薛承文 謝文強(qiáng) 高 涵 池 明 張國(guó)紅 郭 玲 薛 亮

1. 中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院 2. 中國(guó)石油新疆油田公司準(zhǔn)東采油廠 3. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）

氣井生產(chǎn)過(guò)程中，隨地層能量逐漸降低，當(dāng)產(chǎn)氣量低于臨界攜液產(chǎn)量時(shí)井底有積液產(chǎn)生，需要采取排液采氣工藝將積液排出，以維持氣井的正常生產(chǎn)，延長(zhǎng)氣井壽命。常用的氣舉、機(jī)抽、泡排、速度管柱等排液采氣工藝均需要借助外部能量[1-4]，或更換生產(chǎn)管柱，工藝運(yùn)行成本較高。

中國(guó)石油新疆油田公司（以下簡(jiǎn)稱新疆油田）多數(shù)氣井井深在4 000 m左右，由于地處沙漠、戈壁地區(qū)，氣井間距較大，采取連續(xù)氣舉工藝需要鋪設(shè)地面注氣管網(wǎng)，施工難度大、整體成本高，準(zhǔn)備周期長(zhǎng)；氣井較深造成機(jī)抽工藝排液效率低；受凝析油含量以及地面處理裝置不配套等因素影響，泡排工藝無(wú)法大面積推廣；以連續(xù)油管作為速度管柱的排液采氣工藝雖取得較好的效果，但初始投入成本高。因此，開發(fā)一種不動(dòng)原井生產(chǎn)管柱、不增加外部能量就能進(jìn)行排液采氣的工藝非常有必要，而旋流霧化排液采氣工藝則值得推薦[5-6]。

1 霧化排液采氣理論基礎(chǔ)

氣井生產(chǎn)時(shí)，在一定氣液比下井筒兩相垂直管流流型會(huì)以霧狀流出現(xiàn)，液體以液滴形式存在。美國(guó)學(xué)者 Turner等[7]提出氣體攜液的臨界流速模型，模型認(rèn)為液滴垂直方向上主要受兩個(gè)力，即液滴在氣流中向下的重力和氣流對(duì)液滴向上的曳力。如果液滴垂直方向上受力達(dá)到平衡，液滴就會(huì)懸浮于井筒中或者向上勻速運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)向下沉積在井底，此時(shí)的氣流速度稱為氣體攜液的臨界流速。若液滴重力大于曳力，液滴就會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，落入井底形成積液；反之液滴會(huì)被氣流帶出井口[8-11]。

對(duì)于給定尺寸的液滴，由Turner模型[7]得到臨界攜液流速的計(jì)算式為：

式中vg表示臨界攜液流速，m/s；g表示重力加速度，m/s2；d表示液滴直徑，m；ρl表示液體密度，kg/m3；ρg表示氣體密度，kg/m3。

由Turner模型知，臨界攜液流速與液滴直徑的平方根成正比，如液滴直徑降低為原來(lái)的1/4時(shí)，則臨界攜液流速可降低為原來(lái)的1/2。即當(dāng)氣體流速不變時(shí)，直徑更小的液滴可以被攜帶走，我們可以通過(guò)降低氣流中的液滴直徑來(lái)降低臨界攜液流速。這就為氣井產(chǎn)氣量不變的情況下，通過(guò)霧化方式降低液滴直徑以排出井底積液提供了理論基礎(chǔ)。旋流霧化排液采氣工藝即利用這一原理，將氣井內(nèi)較大液滴和積液霧化為直徑非常小的液滴，使產(chǎn)能下降的氣井在天然氣采出的同時(shí)，井底積液也被攜帶出井筒，該工藝甚至可使原本水淹停產(chǎn)的氣井復(fù)產(chǎn)。

