王熒光 裴紅 劉文偉 郭振 裴巧卉

中國石油遼河工程有限公司

蘇里格氣田井下節(jié)流綜合預(yù)測

王熒光 裴紅 劉文偉 郭振 裴巧卉

中國石油遼河工程有限公司

王熒光等.蘇里格氣田井下節(jié)流綜合預(yù)測.天然氣工業(yè),2010,30(2):97-101.

傳統(tǒng)井下節(jié)流工藝通常采用圖版法、簡化模型或焓熵圖圖解法來求解節(jié)流降溫過程,這些算法都缺乏通用性和計(jì)算的連續(xù)性。為此,應(yīng)用TACITE穩(wěn)態(tài)模型分別結(jié)合Perkins和Fortunati節(jié)流模型對蘇里格氣田井下節(jié)流過程的溫度、壓力變化進(jìn)行模擬,并采用NETOPT網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型對井下節(jié)流器的內(nèi)徑進(jìn)行預(yù)測優(yōu)化,同時(shí)采用多種模型對井下節(jié)流過程進(jìn)行井下節(jié)流敏感性分析、天然氣水合物抑制效果預(yù)測和流體臨界狀態(tài)判斷。模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)比較表明:多種預(yù)測模型的綜合運(yùn)用可較好地對井下節(jié)流過程的壓力、溫度、節(jié)流器內(nèi)徑等節(jié)流參數(shù)進(jìn)行預(yù)測模擬,為該氣田井下節(jié)流工藝提供了可靠的預(yù)測手段;井下節(jié)流可較好地簡化井口流程并改善井筒天然氣水合物的形成條件;馬赫數(shù)臨界判定方法對井下節(jié)流流體臨界狀態(tài)的判定要比理論臨界壓力比判定方法更嚴(yán)格、準(zhǔn)確。

蘇里格氣田 井下節(jié)流 TACITE穩(wěn)態(tài)模型 Perkins和Fortunati節(jié)流模型 NETOPT網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型敏感性分析 臨界狀態(tài)

蘇里格氣田環(huán)境惡劣,環(huán)境溫度變化較大,在天然氣開采和運(yùn)輸過程中,天然氣中的某些組分與液態(tài)水易形成冰雪狀的天然氣水合物,嚴(yán)重堵塞井筒、管線等設(shè)備,從而影響天然氣的開采、集輸和處理的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。常規(guī)防治天然氣水合物的措施是應(yīng)用水套爐加熱或加入天然氣水合物抑制劑等工藝。而井下節(jié)流工藝在實(shí)現(xiàn)井筒節(jié)流降壓的同時(shí),充分利用地溫對節(jié)流后的天然氣加熱,使節(jié)流后天然氣溫度高于該壓力下的天然氣水合物形成溫度,達(dá)到了降低地面集輸管線壓力、取消地面加熱設(shè)施、減少抑制劑用量,提高氣井?dāng)y液能力及穩(wěn)定氣井生產(chǎn)能力的目的,從而節(jié)省了地面建設(shè)的投資并降低了裝置能耗。目前該工藝已在蘇里格氣田得到了成功應(yīng)用,具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值[1]。

井下節(jié)流方法自20世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來,Ros、Poettman、Ashford等人先后建立了相關(guān)的節(jié)流計(jì)算模型,但由于實(shí)際應(yīng)用效果欠佳,沒有得到普遍應(yīng)用。直到20世紀(jì)80年代,井下節(jié)流工藝由于其優(yōu)異的性能才重新引起世人的關(guān)注,通常采用圖版法、簡化模型或焓熵圖圖解法來求解節(jié)流降溫過程,但這些算法缺乏通用性和計(jì)算的連續(xù)性[2]。因此研究和發(fā)展簡潔有效的天然氣節(jié)流模型具有重要的實(shí)際意義。現(xiàn)采用TACITE穩(wěn)態(tài)模型、Perkins與Fortunati節(jié)流模型和NETOPT網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型對蘇里格氣田蘇10井區(qū)井下節(jié)流過程進(jìn)行綜合預(yù)測,為井下節(jié)流分析和天然氣水合物防治工藝提供有效的技術(shù)指導(dǎo)。

