陳 鵬,劉繪新,王春生,章景城,張 志,張 勇

(1.西南石油大學(xué),成都610059;2.中石油塔里木油田,新疆 庫爾勒841000)

鉆油管鉆完井條件下采氣井口裝置沖蝕及優(yōu)化

陳 鵬1,劉繪新1,王春生2,章景城2,張 志2,張 勇1

(1.西南石油大學(xué),成都610059;2.中石油塔里木油田,新疆 庫爾勒841000)

氮?dú)忏@井技術(shù)已經(jīng)從低壓、低滲儲(chǔ)層拓展到高產(chǎn)儲(chǔ)層,為保障鉆完井過程的井控安全,某油田采用了鉆完井一體化井口裝置以及鉆油管技術(shù)。由于鉆完井過程中氣體流量大,容易導(dǎo)致采氣井口裝置被嚴(yán)重沖蝕,誘發(fā)事故?；跊_蝕損傷理論,確定氣相臨界速度沖蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),采用CFD方法研究采氣井口裝置在高速氣流下的沖蝕損傷情況,并通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,提出適合高產(chǎn)儲(chǔ)層氮?dú)忏@井技術(shù)的鉆完井一體化投產(chǎn)采氣井口裝置優(yōu)化方案。研究表明:整體式Y(jié)型采油樹受氣體沖蝕的作用最小、采氣能力最強(qiáng),適用于高產(chǎn)氣井;套管環(huán)空采氣井口裝置是在突遇高產(chǎn)氣流或其他特殊工況下采用的一種應(yīng)急裝備。

氣體鉆井;采氣井口裝置;沖蝕作用;CFD

天然氣是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特殊能源與戰(zhàn)略資源之一[1]。我國(guó)已發(fā)現(xiàn)的天然氣藏的地質(zhì)特點(diǎn)和儲(chǔ)層特性給天然氣的開發(fā)與開采帶來了很大的困難[2]。采氣井口裝置的服役環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜,對(duì)安全性和可靠性的要求更高[3]。由于氮?dú)忏@井技術(shù)主要用于打開儲(chǔ)層,為保證鉆完井過程中的井控安全,某油田采用了鉆完井一體化井口裝置以及鉆油管技術(shù),不用更換油管、四通即可實(shí)現(xiàn)鉆井、測(cè)試和采氣等工況的轉(zhuǎn)換。目前,氮?dú)忏@井技術(shù)已經(jīng)從低壓、低滲儲(chǔ)層拓展到高產(chǎn)儲(chǔ)層,由于鉆完井過程中氣體流量大,使采氣井口裝置嚴(yán)重沖蝕,誘發(fā)工程安全隱患,是氮?dú)忏@井技術(shù)應(yīng)用中亟待解決的問題。本文采用CFD方法研究采氣井口裝置在高速氣流下的沖蝕損傷情況,并提出了適合高產(chǎn)儲(chǔ)層氮?dú)忏@井技術(shù)的鉆完井一體化投產(chǎn)采氣井口裝置優(yōu)化方案,為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)提供了必要的技術(shù)支撐。

1 采氣井口

根據(jù)氮?dú)忏@井技術(shù)鉆油管鉆完井實(shí)際工況,采氣井口裝置的選擇主要有3種方案:套管環(huán)空采氣、常規(guī)采油樹采氣、整體式Y(jié)型采油樹采氣。

1.1 套管環(huán)空采氣

套管環(huán)空采氣井口裝置是當(dāng)突遇高產(chǎn)氣流或其他特殊工況,來不及坐封鉆油管的情況下,直接利用鉆油管與井眼之間的環(huán)形空間,經(jīng)多功能四通的旁通口采氣,是一種應(yīng)急措施。

1.1.1 模擬區(qū)域

多功能四通計(jì)算物理模型如圖1所示,四通孔內(nèi)放入直徑為?127 mm的鉆桿,考慮氣流在四通內(nèi)部的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)及極限沖蝕范圍,需增加其旁通道長(zhǎng)度400 mm。考慮鉆桿接頭對(duì)沖蝕效果的影響,采氣作業(yè)時(shí)出口2、出口3關(guān)閉,出口1打開。

