蘇里格氣田桃7區(qū)塊井下節(jié)流參數(shù)優(yōu)化

汪春浦，唐華佳，肖高棉，羅 超，陳旭波，李 洲

（1.中國石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川成都 570206；2.中國石化河南油田分公司采油一廠，河南南陽 474750；3.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽 473132）

井下節(jié)流工藝可降低地面管線壓力，也可有效防止水合物生成，在蘇里格氣田得到了廣泛應(yīng)用[1–3]。蘇里格氣田桃7區(qū)塊探明地質(zhì)儲量為630.86×108m3，目前已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)10年。隨著氣藏的不斷開發(fā)，桃7區(qū)塊產(chǎn)水井逐漸增多[4]，產(chǎn)水氣井比例超過40%，氣井產(chǎn)水后，地層能量衰竭較快，容易產(chǎn)生井筒積液，從而影響氣井的正常生產(chǎn)。目前，井下節(jié)流工藝對氣井有效攜液能力的影響尚存在爭議，部分學(xué)者認(rèn)

為，產(chǎn)水氣井經(jīng)過井下節(jié)流氣嘴后，液滴變小，更有利于被攜帶至井口，開發(fā)實(shí)踐表明，有部分氣井的攜液能力因井下節(jié)流而有所增加；但也有部分能正常攜液生產(chǎn)的氣井在實(shí)施井下節(jié)流后，因加速積液造成停產(chǎn)[5]。為此，文中針對桃7區(qū)塊產(chǎn)水氣井，在準(zhǔn)確預(yù)測其井筒壓力和溫度分布的基礎(chǔ)上，分析了井下節(jié)流對臨界攜液流量的影響特征，并對井下節(jié)流工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。

1 井下節(jié)流氣井壓降和溫降計(jì)算模型

準(zhǔn)確地計(jì)算氣井井筒內(nèi)壓力和溫度分布是氣井井下節(jié)流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。氣井產(chǎn)水后，井筒內(nèi)流體呈氣液兩相混合流動(dòng)。目前國內(nèi)外常用的兩相流井筒壓降計(jì)算模型有Hagedorn–Brown模型[6]、Duns–Ros模型[7]、Beggs–Brill模型[8]、Mukherjee–Brill模型[9]等。兩相流井筒壓降計(jì)算模型大多數(shù)是在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上建立起來的，各有其適用范圍。由于井筒流體流動(dòng)的復(fù)雜性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需分別用各種模型進(jìn)行計(jì)算，然后優(yōu)選與實(shí)測壓力吻合較好的模型作為該區(qū)塊的基本模型。井筒內(nèi)溫度分布可采用工程常用的傳熱機(jī)理模型[10]進(jìn)行計(jì)算。此外，由于井下下有節(jié)流器，氣體經(jīng)過節(jié)流氣嘴后壓力及溫度會發(fā)生突降，井下節(jié)流氣嘴處的壓降可用兩相流嘴流模型進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)的溫降則考慮節(jié)流前后焓值相等來進(jìn)行計(jì)算[11]。

針對桃7區(qū)塊25口有實(shí)測井底流壓數(shù)據(jù)的產(chǎn)水氣井，運(yùn)用Pipesim軟件并結(jié)合上述模型對其井底流壓和溫度進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，選用誤差最小的計(jì)算模型作為該井壓力計(jì)算方法。結(jié)果表明，Hagedorn–Brown模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合度高，能夠滿足工程計(jì)算的精度要求，可用于桃7區(qū)塊氣井井筒壓力預(yù)測。

2 臨界攜液流量計(jì)算模型

氣井臨界攜液流量是指產(chǎn)水氣井井筒中不產(chǎn)生積液所需的最小氣體流量，常用的氣井臨界攜液流量計(jì)算模型有Turner模型[12]、李閩模型[13]等。選取桃7區(qū)塊生產(chǎn)數(shù)據(jù)完善的氣井83井次，分別采用Turner模型、李閩模型進(jìn)行攜液流量計(jì)算（圖1、圖2）。從圖中可知，利用Turner模型預(yù)測的臨界攜液流量偏大，部分氣井產(chǎn)氣量低于Turner模型計(jì)算得到的臨界攜液流量，但仍能攜液生產(chǎn)；李閩模型的計(jì)算結(jié)果更接近于生產(chǎn)實(shí)際，可較好地預(yù)測氣井積液，指導(dǎo)氣田生產(chǎn)。為了分析井下節(jié)流對氣井連續(xù)攜液的影響，結(jié)合桃7區(qū)塊產(chǎn)水氣井實(shí)際情況，文中選用李閩模型計(jì)算氣井臨界攜液流量，計(jì)算公式如下：