1 綜合預(yù)測模型

1.1 壓降計(jì)算模型

壓降計(jì)算采用 TACITE穩(wěn)態(tài)編碼。TACITE主要應(yīng)用之一是預(yù)測由流體流動(dòng)邊界條件發(fā)生變化所引起的液塞在瞬態(tài)兩相流中的傳播。TACITE以漂移流動(dòng)模型的數(shù)值分辨力為基礎(chǔ),可適用于多相傳輸中的有關(guān)坡度、流動(dòng)特性和流動(dòng)形式的任何情況,其精確的數(shù)值格式可以對混合物組成進(jìn)行精確的追蹤,所以其對每一個(gè)組分都具有一個(gè)質(zhì)量守恒方程,還具有一個(gè)混合物能量守恒方程和一個(gè)混合物動(dòng)量守恒方程[3]。該模型的準(zhǔn)確性已得到 AGIP、TOTAL和ELF的驗(yàn)證[4]。

1.2 井下節(jié)流模型

目前采用的節(jié)流降壓經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型有GF(Gilbert、Ros、Baxendell、Achong)模型[5],其主要應(yīng)用于黑油系統(tǒng),而優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)模型的機(jī)理模型由于對物理過程具有較好的解析能力而被普遍采用。該研究分別采用了適合氣液兩相組成流的 Fortunati經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)[6-7]與Perkins機(jī)理模型[8-9]對井下節(jié)流器性能進(jìn)行研究。

1.3 NETOPT優(yōu)化模型

NETOPT是基于非線性序列二次規(guī)劃[10](SQP)算法的油氣網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)操作優(yōu)化計(jì)算模型。NETOPT可以優(yōu)化油氣田生產(chǎn)操作的全方位戰(zhàn)略。

NETOPT模型終止計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為:

1)在連續(xù)迭代循環(huán)中目標(biāo)函數(shù)相對誤差小于0.005(可自定義)。

2)在連續(xù)迭代循環(huán)中每一變量相對誤差小于0.0001(可自定義)。

3)達(dá)到定義的最大迭代次數(shù)(可自定義)。

1.4 井下節(jié)流臨界狀態(tài)判定模型[11]

在實(shí)際臨界狀態(tài)時(shí),臨界壓力比要小于理論值。因此,同時(shí)采用原始定義臨界狀態(tài)的馬赫判定模型:若Ma>1為臨界流;否則為亞臨界流。

2 井下節(jié)流綜合預(yù)測

2.1 蘇10井區(qū)天然氣典型組成

蘇里格氣田屬低孔隙度(8.95%)、低滲透率(0.73×10-3μm2)、低產(chǎn)量(1×104～3×104m3/d)、低豐度(1.3×108m3/km2)、低含氣飽和度(50%～60%)、低壓力(28MPa)的“六低”氣田,凝析油含量很低,為2.15～4.93g/m3,露點(diǎn)壓力較低,CO2平均含量約1.076%,不含 H2S,相對密度為0.5687。其天然氣組成見表1。

表1 蘇里格氣田天然氣組成表

2.2 井下節(jié)流參數(shù)預(yù)測

通過將實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)比較(表2)可以看到,井下節(jié)流可有效的降低井口壓力[12]。采用 Perkins和Fortunati節(jié)流器壓降模型與 TACITE穩(wěn)態(tài)壓降模型對井口壓力和溫度的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值相差不大,都可用于井下節(jié)流的計(jì)算。在采用NETOPT模型對節(jié)流器內(nèi)徑進(jìn)行預(yù)測時(shí),兩種節(jié)流器模型對節(jié)流器內(nèi)徑的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值有較好的匹配,但Perkins模型對套管壓力大于14MPa的節(jié)流器內(nèi)徑大小預(yù)測的較好,Fortunati對套管壓力小于12MPa的節(jié)流器內(nèi)徑大小預(yù)測的結(jié)果較理想。Rastoin等[13]對通過節(jié)流器的多相流的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究比較得出Perkins模型是最好的節(jié)流模型。Perkins模型充分考慮了通過節(jié)流器的混合速度的影響和節(jié)流現(xiàn)象的多元化計(jì)算,而不是當(dāng)成簡單的等熵過程。

表2 井下節(jié)流計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)表

2.3 井下節(jié)流敏感性分析

圖1是井口壓力、流量、節(jié)流器內(nèi)徑敏感性分析圖。由圖1可知:流量增加時(shí),節(jié)流器內(nèi)徑越大,井口壓力的變化幅度越大;在井口壓力不變的情況下,節(jié)流器內(nèi)徑越大,與其相對應(yīng)的流量也最大;在節(jié)流器內(nèi)徑不變的條件下,流量越大,井口壓力越低。此外,通過圖1的敏感性分析可知隨著井口壓力的變化,通過節(jié)流器的流量也隨著發(fā)生變化,可見通過節(jié)流器的流體流動(dòng)狀態(tài)處于亞臨界流動(dòng)狀態(tài)。