1.2 鉆油管采氣

鉆油管采氣方式是在鉆油管完井后,采用常規(guī)采油樹和整體式Y(jié)型采油樹。

1.2.1 常規(guī)采油樹

常規(guī)采油樹是采氣作業(yè)時(shí)普遍使用的一種井口裝置,其幾何模型如圖2所示。流道通徑為?78 mm,采氣作業(yè)時(shí)出口2、出口3關(guān)閉,出口1打開。

圖1 多功能四通物理模型

圖2 常規(guī)采油樹物理模型

1.2.2 整體式Y(jié)型采油樹

整體式Y(jié)型采油樹主要考慮在采氣作業(yè)下對(duì)Y型采氣通道內(nèi)壁的沖蝕作用,結(jié)構(gòu)如圖3所示。通徑為?78 mm,采氣作業(yè)時(shí)出口2關(guān)閉,出口1打開。

1.3 定解條件

進(jìn)口邊界條件為質(zhì)量流量,壓力為出口邊界條件。采用壁面函數(shù)法處理壁面邊界。根據(jù)無滑移條件,壁面上速度均為0。

圖3 Y型采油樹物理模型

2 沖蝕臨界速度

鑒于高速氣體在油管內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)管壁和井下工具產(chǎn)生沖蝕,明顯沖蝕作用時(shí)的流速稱為沖蝕臨界速度[5]。根據(jù)API RP14E標(biāo)準(zhǔn),推薦采用的沖蝕臨界速度為[6]:

式中:c為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),對(duì)于氣液兩相連續(xù)流c取100,間斷流c取125。對(duì)于氣液固三相連續(xù)流c取150～200。對(duì)于氣液固三相間斷流c取250;ρm為氣體介質(zhì)的密度,kg/m3。

采氣過程是連續(xù)投產(chǎn)過程,取c=100。氣體的密度與壓力、溫度有關(guān),在低溫、高壓下還與氣體的壓縮因子有關(guān)。氣體在某壓力、溫度下的密度為:

式中:ρm為氣體介質(zhì)的密度,kg/m3;M為天然氣的相對(duì)分子質(zhì)量;Z為天然氣的壓縮系數(shù);p為天然氣的壓力,k Pa(絕對(duì));T為天然氣絕對(duì)溫度,K。

通過式(1)和(2)可以計(jì)算得出在井口壓力為10 MPa、工況溫度40℃、壓縮因子1.1626,天然氣的密度為5.28 kg/m3和臨界沖蝕速度為43.5 m/s。當(dāng)流體速度高于臨界速度時(shí)沖蝕是高速流體作用于金屬固體表面的普遍現(xiàn)象;當(dāng)流速在20～30 m/s時(shí),主要發(fā)生氣蝕破壞;當(dāng)流速高于30 m/s時(shí),發(fā)生氣蝕與沖蝕的復(fù)合磨損[7-8]。

3 數(shù)值計(jì)算方法

氣井管道內(nèi)流動(dòng)屬于低速粘性繞流問題,由于外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流場(chǎng)中存在各種復(fù)雜的流態(tài),流動(dòng)基本上都是湍流,因此,采用雷諾數(shù)平均的不可壓縮Nvaier-Stkoes方程[9]進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。根據(jù)某油田某氣井?dāng)M采用的井口裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了數(shù)值模擬模型,在采氣工況流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,反映采氣過程中天然氣的流動(dòng)狀況,為分析討論該氣井井口裝置沖刷的原因與擬采用的采氣方式和完井井口裝置的優(yōu)化配置研究提供依據(jù)。

在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí),首先要將空間區(qū)域進(jìn)行離散,即把所計(jì)算的區(qū)域劃分成互不重迭的子區(qū)域,即計(jì)算網(wǎng)格,然后確定每個(gè)子區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)位置及該節(jié)點(diǎn)所代表的控制體積[10]。筆者采用有限體積法非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域,設(shè)置面網(wǎng)格尺寸6 mm,由面網(wǎng)格生成約136萬個(gè)網(wǎng)格。

