超高壓氣井節(jié)流技術(shù)的探索與實(shí)踐

杜志勇，王劍飛，李 龍

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)械制造分公司，遼寧盤(pán)錦 124000）

0 引言

通過(guò)給節(jié)流后的天然氣加熱，可以減少水合物生成，提高氣體的純度。但是壓差有時(shí)也會(huì)損壞節(jié)流部件，減弱地面節(jié)流工作效果，增加工作人員的工作任務(wù)和工作強(qiáng)度。另外，低壓設(shè)備會(huì)出現(xiàn)爆炸情況，大大增大了地面節(jié)流的風(fēng)險(xiǎn)。地面節(jié)流裝置需要操作人員動(dòng)手去操作調(diào)節(jié)，一旦出現(xiàn)意外狀況將會(huì)對(duì)操作人員造成一定傷害，再加上超高壓井地面施工困難重重，這給施工人員帶來(lái)很大的壓力。

井下裝設(shè)節(jié)流設(shè)備，可以取代地面節(jié)流措施，降低井筒節(jié)流的氣壓，地溫也有加熱的作用。氣井節(jié)流技術(shù)運(yùn)用給到井下的優(yōu)點(diǎn)較多，可以讓施工作業(yè)變得更簡(jiǎn)便，減少建設(shè)成本，節(jié)約超高氣井勘察生產(chǎn)成本，而且操作人員通過(guò)設(shè)備檢測(cè)來(lái)控制井下節(jié)流設(shè)備，有利于保障其人身安全，減少社會(huì)矛盾。因此，氣井節(jié)流技術(shù)值得在井下應(yīng)用。

1 超高壓的影響

在地面，翼型的油腔模塊和連接管的組合在生產(chǎn)過(guò)程和壓力可以通過(guò)管道識(shí)別，當(dāng)?shù)叵掳踩y發(fā)生故障并且無(wú)法控制時(shí)，應(yīng)通過(guò)井管壓井及時(shí)處理。天然氣溫度、壓力和流量防水套等，管道設(shè)計(jì)，壓力管道設(shè)計(jì)通常約10 MPa，高壓部分經(jīng)常超過(guò)30 MPa，因此保障井口的下游工藝和自控設(shè)備的安全運(yùn)行尤為重要。

1.1 對(duì)井下節(jié)流器的影響

超高氣壓導(dǎo)致井下節(jié)流氣壓差變大（80～100 MPa），而當(dāng)前節(jié)流器的最大節(jié)流氣壓差是70 MPa，無(wú)法滿(mǎn)足節(jié)流需求。超高壓超過(guò)節(jié)流器的承載范圍時(shí)，就會(huì)對(duì)節(jié)流器造成破壞，甚至影響氣井的勘探與開(kāi)發(fā)。

超高壓氣井內(nèi)氣壓的壓差一般保持在10～20 MPa，可避免氣壓變化太大導(dǎo)致膠桶發(fā)生變化。井口會(huì)被操作人員開(kāi)啟和關(guān)閉，這個(gè)過(guò)程中節(jié)流器上游壓力與下游壓力會(huì)產(chǎn)生變化，頻率的開(kāi)啟與關(guān)閉操作會(huì)讓膠桶承受氣壓能力變?nèi)?，?jié)流器不能正常工作。超高壓氣井內(nèi)氣壓的幅度變化更會(huì)對(duì)節(jié)流器和膠桶的正常使用產(chǎn)生不良影響。

臨界流動(dòng)、亞臨界流動(dòng)是節(jié)流器氣體流動(dòng)主要表現(xiàn)形式，操作工人需要精確區(qū)分氣體流動(dòng)的兩種類(lèi)型，通常情況下通過(guò)觀(guān)察入口壓力與出口壓力的比值來(lái)區(qū)分氣體流動(dòng)類(lèi)型。在初期，采氣時(shí)地面使用中低壓集氣管線(xiàn)，初期壓力高，氣井節(jié)流后的壓差又比較大，這是臨界流動(dòng)。其他情況就是亞臨界流動(dòng)。

有一種依靠彈簧力來(lái)發(fā)揮預(yù)密封作用的瓦式節(jié)流器。它在井口開(kāi)啟后形成上游與下游壓差，才可以充分發(fā)揮二次密封作用?？ㄍ呤骄鹿?jié)流器口徑大小要合理，配合使用的彈簧直徑大小要符合配件的大小，外直徑小大也要符合規(guī)范。彈簧使用鋼絲材料，彈簧總體長(zhǎng)度為115 mm，總?cè)?shù)為13。彈簧強(qiáng)度提高，會(huì)改善節(jié)流器密封效果，減少節(jié)流失效情況。