圖1 井口壓力、流量、節(jié)流器內(nèi)徑敏感性分析圖

圖2是井底壓力、溫度、節(jié)流器內(nèi)徑敏感性分析圖,由圖2可知:在節(jié)流器內(nèi)徑不變的條件下,隨著井底壓力的降低,井口壓力降低,但井口溫度卻沒有明顯改變;在井底壓力不變的條件下,隨著節(jié)流器內(nèi)徑的減小,井口壓力降低,但井口溫度卻沒有較明顯的降低?？梢娫诰鹿?jié)流條件下,井口的溫度對流量、節(jié)流器內(nèi)徑大小和井底壓力的變化并不十分敏感。同時(shí),從圖2還可以看到流體經(jīng)過井下節(jié)流后壓力陡然下降,節(jié)流后的流體由于與環(huán)境進(jìn)行換熱后溫度有所回升,溫度沿正常溫降曲線進(jìn)行變化。

圖2 井底壓力、溫度、節(jié)流器內(nèi)徑敏感性分析圖

2.4 井下節(jié)流天然氣水合物抑制效果

圖3顯示出了各井在井下節(jié)流與沒有井下節(jié)流情況下的溫度及壓力變化趨勢,從圖3可以看到,在沒有采用井下節(jié)流工藝時(shí),井下天然氣水合物形成位置分別為:207m(蘇10-39-37)、153m(蘇10-39-55)、265m (蘇10-34-30)、122m(蘇-10-34-24)、254m(蘇10-44-29)、200m(蘇10-45-25),井筒被天然氣水合物冰堵的可能性很大,影響了正常的生產(chǎn)。而采用地面節(jié)流工藝會(huì)加劇管線內(nèi)天然氣水合物的形成,因此需要對地面管線采取注醇或井口加熱等工藝來防治天然氣水合物[14-15],這樣便會(huì)使工藝復(fù)雜化,并使工程投資相應(yīng)增加。而采用井下節(jié)流工藝,由于節(jié)流后的流體與環(huán)境進(jìn)行換熱,其在井口處的溫度與未采用井下節(jié)流工藝的流體在井口處的溫度沒有大的變化,而井口壓力卻有效地降低了,即降低了天然氣水合物的形成溫度,有效改善了井下和地面管線中天然氣水合物的形成條件,簡化了井口工藝,降低了投資,保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

2.5 井下節(jié)流臨界狀態(tài)的判定

流體流經(jīng)節(jié)流器的運(yùn)動(dòng)屬于節(jié)流流動(dòng)。節(jié)流過程使壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能,以使流速增加,溫度下降。但當(dāng)節(jié)流器上下游壓力之比達(dá)到某一值時(shí),流體穿越節(jié)流器的流速將接近于聲速,這時(shí)下游壓力的變化將不會(huì)改變介質(zhì)的流速,其仍保持聲速流動(dòng),這就是所謂的臨界流動(dòng)狀態(tài),此時(shí)井下節(jié)流具有減緩井下壓力激動(dòng)、減緩井下出砂等功能。目前判別井下節(jié)流臨界狀態(tài)的方法有采用理論臨界壓力比與馬赫數(shù)臨界判定方法。表3為6口井井下節(jié)流臨界狀態(tài)判定表,通過比較可知,采用理論臨界壓力比方法判定各井下節(jié)流均處于臨界流動(dòng)狀態(tài),而采用馬赫數(shù)臨界判定方法卻得出了流體處于亞臨界狀態(tài)的結(jié)論,該結(jié)論與前面靈敏性分析得到的結(jié)果一致?？梢婑R赫數(shù)臨界判定方法對井下節(jié)流臨界狀態(tài)的判定比理論臨界壓力比判定方法要準(zhǔn)確、嚴(yán)格。

