劉 凱，方惠軍，馬 勇，張曉明，劉中桂，劉印華

（1.中國石油煤層氣有限責任公司工程技術(shù)研究院，陜西西安 710068；2.北京金科龍石油技術(shù)開發(fā)有限公司研發(fā)中心，北京 102200）

傳統(tǒng)井下節(jié)流工藝主要存在投資大、工藝復(fù)雜、耗能高、聲噪大、不利于安全生產(chǎn)和日常管理等弊端[1]。為此，以“簡化流程、降低噪聲、節(jié)約投資、方便管理”為目的，研發(fā)并推廣使用井下節(jié)流器工藝技術(shù)，把大地作為熱能交換場所，使天然氣吸熱、膨脹過程在地下完成，從而實現(xiàn)在無地面水套爐加熱情況下，仍可保證氣體溫度，低壓輸氣，從而達到節(jié)能降耗、安全、環(huán)保的效果。

王曉容等[2]針對現(xiàn)有井下節(jié)流器存在坐封不嚴、不易打撈及失效率較高等問題，設(shè)計了一種新型節(jié)流器。這種節(jié)流器采用活塞坐封，比彈簧坐封更加嚴密；肩部增設(shè)保護環(huán)，防止膠筒撕裂；配套了新型防砂篩管，可實現(xiàn)有效防砂。張雄兵等[3]針對井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)設(shè)計、投撈施工及井況等綜合因素，分析了井下節(jié)流器失效原因，并采取相對應(yīng)的措施來減少節(jié)流器的失效率，以提高氣井的開采時率，達到持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的目的。設(shè)計出的活動型新型井下節(jié)流器采用鋼絲作業(yè)進行投撈，當節(jié)流器下放到設(shè)定深度時，上提使解鎖軸上移張開，卡瓦咬合在油管內(nèi)壁上，然后再緩慢下放。當張力小于50 kg時，加速上提，剪斷連接銷釘，密封膠筒被撐開坐封，實現(xiàn)以彈簧和氣流壓差逐級兩級膠筒密封。而節(jié)流嘴上、下形成一定的壓差促使節(jié)流器坐封牢靠。打撈時，打撈工具抓住節(jié)流器打撈頭后，密封膠筒收縮，卡瓦松開，上提即可起出節(jié)流器。胡丹等[4]針對川西氣田前期井下節(jié)流器在使用過程中存在打撈困難和打撈成功率較低的問題，研制了新型活動式井下節(jié)流器。對整體式卡瓦、帶復(fù)位功能的膠筒、彈簧系統(tǒng)進行優(yōu)化。使得該工具長度短、外徑小、丟手、卡掛、密封可靠，打撈成功率高。

綜合上述研究人員的研究成果，再對井下節(jié)流器展開進一步研究發(fā)現(xiàn)，井下節(jié)流器在氣井壓力有所變化的情況下，為提高氣井產(chǎn)量，想要更換氣嘴時，需要將節(jié)流器解封打撈出井更換安裝有不同孔徑氣嘴的節(jié)流器，之后再次重復(fù)節(jié)流器坐封的工作；另一方面，采用井下節(jié)流的方法采氣，井下的壓力對氣井的產(chǎn)量起著重要作用，尤其煤層氣的產(chǎn)量低。為提高氣井產(chǎn)量，常規(guī)的做法是將節(jié)流器打撈出井，再單獨下放壓力計測井壓，從而根據(jù)氣井壓力，更換不同氣嘴的節(jié)流器。工作過程繁瑣，勞動強度大，且成本高。

由此，設(shè)計出節(jié)流測壓一體式節(jié)流器。此節(jié)流器本體只需投入井內(nèi)坐封一次，更換氣嘴和采集壓力數(shù)據(jù)是將節(jié)流器本體內(nèi)的堵塞器打撈出，之后更換堵塞器內(nèi)的氣嘴，電腦軟件讀取堵塞器內(nèi)部的存儲數(shù)據(jù)，省去更換節(jié)流器的費用和單獨下放壓力計的步驟。

1 研制背景

從設(shè)計依據(jù)和開發(fā)的必要性兩方面著手進行節(jié)流測壓一體式節(jié)流器的研制。

1.1 設(shè)計依據(jù)