2 旋流霧化裝置和霧化原理

2.1 旋流霧化裝置

旋流霧化裝置主要由殼體、氣液吸入口、旋流分離腔、氣流霧化腔和霧化噴嘴5部分組成[12-14]，如圖1所示。旋流霧化裝置的上部與懸掛坐封裝置相連，通過(guò)鋼絲投撈作業(yè)下入氣井油管內(nèi)設(shè)計(jì)位置。

圖1 旋流霧化裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 旋流霧化原理

旋流霧化裝置利用氣體自身能量，將氣液混合物經(jīng)殼體下端氣液吸入口吸入霧化裝置。氣液混合物經(jīng)旋流結(jié)構(gòu)整流后，在離心力作用下進(jìn)行氣液分離，分離后的氣液兩相介質(zhì)經(jīng)過(guò)氣液流道的轉(zhuǎn)換，經(jīng)氣流霧化腔向上推進(jìn)，由霧化噴嘴高速噴出完成霧化。霧化后，氣流所攜帶液滴的直徑變得非常小，氣液混合物通過(guò)裝置中間流道進(jìn)入油管，在油管中呈現(xiàn)霧狀流，容易被攜帶出氣井井筒，從而實(shí)現(xiàn)氣井連續(xù)攜液生產(chǎn)。

3 旋流霧化數(shù)值模擬與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1 旋流霧化數(shù)值模擬

為了達(dá)到理想的霧化效果，旋流霧化裝置必須在保證氣井連續(xù)生產(chǎn)的前提下將井下一定壓力、溫度條件下的氣液混合物實(shí)現(xiàn)分離與霧化，并送入油管。因此，進(jìn)行旋流霧化數(shù)值模擬非常有必要。

為保證旋流霧化排液采氣工藝效果，需要采取“一井一策”設(shè)計(jì)模式，即針對(duì)不同氣井的地層壓力、溫度、產(chǎn)量、井深、油管尺寸等參數(shù)，設(shè)計(jì)氣流霧化腔和霧化噴嘴相應(yīng)的結(jié)構(gòu)與尺寸，并通過(guò)數(shù)值模擬分析進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化[15-17]。借助流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件Fluent 6.3.26，建立旋流霧化裝置結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)實(shí)際氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，模擬氣液兩相在旋流霧化裝置中的流動(dòng)狀態(tài)，并通過(guò)霧化裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)的霧化效果，然后將最終確定的裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)用于產(chǎn)品的實(shí)際加工。

圖2展示了某井在使用霧化裝置后，井筒中液體被分離、引導(dǎo)和霧化的過(guò)程，由模擬結(jié)果可知霧化裝置中各處流體的流速，從而可較直觀地判斷旋流霧化裝置在井下的工作狀態(tài)。對(duì)旋流霧化裝置來(lái)說(shuō)，通過(guò)旋流方式實(shí)現(xiàn)氣液分離是基礎(chǔ)，如圖2-a所示，進(jìn)入旋流分離腔的氣液混合物高速旋轉(zhuǎn)，密度大的液體在離心力的作用下運(yùn)動(dòng)到旋流分離腔壁面上，密度小的天然氣集中在旋流分離腔的中間部分，旋流分離腔中氣液分離效果明顯。合理的流道設(shè)計(jì)是保證氣液順利流向噴嘴的重要中間環(huán)節(jié)，如圖2-b所示，氣液分離后被引導(dǎo)到噴嘴處，液體在旋流分離腔壁面流動(dòng)時(shí)越靠近噴嘴速度越高，并且可沿旋流分離腔壁面流動(dòng)而順利進(jìn)入霧化噴嘴。霧化噴嘴附近的液體在中間氣體的帶動(dòng)下被快速噴出霧化是工藝成功的關(guān)鍵，如圖2-c所示，氣液分離后液體繼續(xù)沿氣流霧化腔壁面流動(dòng)，氣體在中間高速噴射，氣液分成兩股進(jìn)入霧化噴嘴，液體在噴嘴處被霧化。