3 蘇10井區(qū)井下節(jié)流工藝

蘇里格氣田蘇10井區(qū)合作區(qū)的面積為542km2,含氣面積為358km2,探明儲(chǔ)量1066.88×108m3,年產(chǎn)天然氣10×108m3,建井766口,穩(wěn)產(chǎn)10a。該井區(qū)采用井下節(jié)流工藝,使井口井流物壓力降低,井流物溫度高于天然氣水合物形成溫度,單井氣體經(jīng)過井口計(jì)量后通過采氣管線與其他單井來氣匯合輸往集氣閥組,再通過集氣干線輸往集氣增壓站。井口不設(shè)置加熱爐和節(jié)流閥,采氣管道也不保溫,大大簡化了井口工藝,利于工人操作與管理。對于本工程,僅取消管道保溫一項(xiàng)就比井口加熱方案節(jié)省投資4346萬元,井口每年節(jié)省燃料氣消耗量651.6×104m3,節(jié)省費(fèi)用521.28萬元,同時(shí)取消了甲醇注入,節(jié)能降耗,使單井投資降到了90萬元以下,對降低地面投資有十分積極的作用,同時(shí)滿足了集輸要求。

圖3 井筒天然氣水合物形成趨勢圖

表3 井下節(jié)流臨界狀態(tài)判定表

4 結(jié)論

1)TACITE穩(wěn)態(tài)模型分別與 Perkins、Fortunati兩種節(jié)流模型結(jié)合可對井下節(jié)流過程進(jìn)行較好的模擬。采用Perkins節(jié)流模型經(jīng)NETOPT優(yōu)化得到的節(jié)流器內(nèi)徑在高井低壓力情況下優(yōu)于Fortunati節(jié)流模型。TACITE穩(wěn)態(tài)、NETOPT優(yōu)化模型和Perkins與Fortunati兩種節(jié)流模型相結(jié)合,可有效地對井下節(jié)流過程進(jìn)行模擬。

2)通過對井下節(jié)流過程的靈敏度分析,得出了井底壓力、井口壓力、溫度、流量和節(jié)流器內(nèi)徑的相互影響規(guī)律。為蘇里格井下節(jié)流過程分析提供了依據(jù)。

3)經(jīng)過井下節(jié)流可有效抑制井筒內(nèi)天然氣水合物的形成,而未采用節(jié)流工藝的各井均在井筒內(nèi)不同深度有天然氣水合物的形成,為天然氣水合物的防治提供了必要的理論依據(jù)。

4)通過對井下節(jié)流過程臨界狀態(tài)的判定發(fā)現(xiàn)采用馬赫數(shù)對流體臨界狀態(tài)的判定要比理論判定方法要準(zhǔn)確、嚴(yán)格。

5)通過井下節(jié)流,可大幅度降低蘇10井區(qū)地面建設(shè)的投資與生產(chǎn)成本。

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(修改回稿日期 2009-12-29 編輯 何 明)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.026

Wang Yingguang,engineer,was born in1979.He holds an M.Sc.degree,being engaged in oil and gas engineering research and design.

Add:No.93,Petroleum Avenue,Xinglongtai District,Panjin,Liaoning124010,P.R.China

Mobile:+86-15842701850 E-mail:wangyingguang7@126.com

An integrated forecast for downhole throttling at the Sulige gas field

Wang Yingguang,Pei Hong,Liu Wenwei,Guo Zhen,Pei Qiaohui
(PetroChina L iaohe Petroleum Engineering Co.,L td.,Panjin,L iaoning124010,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.97-101,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Generally,the chart method,the simplified model and enthalpy entropy chart are adopted to solve the throttling and temperature dropping process in the traditional downhole throttling process.However,these methods lack commonality and continuity in calculation.Therefore,the TACITE steady-state model,combined with the Perkins and Fortunati throttling models respectively, is applied to simulate the temperature and pressure change at the Sulige gas field.Besides,the NETOPT network optimization model is used to predict and optimize the inside diameter(ID)of downhole choke.In addition,various models are adopted to analyze the downhole throttling sensibility,to predict the effect of gas hydrates,and to determine the fluid critical state.The simulation results, compared with the on-site statistics,show that the integrated application of diverse prediction models can favorably predict and simulate the pressure,temperature and the choke ID,etc.,which provides credible prediction tools for the Sulige gas field.The downhole throttling can nicely simplify the wellhead process and improve the formation conditions of gas hydrates at the well bore.The Mach number principle,which is adopted to determine the fluid critical state,is more rigorous and accurate than the theoretical method.

Sulige gas field,downhole throttling,TACITE steady-state model,NETOPT network optimization model,Perkins and Fortunati throttling models,sensitivity analysis,critical state

book=97,ebook=143

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.026

王熒光,1979年生,工程師,碩士;主要從事石油天然氣工程設(shè)計(jì)及研究工作。地址:(124010)遼寧省盤錦市興隆臺(tái)區(qū)石油大街93號。電話:15842701850。E-mail:wangyingguang7@126.com