3.1 通用控制方程與方程的離散

當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中,密度發(fā)生較大變化時(shí),需要考慮流體壓縮性的影響。因此考慮在采氣過程中天然氣的可壓縮性來研究天然氣對(duì)井口裝置沖蝕損壞機(jī)理。

不可壓縮流體三維雷諾平均的N-S方程的一般形式為:

式中:φ為通用變量,可以代表u、v、w、T等求解變量;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項(xiàng);代表瞬態(tài)項(xiàng);div(ρuφ)代表對(duì)流項(xiàng);div(Γgradφ)代表擴(kuò)散項(xiàng)。

對(duì)于上式方程可以直接在時(shí)間域和控制體積上積分,可實(shí)現(xiàn)該控制方程的離散,并得出非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的離散方程[11]:

式中:αp分別表示u動(dòng)量方程和v動(dòng)量方程中的值,φp是變量φ在控制體積中心點(diǎn)P的值;下標(biāo)nb表示相鄰節(jié)點(diǎn);αnb的表達(dá)式取決于所采用的離散格式。

3.2 求解算法

筆者采用SIMPLE數(shù)值模擬算法,即“求解壓力耦合方程組的半隱式方法”。1972年由Patankar和Spaling提出了這種算法,是一種既可用于求解不可壓流場(chǎng)的數(shù)值方法,也可用于求解可壓流場(chǎng)[13]。它的核心是采用“猜測(cè)-修正”的過程,在交錯(cuò)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來計(jì)算壓力流場(chǎng),從而達(dá)到求解動(dòng)量方程(Navier-Stokes方程)的目的,基本思想是給定壓力場(chǎng),求解離散形式的動(dòng)量方程,得出速度場(chǎng)。

3.3 湍流模型

氣井采氣是連續(xù)投產(chǎn)的過程,由于采氣通道的改變,流場(chǎng)中任意一點(diǎn)(包括邊界)的任何微小變化都會(huì)瞬時(shí)地影響全場(chǎng),使得不穩(wěn)定性大幅增加。對(duì)于低速繞流的雷諾數(shù)范圍,流動(dòng)通常是湍流,需采用適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ蚚12]。

一般標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)時(shí)均應(yīng)變率特別大的情形,有可能導(dǎo)致負(fù)的正應(yīng)力。為使流動(dòng)符合湍流的物理規(guī)律,需要對(duì)正應(yīng)力進(jìn)行某種數(shù)學(xué)約束。為保證這種約束的實(shí)現(xiàn),認(rèn)為湍流黏度計(jì)算式中的系數(shù)cμ不應(yīng)是常數(shù),而應(yīng)與應(yīng)變率聯(lián)系起來。因此,采用Realizable k-ε模型,在Realizable k-ε模型中,關(guān)于k與ε的運(yùn)輸方程如下:

式中:σk=1.0,σε=1.2,C2=1.9,C1=max(0.43,);Gk是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;μt

為湍動(dòng)黏度;ui為時(shí)均速度;k為湍動(dòng)能;ε為耗散率。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 基本假設(shè)

1) 通過分析,影響完井井口裝置內(nèi)壁沖蝕程度大小的主要因素與主要采氣井口裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等有關(guān),例如多功能四通的通徑,內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流體的流速、流體成分等,而與井深無直接關(guān)系,所以在此分析過程中不考慮井深的影響。

2) 假設(shè)介質(zhì)為純凈的天然氣。

3) 忽略氣體壓縮過程中的熱效應(yīng),假設(shè)溫度恒定,且為常溫(25°)。

4.2 計(jì)算參數(shù)

采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算,湍流模式使用Realizable k-epsilon模型,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。流體工作介質(zhì)為天然氣,密度0.717 kg/m3,黏度1.331×10-5Pa·s。計(jì)算中考慮氣體壓縮性。采用有限體積法離散流體控制方程,壓力速度耦合方程使用SIMPLE算法。

4.3 計(jì)算工況

為研究多功能四通環(huán)空內(nèi)部、整體式Y(jié)型采油樹以及普通采油樹內(nèi)部工作介質(zhì)及工作參數(shù)對(duì)其內(nèi)流場(chǎng)的影響,分別以4種工況進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算工況如表1所示。其中出口1～出口3的具體位置如圖1～3所示,采氣作業(yè)時(shí),出口2與出口3為關(guān)閉狀態(tài),所以在計(jì)算中采用壁面函數(shù)法來控制。