圖1 Turner模型預(yù)測結(jié)果

圖2 李閩模型預(yù)測結(jié)果

式中：σ為液體表面張力，N/m；g為重力加速度，m/s2；ρl為液體密度，g/cm3；ρg為氣體密度，g/cm3；CD為曳力系數(shù)，取1。

3 氣井井下節(jié)流參數(shù)優(yōu)化

蘇里格氣田桃7區(qū)塊大多井都采用井下一級節(jié)流生產(chǎn)。例如，2014年5月對X1井進(jìn)行投產(chǎn)，產(chǎn)層中部深度（垂深）為3 368.5 m，2015年5月在井深2 055.0 m處下入節(jié)流器，氣嘴直徑為2.1 mm，并于2017年6月進(jìn)行了開井探測液面測試，測試結(jié)果顯示環(huán)空液面為3 405.0 m，產(chǎn)氣量為0.59×104m3/d，井口油壓為0.78 MPa，套壓為5.63 MPa，根據(jù)產(chǎn)水規(guī)律預(yù)測水氣比為1.20 m3/104m3。運(yùn)用Pipesim軟件并結(jié)合李閩模型對該井井筒壓力及溫度剖面進(jìn)行了計(jì)算（圖3、圖4），計(jì)算得到井底流壓為6.79 MPa，與按照環(huán)空液面計(jì)算的井底流壓（6.84 MPa）僅相差0.05 MPa；計(jì)算得到井底溫度為110.0 ℃，與實(shí)測溫度（109.5 ℃）吻合度非常高（圖5），這表明所選的李閩模型計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際生產(chǎn)情況。

圖3 節(jié)流前后氣井井筒壓力分布

圖4 節(jié)流前后氣井井筒溫度分布

圖5 實(shí)測溫度與模型計(jì)算溫度擬合曲線

3.1 節(jié)流前后參數(shù)對比

采用李閩模型對X1井井筒臨界攜液流量和臨界攜液流速分布進(jìn)行計(jì)算（圖6、圖7）。從圖6中可以看出，井下安裝有節(jié)流器的氣井，由于節(jié)流氣嘴位置處壓力發(fā)生突然下降，臨界攜液流量較氣嘴上游明顯降低，流經(jīng)節(jié)流氣嘴后氣體的攜液能力增大。當(dāng)井口壓力較低時(shí)，從節(jié)流器至井口位置，壓力逐漸降低，臨界攜液流量也逐漸呈減小趨勢，提高了氣體的攜液能力；井下未安裝節(jié)流器的氣井，井筒中氣井臨界攜液流量相對較高。從氣體井筒內(nèi)臨界攜液流速分布也可以看出，井下未安裝節(jié)流器的氣井，臨界攜液流速從井底到井口變化相對較小；井下安裝有節(jié)流器的氣井，流經(jīng)節(jié)流器后，由于壓降和溫降的影響，臨界攜液流速呈增大趨勢，提高了氣體的攜液能力。

圖6 氣井井筒臨界攜液流量分布

圖7 氣井井筒臨界攜液流速分布

進(jìn)一步分析井口壓力變化時(shí)氣井井筒臨界攜液流量變化特征（圖8）。從圖中可以看出，當(dāng)井口壓力為1.00 MPa和2.00 MPa時(shí)，從節(jié)流器到井口位置，臨界攜液流量呈減小趨勢，表明流經(jīng)節(jié)流氣嘴后井筒內(nèi)氣體攜液能力增大；當(dāng)井口壓力為3.00 MPa時(shí)，從節(jié)流器到井口位置，臨界攜液流量呈增大趨勢，在井口位置處達(dá)到最大，表明流經(jīng)節(jié)流氣嘴后井筒內(nèi)氣體的攜液能力降低，此時(shí)節(jié)流器已起不到增大氣體攜液能力的作用。因此，對于低壓產(chǎn)水氣井，當(dāng)井口壓力相對較高時(shí)，節(jié)流器起不到增大氣體攜液能力的作用，當(dāng)氣井產(chǎn)水后應(yīng)及時(shí)打撈節(jié)流器。

圖8 不同井口壓力下的氣井井筒臨界攜液流量分布

3.2 節(jié)流氣嘴參數(shù)優(yōu)化

對于井下一級節(jié)流問題，需要優(yōu)化的參數(shù)主要有節(jié)流器下入深度和氣嘴直徑，但氣嘴直徑受到井口輸壓的控制，此處主要對節(jié)流器下入深度進(jìn)行優(yōu)化分析?，F(xiàn)固定其他參數(shù)不變，分別計(jì)算X1井不同氣嘴下入深度時(shí)的壓力和溫度分布情況（表1）。從表中可以看出，當(dāng)節(jié)流氣嘴直徑不變時(shí)，隨著節(jié)流器下入深度的增加，節(jié)流壓降增加幅度小，但井筒總壓降降低了1.00 MPa，即當(dāng)井口壓力不變時(shí)，相應(yīng)的井底流壓可降低1.00 MPa，生產(chǎn)壓差相應(yīng)可升高1.00 MPa，有利于進(jìn)一步提高氣井產(chǎn)量。