井下節(jié)流器是氣井使用很廣泛的井下控制工具，主要在生產(chǎn)油管內(nèi)使用。其工作原理是利用井下節(jié)流降壓，不需要安裝加熱爐[5]，充分利用地溫對節(jié)流后的氣體進行加熱，使節(jié)流后氣流溫度能恢復(fù)到節(jié)流前溫度，增加氣井的攜液能力。同時節(jié)流器有效的解決了在生產(chǎn)過程中地面管線及設(shè)備凍堵問題，且能更好的控制地層壓力及產(chǎn)量，降低地面設(shè)備投入。通過參考前人設(shè)計的井下節(jié)流器[6-10]，再根據(jù)市場需求，設(shè)計開發(fā)出節(jié)流測壓一體式節(jié)流器。其特點是:在滿足正常節(jié)流功能的前提下，將節(jié)流與壓力測試設(shè)計成一體，通過鋼絲投撈作業(yè)坐于之前已經(jīng)坐封在井下的節(jié)流器本體內(nèi)，實現(xiàn)不用更換節(jié)流器即可更換氣嘴、不用單獨下放壓力計即可測試井中壓力的目的。

1.2 開發(fā)的必要性

油氣資源是重要的能源礦產(chǎn)和戰(zhàn)略性資源，20 世紀以來，世界各國圍繞石油資源而展開的戰(zhàn)爭越來越頻繁。我國的油氣資源相對不足，特別是近期的產(chǎn)能仍不能滿足經(jīng)濟快速發(fā)展的需要。因此供需形式和接替資源的發(fā)展與開發(fā)利用直接影響著國家經(jīng)濟安全和社會穩(wěn)定，關(guān)系著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標和全面小康社會目標的實現(xiàn)[11，12]。中國煤層氣資源豐富，可以作為天然氣有效的補充。但是近年來，煤層氣的勘探、開發(fā)及后期評價等方面取得了很大的進展同時也面臨著地質(zhì)和技術(shù)的挑戰(zhàn)，新的研究課題不斷出現(xiàn)[13，14]。對于常規(guī)的節(jié)流器，只能起到單獨的節(jié)流作用，更換節(jié)流器費力、成本較高且功能單一。針對常規(guī)節(jié)流器的這些弊端，節(jié)流測壓一體式井下節(jié)流器的開發(fā)解決了上述問題，達到了經(jīng)濟實用、簡單高效的目的。

圖1 節(jié)流測壓一體式節(jié)流器示意圖

2 節(jié)流測壓一體式節(jié)流器的開發(fā)

節(jié)流測壓一體式節(jié)流器的開發(fā)主要包括節(jié)流器結(jié)構(gòu)的設(shè)計和與其配套的堵塞器壓力計開發(fā)。

高校第二課堂是第一課堂的補充，它不受時間和空間的限制，具備多種形式,成為素質(zhì)發(fā)展、創(chuàng)新意識培養(yǎng)和實踐能力提升的重要載體，正是由于第二課堂教學的靈活性和新穎性,使其越來越受到高校的重視。

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

節(jié)流測壓一體式節(jié)流器非常規(guī)的一體式節(jié)流器。該節(jié)流器由節(jié)流器本體與堵塞器兩部分組成（見圖1）?？紤]在使用過程中可能會有砂粒進入節(jié)流器內(nèi)部，導致節(jié)流器無法正常坐封或解封，由此在節(jié)流器導向頭上增加了防砂結(jié)構(gòu)。從圖2 中可以看出，封隔器的導向頭上開了許多的細長槽，這些槽相當于濾網(wǎng)，氣體進入節(jié)流器前先經(jīng)過導向頭上的槽將氣體進行過濾，可以有效的防止砂粒進入。

圖2 導向頭

節(jié)流測壓一體式節(jié)流器在投放時，先將工具連接好。工具下放到接近設(shè)計位置時，快速下放工具串，將封隔器初封，卡瓦咬合在油管內(nèi)壁，之后通過震擊器重復(fù)震擊至節(jié)流器與釋放頭脫開為止，封隔器坐封。接著將安裝有氣嘴和壓力計的堵塞器通過投撈工具投放到井下坐封的封隔器中。堵塞器投放在封隔器內(nèi)（見圖3），此時的狀態(tài)為節(jié)流測壓一體式節(jié)流器在井下工作的狀態(tài)。通過上提鋼絲將堵塞器釋放頭與堵塞器脫開。當需要更換不同規(guī)格的氣嘴或讀取井下的壓力數(shù)據(jù)時，利用堵塞器打撈工具將堵塞器打撈出井，拆開堵塞器，更換氣嘴或通過USB 數(shù)據(jù)線，一端連接堵塞器壓力計，另一端連接電腦，利用與壓力計配套軟件讀取壓力計記錄的數(shù)據(jù)即可。