表1 計(jì)算工況

4.4 完井井口裝置沖蝕損壞數(shù)值模擬結(jié)果

4.4.1 多功能四通

多功能四通環(huán)空采氣時(shí),從四通的右旁通口采氣,工作介質(zhì)為純天然氣。數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖4所示。不同天然氣投產(chǎn)量的最大速度如表2所示。

圖4 不同產(chǎn)氣量下多功能四通速度云圖

表2 多功能四通不同產(chǎn)氣量的最大速度

從圖4中可以得出,隨著產(chǎn)氣量的不斷增大,氣流對(duì)旁通口的沖蝕速度越大,沖蝕的區(qū)域也就越大,同時(shí)受沖蝕嚴(yán)重的關(guān)鍵部位位于旁通口直角拐彎處。

從表2中可以看出,當(dāng)氣井投產(chǎn)的出口壓力10 MPa,產(chǎn)氣量小于150萬m3/d,氣體最大速度在采氣臨界流速43.5 m/s范圍內(nèi),因而屬于正常工況。當(dāng)產(chǎn)氣量大于150萬m3/d,已經(jīng)超過了采氣臨界流速,屬于非正常工況。

4.4.2 常規(guī)采油樹

普通井口裝置一般采用常規(guī)采油樹,使用單翼采氣通道進(jìn)行投產(chǎn),工作介質(zhì)為天然氣。數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示,不同天然氣投產(chǎn)量的最大速度如表3所示。

圖5 不同產(chǎn)氣量常規(guī)采油樹速度云圖

表3 常規(guī)采油樹不同產(chǎn)氣量的最大速度

從圖5中可以看出,隨著產(chǎn)氣量的不斷增大,氣流對(duì)普通采油樹旁通口的沖蝕速度越大,沖蝕效果越明顯,且沖蝕的關(guān)鍵部位在流道發(fā)生變化的內(nèi)上壁面。

從表3可見,當(dāng)氣井投產(chǎn)出口壓力為10 MPa,產(chǎn)氣量在100萬m3/d時(shí),氣體最大速度為47.026 m/s,已經(jīng)超出了采氣開采臨界流速。因此,在該工況條件下采用常規(guī)采油樹采氣時(shí)的投產(chǎn)量應(yīng)小于100萬m3/d。

4.4.3 整體式Y(jié)型采油樹

圖6為整體式采油樹在不同產(chǎn)氣量條件下的速度場(chǎng),表4為不同采氣量的最大速度。

圖6 不同產(chǎn)氣量整體式Y(jié)型采油樹速度云圖

表4 Y型采油樹不同產(chǎn)氣量的最大速度

由圖6知,整體式Y(jié)型采氣井口裝置的最大氣流速度為80.584 m/s,從整個(gè)整體式Y(jié)型采油樹的速度分布云圖上看,氣體在Y型采氣通道的速度流場(chǎng)分布比較均勻,沖蝕較嚴(yán)重的位置位于Y型內(nèi)壁倒角處。

從表4可以看出,當(dāng)氣井投產(chǎn)的出口壓力10 MPa,產(chǎn)氣量在100～150萬m3/d,氣體最大速度在采氣臨界流速43.5 m/s范圍內(nèi),屬于正常工況。

5 采氣井口優(yōu)化配置方案

為研究套油管環(huán)空采氣中使用的關(guān)鍵井口裝置(多功能四通)以及鉆油管采氣使用的整體式Y(jié)型采油樹和常規(guī)采油樹在復(fù)雜惡劣的工況條件下的沖蝕損壞程度,對(duì)比每種采氣方式的最大速度和變化趨勢(shì),通過對(duì)采油樹類型和采氣方式進(jìn)行井控風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,提出完井井口裝置優(yōu)化配套方案。圖7為不同采氣方式的井口裝置內(nèi)部流場(chǎng)分布云圖。圖8為不同采氣方式的速度分布曲線。

