梅 杰，劉一睿

（中國(guó)石油大港油田公司第一采油廠，天津 300280）

隨著天然氣需求的持續(xù)增長(zhǎng)，氣藏已全面進(jìn)入規(guī)模開(kāi)發(fā)階段，氣井生產(chǎn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題也逐漸增多，其中高壓氣井井筒、井口及地面管道的水合物堵塞是影響氣井安全穩(wěn)定生產(chǎn)的重要因素之一。傳統(tǒng)防治水合物凍堵的方法是加熱或注抑制劑，但其地面工藝流程復(fù)雜且運(yùn)行成本高，無(wú)法滿足高壓氣井連續(xù)生產(chǎn)和效益開(kāi)發(fā)的需要。為有效解決高壓氣井頻繁凍堵問(wèn)題，提高氣井開(kāi)發(fā)效率，急需探索形成一種高效的天然氣水合物防治技術(shù)。

筆者基于前者研究形成的氣井井下節(jié)流技術(shù)，優(yōu)選節(jié)流工具，以氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)為分析依據(jù)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，有效提高了井下節(jié)流技術(shù)的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了高壓氣井的高效生產(chǎn)[1-3]。

1 技術(shù)原理及配套工具

1.1 技術(shù)原理

天然氣節(jié)流是一個(gè)降壓降溫過(guò)程，常規(guī)的地面節(jié)流工藝，在節(jié)流前需用地面加熱裝置對(duì)天然氣進(jìn)行加熱，提高溫度避免形成水合物堵塞。井下節(jié)流技術(shù)是將節(jié)流器置于井下油管的適當(dāng)位置，使天然氣的節(jié)流降壓膨脹過(guò)程發(fā)生在井內(nèi)，同時(shí)利用地層熱能加熱節(jié)流后的低溫天然氣，從而達(dá)到降低節(jié)流嘴后壓力，降低水合物生成溫度，實(shí)現(xiàn)水合物的有效防治[4-7]。

1.2 配套工具

目前井下節(jié)流器主要有兩種：固定式（預(yù)制式）和活動(dòng)式（后置式），二者主要區(qū)別在于坐放方式不同，固定式節(jié)流器有坐放短節(jié)（工作筒），節(jié)流器通過(guò)鋼絲作業(yè)坐放在坐放短節(jié)內(nèi)，而活動(dòng)式井下節(jié)流器無(wú)需坐放短節(jié)，節(jié)流器直接卡定在油管上，坐放位置可調(diào)。固定式井下節(jié)流器承受壓差高，坐封可靠，適用于新投產(chǎn)井；活動(dòng)式井下節(jié)流器下入深度可調(diào)，但節(jié)流壓差相對(duì)較小。

1.2.1 固定式井下節(jié)流器 固定式井下節(jié)流工具由坐落短節(jié)和節(jié)流器兩部分組成，固定式井下節(jié)流器主要由油嘴套、密封膠圈、卡定機(jī)構(gòu)以及打撈頭組成（見(jiàn)圖1、表1）。

圖1 固定式節(jié)流器實(shí)物圖

下完井管柱時(shí)，在設(shè)計(jì)位置安裝坐落短節(jié)，投產(chǎn)時(shí)通過(guò)鋼絲作業(yè)將節(jié)流器投入坐落短節(jié)內(nèi)，向下震擊剪斷坐封銷釘，節(jié)流器通過(guò)卡瓦固定在坐落短節(jié)內(nèi)，坐封后上提剪斷檢驗(yàn)銷釘，驗(yàn)證坐封效果。坐落短節(jié)密封面與節(jié)流器密封組件形成良好密封，實(shí)現(xiàn)井下節(jié)流。需要更換節(jié)流嘴時(shí)，通過(guò)鋼絲作業(yè)下入配套打撈工具，抓住打撈頸上提即可取出節(jié)流器。

表1 固定式節(jié)流器主要技術(shù)參數(shù)

1.2.2 活動(dòng)式井下節(jié)流器 活動(dòng)式井下節(jié)流器主要由投放部分（釋放頭、打撈頸），卡定部分（卡瓦），密封部分（密封膠筒、油嘴）三部分組成（見(jiàn)圖2、表2）。

圖2 活動(dòng)式節(jié)流器結(jié)構(gòu)圖

表2 活動(dòng)式節(jié)流器主要技術(shù)參數(shù)

投放時(shí)，投放工具與節(jié)流器通過(guò)銷釘連接，卡瓦松弛、膠筒處于自然收縮狀態(tài)。將工具串（鋼絲+繩帽+加重桿+震擊器+丟手工具+節(jié)流器）下至設(shè)計(jì)位置，上提鋼絲，上錐體錐面沿卡瓦內(nèi)錐面上行撐開(kāi)卡瓦，卡住管壁，再增大上提力，剪斷坐封銷釘，完成坐封并丟手。此時(shí)被壓縮的彈簧彈出頂住活塞桿上行，帶動(dòng)下錐體錐面上行脹開(kāi)膠筒。提出丟手工具后開(kāi)井，在節(jié)流壓差作用下活塞產(chǎn)生上推力，膠筒進(jìn)一步張緊密封管壁，同時(shí)膠筒壓差產(chǎn)生的上推力張緊卡瓦，確保密封、錨定。打撈時(shí)下打撈工具撈住打撈頸，向下震擊，膠筒下行回彈，密封機(jī)構(gòu)解封，卡瓦失去支撐下行解封，完成解封過(guò)程。