1.2 對(duì)井筒的影響

（1）高壓狀態(tài)下鉆井，井筒會(huì)返出固態(tài)顆粒，沖蝕鉆井設(shè)備。

（2）在高溫高壓的不同階段，井筒的溫度變化也比較大，油管可能會(huì)變形，水合物形成也會(huì)遇到元素變化的困難。

（3）套管的安全性受到挑戰(zhàn)，井下工具的壽命也會(huì)相應(yīng)縮短。

1.3 對(duì)工作人員的影響

（1）鉆井時(shí)需要工作人員下井勞作、操作設(shè)備，而在超高壓會(huì)使人體內(nèi)的激素不穩(wěn)定，身體出現(xiàn)不適狀態(tài)。

（2）節(jié)流件受高壓的侵蝕影響，閥門(mén)密封部件的性能會(huì)變差，導(dǎo)致工人井控工作難度增加。

（3）天然氣容易出現(xiàn)泄爆事故，給人們的生命安全造成威脅。

2 創(chuàng)新節(jié)流模型設(shè)計(jì)

（1）改造節(jié)流壓降模型。超高壓氣井節(jié)流需要建立壓降模型，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算來(lái)降低氣壓，便于后期節(jié)流工作的正常展開(kāi)。臨界流和亞臨界流的數(shù)據(jù)要做好實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)：處于臨界電流時(shí)，氣井產(chǎn)量不會(huì)因?yàn)橛妥煜掠螇毫ψ兓兓?，?jié)流前后壓力比小于0。

（2）設(shè)計(jì)節(jié)流溫降模型。操作人員需要詳細(xì)記錄超高壓氣井節(jié)流前后氣體的流速、單位質(zhì)量氣體的位置、氣體隨周?chē)h(huán)境變化的熱交換情況、氣體所做的軸功情況和重力加速度等細(xì)節(jié)。根據(jù)實(shí)際情況，構(gòu)造節(jié)流溫降模型。

3 節(jié)流技術(shù)應(yīng)用

3.1 利用疊式氣動(dòng)膜片式執(zhí)行器技術(shù)

疊式氣動(dòng)膜片執(zhí)行器配合節(jié)流器，增加井內(nèi)以及外環(huán)境技術(shù)設(shè)備控制系統(tǒng)的安全。利用這種技術(shù)排放的氣體，不會(huì)污染環(huán)境，這也是液壓驅(qū)動(dòng)做不到和無(wú)法超越的。這種技術(shù)可以提高氣井的安全性，為節(jié)流提供的有力支持。

3.2 利用串聯(lián)與關(guān)聯(lián)控制技術(shù)

超高壓節(jié)流的順利進(jìn)行離不開(kāi)井口安全的保障?？茖W(xué)使用關(guān)聯(lián)選擇閥，利用串聯(lián)與關(guān)聯(lián)控制技術(shù)，獨(dú)立每套井口地面安全控制系統(tǒng)，節(jié)流與其他設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)息息相關(guān)，操作工人便能一目了然地掌握氣井的運(yùn)行情況，節(jié)流效果也可以正常維持。

3.3 多級(jí)設(shè)置傳感器組

組合安裝的傳感器通常有兩組，高壓傳感器與低壓傳感器有自己的固定安裝位置。壓力的設(shè)定值在不同級(jí)別的節(jié)流后，有細(xì)微差別，操作人員需要做好記錄與執(zhí)行。一般情況下，三級(jí)節(jié)流后高壓設(shè)定為28.50 MPa，低壓值設(shè)定為24.50 MPa；五級(jí)節(jié)流閥后高壓值為8.50 MPa，低壓值為6.30 MPa。傳感器取壓口連接尺寸也有規(guī)定，一般可設(shè)置為Φ12.7 mm（NPTF）。

3.4 調(diào)整油嘴尺寸的技術(shù)

節(jié)流壓降隨兩個(gè)節(jié)流噴嘴的尺寸組合而變化。當(dāng)?shù)谝患?jí)節(jié)流閥噴嘴尺寸大于第二級(jí)節(jié)流閥噴嘴尺寸時(shí)，第一級(jí)節(jié)流閥噴嘴仍在節(jié)流，不受影響。第一節(jié)流閥壓差隨第一節(jié)流閥噴嘴尺寸的增大而減小。在第一節(jié)流口尺寸不變的情況下，第二節(jié)流口由5 mm 減小到3 mm，第一節(jié)流口的壓差受影響較小，保持在9 MPa。當(dāng)?shù)谝患?jí)和第二級(jí)節(jié)流閥噴嘴尺寸均為5 mm 時(shí)，采用“下小上大”的節(jié)流閥方案。壓降的比第一階段和第二階段的節(jié)流接近1∶1，可以確保第一階段的長(zhǎng)期有效性，油門(mén)和小直徑節(jié)流噴嘴的位置可以保證氣井順利通過(guò)第二階段與大直徑節(jié)流噴嘴。當(dāng)一級(jí)節(jié)流閥的噴嘴尺寸比第二級(jí)節(jié)流閥的噴嘴尺寸大1 mm 時(shí)，一級(jí)節(jié)流閥的壓差與節(jié)流閥總壓降之比隨著產(chǎn)氣量的降低從30%減小到22%。當(dāng)產(chǎn)量繼續(xù)下降時(shí)，第二級(jí)節(jié)流閥將無(wú)法成為第一級(jí)節(jié)流閥。