圖2 旋流霧化數(shù)值模擬結(jié)果圖

3.2 旋流霧化室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證旋流霧化裝置在不同氣液比生產(chǎn)條件下的真實(shí)霧化能力，并為選井提供理論依據(jù)，針對(duì)旋流霧化裝置的技術(shù)特點(diǎn)，建立了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)裝置[18-20]，模擬旋流霧化裝置對(duì)井下液體的霧化效果。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在試驗(yàn)管路方面，為方便觀察到霧化效果，采用透明的有機(jī)玻璃管模擬氣井油、套管，套管內(nèi)徑為124 mm，油管內(nèi)徑為62 mm。霧化裝置安裝在豎直放置的有機(jī)玻璃管中。如圖3所示。在試驗(yàn)管路底部安裝有氣體流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器、柱塞計(jì)量泵等，數(shù)據(jù)采集器及時(shí)將測(cè)試數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)。

在配套設(shè)備方面，采用ВK系列噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)（最大排氣壓力0.8 MPa，工作容積流量6 m3/min），儲(chǔ)氣罐（最大工作壓力1.2 MPa，容積1 500 L），柱塞計(jì)量泵（工作壓力1.5 MPa，流量0～0.8 m3/h，計(jì)量精度±1%）。

圖3 旋流霧化室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)裝置圖

在測(cè)控設(shè)備方面，測(cè)試的壓力、溫度和氣量等參數(shù)均通過(guò)采集器連接電腦實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。具體包含氣體渦輪流量計(jì)（測(cè)量范圍介于0.1～15.0 m3/h，輸出信號(hào)介于4～20 mA，工作電壓24 VDC），液體渦輪流量計(jì)（直徑6 mm，測(cè)試范圍介于0～0.8 m3/h，輸出信號(hào)介于4～20 mA，工作電壓24 VDC），壓力傳感器（適用溫度介于－25～150 ℃，精度±0.2%，輸出信號(hào)介于4～20 mA，工作電壓24 VDC，量程介于0～0.4 MPa）和溫度傳感器（測(cè)量范圍介于0～100 ℃，精度±0.5 ℃）。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

透明有機(jī)玻璃管上下分別連接氣液混合物進(jìn)出實(shí)驗(yàn)管路，由ВK系列噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)供氣，由柱塞計(jì)量泵按設(shè)定參數(shù)供液，實(shí)驗(yàn)管路中安裝有氣體流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器等儀器，分別采集霧化實(shí)驗(yàn)中井口和井底的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時(shí)傳入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行記錄和分析。實(shí)驗(yàn)在室溫25 ℃、壓力0.1 MPa下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用空氣和清水，按照新疆油田產(chǎn)水氣井生產(chǎn)氣液比范圍，設(shè)定不同氣液比，將氣液泵入旋流霧化裝置，測(cè)試霧化效果。圖4展示出井底積液被霧化和攜帶出井筒的效果。

圖4 旋流霧化室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)霧化效果圖

3.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以新疆油田產(chǎn)水氣井的氣液比為參考，選取不同氣液比進(jìn)行旋流霧化室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)。攜液理論模型計(jì)算得到外徑73 mm（內(nèi)徑62 mm）油管的臨界攜液流速為7.92 m/s，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示液體經(jīng)霧化后，氣流速度在6 m/s左右即可實(shí)現(xiàn)正常攜液（表1），說(shuō)明霧化降低了氣井的臨界攜液流速；隨著氣液比增加，進(jìn)、出口液體流量差逐漸減小，霧化效果越來(lái)越好，當(dāng)氣液比達(dá)到并超過(guò)1 575 m3/m3后，進(jìn)出口液體流量差基本穩(wěn)定，霧化效果達(dá)到最佳。

4 旋流霧化排液采氣工藝關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

為確定旋流霧化排液采氣工藝的適用范圍，基于數(shù)值模擬和室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)，開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以進(jìn)一步確定該工藝的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