2 工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)流程及參數(shù)設(shè)計(jì)[1-8]

2.1 工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)流程（見(jiàn)圖3）

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 下入深度 當(dāng)井下節(jié)流器下入深度超過(guò)某一值時(shí)，節(jié)流后節(jié)流器以上氣流溫度就能保證在水合物形成初始溫度以上，這一深度即為井下節(jié)流器的最小下入深度。水合物形成溫度一般由水合物預(yù)測(cè)曲線求得（見(jiàn)圖4）。

圖3 工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

氣流通過(guò)節(jié)流嘴時(shí)，溫度與壓差的關(guān)系為：

為防止水合物生成，氣嘴出口溫度必須高于水合物生成溫度：

氣嘴最小下入深度：

式中：T1-氣嘴入口溫度，℃；T2-氣嘴出口溫度，℃；Lmin-不生成水合物的節(jié)流器最小下入深度，m；M0-地溫增率，m/℃；Th-水合物形成溫度，℃（由水合物預(yù)測(cè)曲線求得）；T0-地面平均溫度，℃；β-壓力比；K-天然氣絕熱系數(shù)（1.3）；Z-氣嘴入口氣體壓縮系數(shù)。

2.2.2 氣嘴直徑 為滿足氣井配產(chǎn)要求，采用臨界流動(dòng)狀態(tài)原理來(lái)確定節(jié)流器的氣嘴直徑[8]。在氣體通過(guò)節(jié)流嘴的過(guò)程中，當(dāng)上下游壓力之比達(dá)到臨界值（0.546）時(shí)，氣流通過(guò)節(jié)流嘴的流速將趨近于聲速，即達(dá)到臨界流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)無(wú)論怎樣降低下游壓力，流速不再增加，通過(guò)節(jié)流嘴的氣體流量達(dá)到最大值，這就是臨界流動(dòng)狀態(tài)原理（見(jiàn)圖5）。由臨界流動(dòng)狀態(tài)下的最大產(chǎn)氣量計(jì)算公式可推出節(jié)流氣嘴直徑公式為：

圖4 經(jīng)驗(yàn)圖解法水合物生成預(yù)測(cè)曲線

圖5 不同嘴徑節(jié)流前后壓力比與產(chǎn)氣量關(guān)系圖

表3 井下節(jié)流器下入前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

式中：d-氣嘴直徑，mm；qmax-臨界流動(dòng)狀態(tài)下最大流量，m3/d；P1-氣嘴入口壓力，MPa；γg-天然氣相對(duì)密度；T1-氣嘴入口溫度，K；Z1-氣嘴入口氣體壓縮系數(shù)；K-天然氣絕熱系數(shù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

3.1 應(yīng)用效果

近兩年為有效解決氣井凍堵問(wèn)題，第一采油廠先后在港中油田中8-75等4口凍堵氣井進(jìn)行井下節(jié)流先導(dǎo)試驗(yàn)。通過(guò)在氣井應(yīng)用井下節(jié)流技術(shù)，避免了水合物的形成，有效解決了氣井井口設(shè)備頻繁凍堵問(wèn)題，4口氣井應(yīng)用井下節(jié)流技術(shù)后，未再出現(xiàn)井口凍堵現(xiàn)象，確保了氣井連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，同時(shí)，有效降低了井口和地面管道壓力，提高了集氣管道安全系數(shù)（見(jiàn)表3）。

3.2 實(shí)例說(shuō)明

港中油田中8-75井2016年1月補(bǔ)孔開(kāi)井，生產(chǎn)井段：2 582 m～2 851.2 m，工作制度4 mm油嘴，正常生產(chǎn)時(shí)日產(chǎn)氣 1.6×104m3，無(wú)液，油壓 18.5 MPa，套壓18.5 MPa，因井口及地面管道頻繁凍堵，采取高鍋刺井口、地面摻水、加甲醇等措施均無(wú)法正常連續(xù)生產(chǎn)。為有效解決氣井頻繁凍堵問(wèn)題，2017年4月進(jìn)行井下節(jié)流先導(dǎo)試驗(yàn)，因井口凍堵無(wú)法進(jìn)行測(cè)壓和測(cè)溫，參考?xì)v史測(cè)壓和測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，為滿足地溫大于80℃，設(shè)計(jì)下入深度1 800 m；根據(jù)地質(zhì)要求，配產(chǎn)1.5×104m3/d，由公式計(jì)算得出節(jié)流嘴直徑2.1 mm。應(yīng)用井下節(jié)流器后，中8-75井油壓由18.5 MPa下降至2.2 MPa，初期產(chǎn)氣量2.4×104m3/d，一直到氣井停噴未再出現(xiàn)井口設(shè)備凍堵現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果很好。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）優(yōu)化后井下節(jié)流技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水合物的有效防治，解決了頻繁凍堵問(wèn)題，有效提高了氣井生產(chǎn)時(shí)率；

（2）井下節(jié)流技術(shù)降低了氣井及集氣管道壓力，提高了安全系數(shù)，減少了維護(hù)管理強(qiáng)度。