圖3 堵塞器投放到封隔器中示意圖

2.1.1 井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù) 最大外徑:46 mm；最小通徑:11 mm；總長度:950 mm；工作壓力:25 MPa；工作溫度:120 ℃；防頂力:70～120 kN；解封力:200～400 N。

2.2 堵塞器壓力計研發(fā)

堵塞器壓力計的研發(fā)分兩部分:（1）安裝在堵塞器內(nèi)部的壓力傳感器、電池和電路板；（2）用于讀取壓力計記錄數(shù)據(jù)的電腦軟件。

堵塞器壓力計功能參數(shù):壓力測試范圍:0～60 MPa；溫度測試范圍:0～150 ℃；存儲容量:≥100 萬個；分辨率:0.001 精度0.1%FS；分步長值:可隨用戶調(diào)整設(shè)置。

3 現(xiàn)場應(yīng)用與性能對比

現(xiàn)在市場上的節(jié)流器種類有很多。例如后置式節(jié)流器、抽桿式節(jié)流器、免鋼絲投撈節(jié)流器等。根據(jù)氣井所在地地質(zhì)的不同，分別在現(xiàn)場得到了很好的應(yīng)用。

3.1 市場上常規(guī)節(jié)流器應(yīng)用

四川油氣田天然氣資源豐富，探明率低、可采資源量大。但四川碳酸鹽巖氣藏的特點是高陡構(gòu)造多、斷層多，裂縫溶洞發(fā)育，多產(chǎn)層、多壓力，儲層埋深一般都在4 000 m 以上[15]，復(fù)雜地質(zhì)條件下，采氣工藝復(fù)雜，同時井漏頻繁。

抽桿式活動型井下節(jié)流器在以上幾口井中應(yīng)用情況良好，下入節(jié)流器后井口壓力有效降低，天然氣產(chǎn)量明顯增加；且在打撈和坐封過程中都很順利。

蘇里格氣田具有低滲透、低產(chǎn)能的特點，在降壓生產(chǎn)中井筒和地面節(jié)流過程有可能形成水合物，造成管道堵塞而給氣井生產(chǎn)帶來嚴重危害。當?shù)貧馓飭尉a(chǎn)量小、井口氣流溫度低，井筒易形成水合物；地面環(huán)境溫度低，冬季環(huán)境溫度最低達-30 ℃[17]。

根據(jù)蘇里格的地質(zhì)情況采用免鋼絲打撈井下節(jié)流器。該節(jié)流器采用預(yù)置工作筒式結(jié)構(gòu)，投送時用井口投送捕捉器直接將節(jié)流器芯子投入井中，依靠節(jié)流器芯子自身的質(zhì)量下行，最終進入工作筒并鎖定在工作筒內(nèi)。打撈時從井口將打撈器投入井中，當打撈器與節(jié)流器芯子對接后，利用井內(nèi)天然氣上升氣流的能量使打撈器帶動節(jié)流器一起到達井口，由井口投送捕捉器捕捉完成節(jié)流器的打撈。

該工具于2009 年11 月在蘇里格75 區(qū)塊進行了2 口井的現(xiàn)場試驗。蘇75-67-4 井作業(yè)，通井后將帶有節(jié)流器芯子的投送捕捉器安裝在采氣樹最上面的油管閥門上，然后打開所有油管閥門，旋轉(zhuǎn)投送捕捉器上面的釋放手柄，將節(jié)流器芯子投入井下。正常生產(chǎn)3 d 后將裝有打撈器的投送捕捉器安裝在采氣樹最上面的油管閥門上，然后打開所有油管閥門，旋轉(zhuǎn)投送捕捉器上面的釋放手柄，將打撈器投入井下。經(jīng)過47 min，打撈器攜帶著井下節(jié)流器芯子到達井口，并被投送捕捉器捕捉，完成節(jié)流器的打撈[18]。具體施工參數(shù)（見表2）。