表1 霧化裝置室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4.1.1 最大下入井深

霧化裝置具體下入深度，需結(jié)合氣井油管尺寸、生產(chǎn)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量等實(shí)際參數(shù)來(lái)確定?；谇捌谏a(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，井深（產(chǎn)層中部深度）為4 200 m時(shí)，仍可利用該工藝實(shí)現(xiàn)氣井的連續(xù)攜液生產(chǎn)。由于霧化裝置及配套工具是利用井下鋼絲作業(yè)下入井內(nèi)。因此，進(jìn)行工具最大下入深度設(shè)計(jì)時(shí)需考慮鋼絲作業(yè)車施工能力。

4.1.2 選井條件

旋流霧化排液采氣工藝以Turner攜液模型為理論基礎(chǔ)，采用物理方法排液采氣，對(duì)凝析油含量和產(chǎn)出液體的礦化度不敏感。在旋流霧化排液采氣工藝設(shè)計(jì)中，采取“一井一策”設(shè)計(jì)模式以克服井筒溫度、外輸壓力等參數(shù)對(duì)霧化效果的影響。由于霧化裝置和配套工具中需要用橡膠件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)油管和工具的密封。因此，氣井井筒溫度不應(yīng)高于橡膠件工作溫度。目前，采用的丁腈橡膠件可實(shí)現(xiàn)井筒溫度在120 ℃以內(nèi)氣井的正常生產(chǎn)。

4.1.3 氣液比

氣液比是排液采氣工藝中的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于旋流霧化排液采氣工藝，可以通過(guò)數(shù)值模擬、室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)跟蹤確定這一參數(shù)。數(shù)值模擬是在一種理想化的工況下進(jìn)行的，模擬結(jié)果顯示該工藝適用的氣井臨界氣液比為600 m3/m3。室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該工藝適用的氣井最佳氣液比為1 575 m3/m3（表1）?，F(xiàn)場(chǎng)氣井的應(yīng)用結(jié)果顯示該工藝適用的臨界氣液比為1 069 m3/m3，產(chǎn)液量為20 m3/d。因此，為保證旋流霧化排液采氣工藝的實(shí)施效果，建議該工藝適用氣井的氣液比大于1 100 m3/m3，產(chǎn)液量小于20 m3/d為宜。

4.1.4 其他參數(shù)

目前，氣井多采用外徑73 mm（內(nèi)徑62 mm）和外徑88.9 mm（內(nèi)徑76 mm）的油管生產(chǎn)。因此，研發(fā)的適用于這兩種油管規(guī)格的霧化裝置和匹配工具外徑分別為58 mm和72 mm，可滿足目前大部分氣井生產(chǎn)需要。

綜上所述，旋流霧化排液采氣工藝關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如下：最大下入井深4 200 m，工作溫度120 ℃，氣液比大于1 100 m3/m3，產(chǎn)液量小于20 m3/d，工具外徑58 mm（適用于外徑73 mm的油管）或72 mm（適用于外徑88.9 mm的油管）。

4.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

旋流霧化排液采氣工藝具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①利用氣井自身能量實(shí)現(xiàn)液體霧化，不需要額外動(dòng)力；②采用物理方法進(jìn)行排液采氣，對(duì)氣井凝析油含量不敏感；③利用鋼絲投撈完成作業(yè)，無(wú)需更換氣井原井油管，作業(yè)方便；④霧化裝置及配套工具體積小，適用范圍廣，生產(chǎn)成本低；⑤霧化裝置沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠性有保障。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至2017年12月，旋流霧化排液采氣工藝在新疆油田開展了2口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。選井主要考慮：①地層具有一定能量，但產(chǎn)水量較多造成水淹停產(chǎn)的氣井（如滴西17井）；②目前仍在生產(chǎn)，但已出現(xiàn)攜液困難的氣井（如K82006井）。在采取旋流霧化排液采氣工藝措施后，氣井的攜液能力得到了改善，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)攜液生產(chǎn)。后期，將借鑒前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)針對(duì)地層能量較低（如地層壓力系數(shù)小于0.4）、儲(chǔ)層深度大于3 000 m的氣井，調(diào)整霧化裝置參數(shù)后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，以進(jìn)一步檢驗(yàn)旋流霧化排液采氣工藝的適應(yīng)能力。