表1 X1井節(jié)流器不同下入深度井筒壓力和溫度分布對比

此外，從表1中可以看出，隨著節(jié)流器下入深度的增加，節(jié)流器上游溫度逐漸升高，相應(yīng)的節(jié)流下游溫度也更高，從而減小了水合物生成的可能性。為了分析井下節(jié)流器不同下入深度對水合物生成的影響，根據(jù)X1井氣體組成數(shù)據(jù)，采用波諾馬列夫經(jīng)驗(yàn)公式法來計(jì)算預(yù)測X1井井筒內(nèi)天然氣水合物生成條件，并與節(jié)流器不同下入深度下的井筒溫度分布進(jìn)行對比分析（圖9），從圖中可以看出，當(dāng)節(jié)流氣嘴下入深度小于等于1 000 m時(shí)，節(jié)流后氣體溫度接近水合物生成溫度，存在生成水合物的風(fēng)險(xiǎn)。而隨著節(jié)流器下深的增加，節(jié)流后由于溫度驟降而生成水合物的風(fēng)險(xiǎn)逐漸降低。單從防止水合物生成而言，建議該井節(jié)流氣嘴下入深度大于1 000 m。

圖9 X1井節(jié)流器不同下入深度下的溫度分布情況

對比X1井井下節(jié)流器下入深度為2 055 m和3 000 m處的氣井臨界攜液氣量分布情況（圖10），可以看出，在節(jié)流器下入深度為2 055 m時(shí)，節(jié)流前氣井所需的攜液臨界流量為1.24×104m3/d，大于該井實(shí)際產(chǎn)氣量，致使該井積液嚴(yán)重（2019年2月19日測試油管液面為2 096 m，反映井筒積液嚴(yán)重），影響氣井正常生產(chǎn)；當(dāng)將節(jié)流器下深增加至3 000 m時(shí)，此時(shí)節(jié)流器上游壓力為9.80 MPa，足以將井筒產(chǎn)出的氣水混合物推過節(jié)流氣嘴，而此時(shí)油管液面2 096 m處所需的臨界攜液氣量僅為0.59×104m3/d，與氣井目前產(chǎn)氣量相當(dāng)，氣井能夠攜液正常生產(chǎn)。由于節(jié)流器下入深度距離產(chǎn)層頂部很近，即使井下節(jié)流器上游全部積液，對井底流壓的影響也相對較小，可確保該井長期攜液生產(chǎn)。

圖10 X1井井下不同節(jié)流位置對臨界攜液氣量的影響

由上述分析可以看出，適當(dāng)增加節(jié)流器下入深度可有效地提高氣井?dāng)y液能力，且可以減少節(jié)流后形成水合物的可能性。當(dāng)井下節(jié)流氣嘴下入位置下移后，節(jié)流氣嘴上游壓力、溫度增加，這對節(jié)流氣嘴的固定或卡瓦要求更高，節(jié)流氣嘴密封部件也更容易損壞。

選取桃7區(qū)塊內(nèi)23口典型氣井采用上述方法對井下節(jié)流器下入深度進(jìn)行了優(yōu)化分析，綜合分析結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，建議將節(jié)流氣嘴下至距產(chǎn)層頂部約300～500 m處。

4 結(jié)論

（1）通過對比桃7區(qū)塊產(chǎn)水氣井井下節(jié)流前后的臨界攜液流量剖面、臨界攜液流速剖面和舉升壓降等參數(shù)分析得到，對于低壓氣井，井下節(jié)流后氣體攜液能力增大，但井口壓力相對較高時(shí)，節(jié)流器起不到增大氣體攜液能力的作用，當(dāng)氣井產(chǎn)水后應(yīng)及時(shí)打撈節(jié)流器。

（2）基于優(yōu)選的壓降和溫降計(jì)算模型，結(jié)合水合物生成條件，對桃7區(qū)塊23口典型產(chǎn)水氣井井下節(jié)流參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。結(jié)果表明，節(jié)流氣嘴下入深度越深，越有利于氣井?dāng)y液，同時(shí)可有效地避免井筒中水合物的生成。在卡瓦安全的前提下，建議將節(jié)流氣嘴下至距產(chǎn)層頂部約300～500 m處。