與氣井管柱結(jié)合形成有效的功能體，其特點(diǎn)是進(jìn)口盡可能消除或減少對(duì)氣液流體的阻力。

柱塞氣舉排水采氣法是一種間歇性的排水采氣技術(shù)，通過在油管中安裝一個(gè)上下運(yùn)動(dòng)的柱塞，人為地在產(chǎn)出液與舉升氣(包括地層氣和注入氣)之間形成一個(gè)機(jī)械界面，以減少滑脫損失，提高舉升效率。柱塞氣舉的能量主要來源于地層。缺點(diǎn)是地層氣體流量不能太低，產(chǎn)液量不能太高，且不能連續(xù)生產(chǎn)，每天開井幾次，每次生產(chǎn)一段時(shí)間[21，22]。

層級(jí)式孔板排水與其他的排水采氣工藝及技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，不需要外加動(dòng)力和日常維護(hù)，一次投入，后續(xù)費(fèi)用低。缺點(diǎn)是安裝該裝置時(shí)老井需要進(jìn)行作業(yè)施工，費(fèi)用高；新井安裝該裝置，對(duì)于后續(xù)作業(yè)造成一定影響，需要更換匹配的小直徑入井設(shè)備。

4 結(jié)論

1)加入孔板后，能夠提高氣體的攜液能力，阻止液體在井筒中的回流，提高氣體排液效率。層級(jí)式孔板排水裝置用于氣井增產(chǎn)的方法和原理是成立的、有效的。

2)孔板排水裝置能夠提高氣體及泡沫攜液效果；但從排液效率來看，層級(jí)式孔板排水裝置排液效率還不理想，試驗(yàn)中與加泡沫劑還有一定的差距，該項(xiàng)研究只是起到了開拓的作用，距離工業(yè)應(yīng)用還有較長(zhǎng)的路要走；同時(shí)，層級(jí)式孔板排液技術(shù)與其他排液方式也并不矛盾，可以共同發(fā)揮彼此的協(xié)同作用。

3)試驗(yàn)條件與實(shí)際的井筒條件相差較大，試驗(yàn)結(jié)果只能證明層級(jí)式孔板排水裝置可以明顯提高氣體排液效果，但在實(shí)際生產(chǎn)中氣體流量和裝置的匹配性、裝置的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，還有待于在現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證和提高，不斷完善成熟。