表1 抽桿式活動型井下節(jié)流器現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.2 節(jié)流測壓一體式節(jié)流器現(xiàn)場應(yīng)用

2017 年4 月在大吉7-9 向2 井進行了現(xiàn)場試驗。大吉7-9 向2 井是一口51/2（φ139.7×9.17）套管井，油管是27/8（N-80 EUE）油管，人工井底2 305.28 m，生產(chǎn)層位2 184.0～2 259.0 m，油管下深2 179.3 m；采氣樹規(guī)格:KQ78/70，完井管柱結(jié)構(gòu)（見圖4）。

圖4 大吉7-9 向2 井完井管柱結(jié)構(gòu)示意圖

吉7-9 向2 井位于山西省臨汾市大寧縣曲峨鎮(zhèn)布業(yè)村西部。該井于2015 年8 月完鉆，油補位5.01 m，表套244.5×8.61×556.44 m，氣嘴139.7×9.17×2 329.6 m，且該井為傾角5°～10°的單斜構(gòu)造，其中發(fā)育有寬緩的褶曲和斷裂構(gòu)造，只是地層傾角局部達10°以上。該區(qū)發(fā)育有斷距較大的斷層、陷落柱和沖刷帶薄煤區(qū)。此外該區(qū)塊煤層的外生節(jié)理異常發(fā)育，外生節(jié)理的線密度可達到10 條/米，大部分呈密集帶發(fā)育，斷層與密集發(fā)育的節(jié)理導致煤層厚度在很短距離內(nèi)發(fā)生明顯的改變，煤層的機械強度明顯降低。

地下水在運移的過程中將攜帶淺部或異地的煤層氣向滯留區(qū)運移，因此弱徑流區(qū)、滯留區(qū)是煤層氣富集的有利區(qū)域，而布業(yè)村區(qū)塊位于接近地下水弱徑流區(qū)、滯留區(qū)和強徑流區(qū)交界處，從水文地質(zhì)條件看布業(yè)村區(qū)塊東部位于強徑流區(qū)，西部位于弱徑流區(qū)、滯留區(qū)，因此從煤層氣保存條件分析，布業(yè)村西部有利于煤層氣富集，具有一定的煤層氣開發(fā)潛力。但布業(yè)村區(qū)塊煤系儲水層為致密灰?guī)r、致密砂巖和煤層，區(qū)塊構(gòu)造比較復(fù)雜，加之水動力的影響，這些煤層氣的保存也有一定的負面影響。

3.2.1 現(xiàn)場使用節(jié)流器后參數(shù) 2017 年4 月12 日在大吉7-9 向2 井開始了實地測試，期間經(jīng)過通井、節(jié)流器安裝及調(diào)試、節(jié)流器投放，最終坐封在2 049.5 m處。之后節(jié)流器在井中正常工作10 d，期間多次打撈堵塞器，并進行井內(nèi)壓力測試，一切正常。在節(jié)流器工作15 d 后，將節(jié)流器解封，打撈出井外，節(jié)流器無砂卡，解封正常，膠筒只是有輕微劃傷。節(jié)流器在井下工作時間內(nèi)使用情況（見表3）。

通過表3 可以清晰的看到大吉7-9 向2 井在使用節(jié)流測壓一體式節(jié)流器后，雖然其地質(zhì)條件復(fù)雜，產(chǎn)氣量少，但采氣量還是有明顯的改善。其中原因是因為節(jié)流測壓一體化節(jié)流器能夠隨時監(jiān)測井中的壓力，根據(jù)氣井中壓力的改變而更換不同口徑的氣嘴，使產(chǎn)氣量時刻保持在最大量。

3.2.2 井下節(jié)流器技術(shù)參數(shù) HLJ57 節(jié)流器技術(shù)參數(shù)如下:總長:950 mm；外徑:φ57 mm；耐壓:25 MPa；耐溫:120 ℃；使用油管:φ62 mm；投放深度:2 045～2 055 m；具防砂功能、耐腐蝕性、可打撈。