克拉美麗氣田為火山巖底水氣藏，多數(shù)氣井產(chǎn)出地層水。滴西17井儲(chǔ)層中部深度為3 600 m，采用外徑73 mm（內(nèi)徑62 mm）油管完井，2011年12月21日投產(chǎn)，初期產(chǎn)氣量為3.9×104m3/d，產(chǎn)液量（含凝析油產(chǎn)量）為7.95 m3/d，生產(chǎn)較連續(xù)。至2013年8月因無(wú)法連續(xù)攜液生產(chǎn)關(guān)井復(fù)壓，后間開生產(chǎn)，均無(wú)法維持較長(zhǎng)時(shí)間。2016年10月，在滴西17井開展了旋流霧化排液采氣工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)后氣井恢復(fù)了連續(xù)攜液生產(chǎn)，產(chǎn)氣量穩(wěn)定在2.0×104m3/d左右，與2013年8月關(guān)井前氣井連續(xù)攜液生產(chǎn)時(shí)相當(dāng)，但產(chǎn)液量波動(dòng)較大，最高達(dá)30 m3/d，整體高于之前連續(xù)攜液時(shí)的產(chǎn)液量，生產(chǎn)油、套壓分別穩(wěn)定在8.5 MPa、15 MPa。截至2017年10月，除當(dāng)年5—6月管線檢修外，均實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)，累計(jì)生產(chǎn)時(shí)間達(dá)10個(gè)月，累計(jì)產(chǎn)氣量超過(guò)620×104m3（圖5）。

克75氣田為高壓低滲氣田，氣藏埋藏較深，儲(chǔ)層中部深度為4 200 m。K82006井采用外徑88.9 mm（內(nèi)徑76 mm）油管完井，2014年10月正式投產(chǎn)，投產(chǎn)初期產(chǎn)氣量為4.0×104m3/d，不產(chǎn)水。2015年4月，氣井開始產(chǎn)水。2015年10月以來(lái)，攜液困難導(dǎo)致氣井頻繁出現(xiàn)短時(shí)間大股出水現(xiàn)象，產(chǎn)氣量波動(dòng)較大。2017年6月在該井開展了旋流霧化排液采氣工藝試驗(yàn)，截至2018年3月，氣井已連續(xù)攜液生產(chǎn)9個(gè)月，產(chǎn)氣量穩(wěn)定在1.2×104m3/d左右，且未見明顯產(chǎn)水（圖6）。該工藝解決了大直徑油管氣井的攜液生產(chǎn)問(wèn)題。

圖5 滴西17井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線圖

圖6 K82006井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線圖

6 結(jié)論

1）以Turner臨界攜液流速模型為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了旋流霧化排液采氣裝置和配套工具，形成了旋流霧化排液采氣工藝，霧化裝置將氣井內(nèi)較大液滴和積液霧化為直徑很小的液滴，從而實(shí)現(xiàn)井底積液被攜帶出井筒，最終使水淹氣井復(fù)產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。

2）根據(jù)數(shù)值模擬和室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)，結(jié)合新疆油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，建議該工藝應(yīng)用于氣液比大于1 100 m3/m3，產(chǎn)液量小于20 m3/d的氣井。

3）該工藝在新疆油田實(shí)施2井次：水淹氣井滴西17井實(shí)施旋流霧化排液采氣工藝后成功復(fù)產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)攜液生產(chǎn)，累計(jì)產(chǎn)氣量超過(guò)620×104m3；大直徑油管完井的K82006井在工藝實(shí)施后，井底產(chǎn)出液可被及時(shí)霧化并攜帶出井筒，產(chǎn)氣量穩(wěn)定在1.2×104m3/d左右。

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