圖7 產(chǎn)氣量250萬m3/d時(shí)不同采氣方式的速度云圖

圖8 不同采氣方式的速度曲線

從圖7中可以看出,在4種采氣工況下,Y型采油樹采氣內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)于其他兩種采氣方式,內(nèi)部流場(chǎng)最差的是普通采油樹采氣。從圖8所示的曲線可得出,采用普通采油樹的井控風(fēng)險(xiǎn)明顯高于多功能四通和整體式Y(jié)型采油樹,因此就沖蝕安全而言,整體式Y(jié)型采油樹的采氣方式更安全。

6 結(jié)論

1) 氮?dú)忏@井技術(shù)已經(jīng)從低壓低滲儲(chǔ)層拓展到高產(chǎn)儲(chǔ)層,由于鉆完井過程中氣體流量大,容易導(dǎo)致采氣井口裝置的嚴(yán)重沖蝕,誘發(fā)工程安全隱患,是氮?dú)忏@井技術(shù)應(yīng)用中亟待解決的問題。

2) 可以基于沖蝕損傷理論,確定氣相臨界速度沖蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),采用CFD方法研究采氣井口裝置在高速氣流下的沖蝕損傷,并通過對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,提出適合高產(chǎn)儲(chǔ)層氮?dú)忏@井技術(shù)的鉆完井一體化投產(chǎn)采氣井口裝置優(yōu)化配置方案。

3) 氣井管道內(nèi)流動(dòng)屬于低速黏性繞流問題,由于外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流場(chǎng)中存在各種復(fù)雜的流態(tài),流動(dòng)基本上都是湍流,因此,采用雷諾數(shù)平均的不可壓縮Nvaier-Stkoes方程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。首先要將空間區(qū)域進(jìn)行離散,即把所計(jì)算的區(qū)域劃分成互不重迭的子區(qū)域,即計(jì)算網(wǎng)格,然后確定每個(gè)子區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)位置及該節(jié)點(diǎn)所代表的控制體積。分別以4種工況進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果具有很好的代表性。

4) 對(duì)3種采氣井口裝置進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析,整體式Y(jié)型采油樹受氣體沖蝕的作用最小、采氣能力最強(qiáng)的。對(duì)于高產(chǎn)氣井,整體式Y(jié)型采油樹更適合,為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)提供了必要的技術(shù)支撐。

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Research on Optimization Allocation of Gas Wellhead Under the Condition of Gas Drilling and Drilling-Tubing Completion

CHEN Peng1,LIU Hui-xin1,WANG Chun-sheng2,ZHANG Jing-cheng2,ZHANG Zhi2,ZHANG Yong1
(1.Southwest Petroleum University,Chengdu 610059,China;2.PetroChina Tarim Oilfield Company,Korla 841000,China)

Nitrogen drilling technology has expanded from low pressure and low permeability reservoir to high pressure and high permeability reservoirs.In order to ensure the security of well control in the process of drilling and completion,the integration of drilling and completion of the wellhead and drill-tubing were used in an oil field.The large gas flow in the process of drilling and completion easily leads to serious erosion of gas extraction wellhead,inducing engineering potential safety hazard.In this paper,based on the theory of erosion damage,the erosion evaluation standard for gas phase critical velocity was determined;gas extraction wellhead erosion damage under the high speed gas flow was studied by using CFD method.Through the risk assessment,the gas extraction wellhead optimized configuration scheme was proposed,which was suitable for high production reservoir nitrogen drilling technology drilling and well completion production integration.It shows that the gas erosion to integral type Y tree is the smallest and its gas production capacity is the strongest.Mostly it is suitable for high yield gas well.Casing annulus gas extraction wellhead is an emergency measure using in some high airflow or other special conditions.

gas drilling;gas producing wellhead;washing action;CFD

TE931.102

A

1001-3482(2014)02-0055-06

2013-08-16

中石油重點(diǎn)科技項(xiàng)目“工藝安全與鉆完井工程基礎(chǔ)研究”子課題“井口裝置”(TLMYT-2011-GC-007)

陳 鵬(1989-),男,四川儀隴人,碩士研究生,研究方向?yàn)橛蜌庋b備計(jì)算機(jī)仿真分析,E-mail:chenpewon@163.com。