地下安裝的兩個(gè)節(jié)流噴嘴均具有節(jié)流作用，“下小上大”的雙節(jié)流方案，兩級(jí)節(jié)流壓降比為1∶1，可以保證氣體通過(guò)上噴嘴，節(jié)流后水合物經(jīng)過(guò)節(jié)流噴嘴，溫度產(chǎn)生的壓力低于節(jié)流后的溫度。為了達(dá)到這一目的，應(yīng)合理設(shè)計(jì)兩級(jí)節(jié)流噴嘴的間距。

3.5 利用智能控制技術(shù)

石油工業(yè)中應(yīng)用智能化控制技術(shù)是很有必要的。由于操作員工不能接近高壓區(qū)，所以應(yīng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，以便于檢測(cè)節(jié)流情況、調(diào)整裝置數(shù)據(jù)。節(jié)流器與智能技術(shù)的完美配合，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)各級(jí)節(jié)流的精確控壓，有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)流的目標(biāo)，還可以保障員工的安全。

3.6 有效利用低溫凍結(jié)的加熱技術(shù)

在開(kāi)井初期井溫通常比較低，可以設(shè)置蒸汽伴熱車(chē)進(jìn)行保溫伴熱工作，但在后期會(huì)導(dǎo)致有更多水合物出現(xiàn)。由于水合物會(huì)阻塞氣體管道，影響節(jié)流工作，因此必需合理利用加熱技術(shù)。例如，可以在四級(jí)節(jié)流閥后安裝水套加熱爐。

3.7 優(yōu)選井下節(jié)流采氣工藝

為確定產(chǎn)氣井最佳采氣工藝，操作人員要分析不同的采氣方式，做到特殊問(wèn)題特殊對(duì)待。超高壓氣井采氣方法運(yùn)用一定要科學(xué)細(xì)心，不僅要選擇優(yōu)良的工藝，還要在開(kāi)采氣井周?chē)约熬疀r條件做好實(shí)地調(diào)研工作，排除環(huán)境中的敏感因素，減少甚至去除它們對(duì)節(jié)流工作的不利影響。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)注意氣井采出液的性質(zhì)、動(dòng)態(tài)參數(shù)、出砂、結(jié)垢等條件。目前有7 套技術(shù)可供選擇，如管柱、游梁抽油機(jī)、氣舉、泡沫、活塞氣舉、電潛泵、噴射泵等。其中，管柱抽氣采氣工藝、柱塞氣舉抽氣采氣工藝、泡沫抽氣采氣工藝、抽氣與氣泡抽氣相結(jié)合抽氣采氣工藝、合理攜液生產(chǎn)系統(tǒng)抽氣采氣工藝、井口加壓和氣泡抽放聯(lián)合采氣工藝等，都適用于超高壓氣井節(jié)流采氣工藝。作業(yè)者需要分析每個(gè)工藝的特點(diǎn)和氣井的特點(diǎn)，以確定最佳工藝。

當(dāng)前許多氣井已經(jīng)在井下安裝了節(jié)流器，并采用泡沫抽采技術(shù)，對(duì)氣井進(jìn)行節(jié)流和抽氣。當(dāng)發(fā)泡劑比例為1∶10 時(shí)，氣井產(chǎn)氣量和油套管壓力變化不大，日產(chǎn)氣量為0.59×104m3。當(dāng)發(fā)泡劑比例為1∶5 時(shí)，氣井套管壓力會(huì)上升，最終達(dá)到2 MPa。實(shí)踐表明，采用泡沫抽采法可使日氣量增加1000 m3左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

人們現(xiàn)在的生活與工作也越來(lái)越依賴(lài)氣井開(kāi)采出的天然氣的使用，因此對(duì)于氣井的勘測(cè)與開(kāi)采工作會(huì)只增不減。超高壓氣井已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，如何更好地利用氣井提供的環(huán)保資源，增加氣體的儲(chǔ)存就顯得極其重要。

超高壓的環(huán)境對(duì)于勘測(cè)、員工入井開(kāi)采都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，也會(huì)阻礙氣井的節(jié)流工作，所以井下如何節(jié)流、采用先進(jìn)的技術(shù)就顯得非常關(guān)鍵。

超高壓氣井可節(jié)流能夠簡(jiǎn)化地面流程，降低投資，“下小上大”雙級(jí)節(jié)流技術(shù)不僅可以使氣井流量順利傳輸，還可以減少操作工人的工作困難。盡管我國(guó)在超高壓氣井節(jié)流方面的工作已經(jīng)取得了不錯(cuò)成果，也可以借鑒西方的節(jié)流技術(shù)，運(yùn)用不同的方法和步驟增加對(duì)氣井的綜合利用方式，提高開(kāi)采效果。