表2 井下節(jié)流器投送、打撈試驗情況

表3 節(jié)流測壓一體式節(jié)流器現(xiàn)場使用情況

HLJ57 節(jié)流器配套堵塞器參數(shù)如下:總長:397 mm；最大外徑:30.5 mm；耐壓:25 MPa；耐溫:120 ℃；工具可打撈。

3.3 節(jié)流測壓一體式節(jié)流器與常規(guī)節(jié)流器比較

市場上常規(guī)的節(jié)流器在天然氣井上得到了很好的應(yīng)用，但是由于煤層氣藏與常規(guī)天然氣藏地質(zhì)及開采特征的差異，使得節(jié)流測壓一體式節(jié)流器較常規(guī)節(jié)流器有著更優(yōu)益的效果。

煤層氣與常規(guī)天然氣具有不同巖石成分。常規(guī)天然氣的巖層成分是礦物質(zhì)，而煤層氣是由有機殘渣經(jīng)過化學蝕變和熱蝕變所形成的富碳物質(zhì)。煤層氣是以甲烷為主要的礦產(chǎn)，是在煤化作用過程中形成，儲層在每層及其鄰近巖層中的非常規(guī)天然氣。對于常規(guī)儲層，僅僅是天然氣的儲集層，而煤層不僅是煤層氣的源巖，也是煤層氣的儲集層[19，20]。煤層氣地質(zhì)特征就使得節(jié)流器很難坐封，且要求很高的密封性。如果采用常規(guī)的節(jié)流器，要想保證高效的采氣效果，必須經(jīng)常將節(jié)流器打撈上來換不同口徑的節(jié)流器，再放到井下坐封。而使用節(jié)流測壓一體式節(jié)流器就相對容易的多。其工作原理是將節(jié)流器本體先坐封在井下，之后更換不同口徑的氣嘴，只需將投擲在節(jié)流器本體內(nèi)部的堵塞器打撈出即可。有效的避免了節(jié)流器的重復(fù)坐封工作。

節(jié)流測壓一體式節(jié)流器較常規(guī)的節(jié)流器優(yōu)點在于:氣井在采氣一段時間后，井內(nèi)的壓力慢慢降低，而使得產(chǎn)氣量減少。所以采用更換不同口徑的氣嘴，以滿足氣井最大的采氣量。但是更換不同口徑的氣嘴需要測試當前井內(nèi)的氣壓有多少。測試井內(nèi)的氣壓，對于常規(guī)的節(jié)流器是將節(jié)流器解封打撈上來后，再下放壓力計測試井內(nèi)的壓力。而對于煤層氣井由于特殊的地質(zhì)條件，節(jié)流器坐封困難。所以，盡可能的在節(jié)流器不解封的前提下測量井內(nèi)的壓力。因此采用節(jié)流測壓一體式節(jié)流器可以有效的解決節(jié)流器一邊工作一邊測壓，在節(jié)流器不解封的前提下就可通過打撈堵塞器。之后將堵塞器壓力計與電腦連接，讀取壓力計中存儲的井內(nèi)壓力數(shù)據(jù)。

綜上所述，節(jié)流測壓一體式節(jié)流器在煤層氣井下，使用效果表現(xiàn)優(yōu)秀，較常規(guī)節(jié)流器，在滿足正常節(jié)流的前提下，更換氣嘴和測試井內(nèi)的壓力不用將節(jié)流器解封。這樣，有效的解決了節(jié)流器坐封難、重復(fù)坐封的難題。節(jié)流測壓一體式節(jié)流器應(yīng)用廣泛，在臨汾區(qū)塊也應(yīng)用了數(shù)口井。其發(fā)展前景可觀，因此以后會在更多的煤層氣井上使用此工具。

4 結(jié)論

（1）節(jié)流測壓一體式節(jié)流器的開發(fā)有效解決了更換氣嘴時更換新節(jié)流器的費用與節(jié)流器重復(fù)坐封解封的過程。

（2）節(jié)流與測壓為一體的設(shè)計可以在正常節(jié)流情況下完成測壓工作，減少操作步驟，降低操作人員的勞動強度，逐漸向“一機多用”的方向發(fā)展，符合現(xiàn)代人的要求。

（3）導向頭部位設(shè)計類似過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有效的防止砂粒進入節(jié)流器本體內(nèi)部，在保證節(jié)流器正常節(jié)流的前提下，減少工具的投放。