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        水平井組合管柱排水采氣研究及應(yīng)用:以鄂北D氣田為例

        2021-11-23 07:55:08
        關(guān)鍵詞:攜液變徑斜角

        陳 旭

        (中石化華北油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院,河南 鄭州 450006)

        許多學(xué)者在研究氣液兩相流在類(lèi)似水平井的透明管內(nèi)流動(dòng)規(guī)律時(shí),發(fā)現(xiàn)管徑一定條件下,隨著氣流量逐漸降低,液相會(huì)首先在傾斜段聚集而出現(xiàn)積液[1-3]。那么對(duì)于天然氣水平井而言,隨著氣井壓力、產(chǎn)量不斷降低,傾斜段將先于垂直段出現(xiàn)積液情況,導(dǎo)致水平井自主攜液期較同規(guī)格生產(chǎn)管柱的直井大幅縮短。為了實(shí)現(xiàn)水平井全井筒協(xié)調(diào)攜液,延長(zhǎng)天然氣水平井自主攜液期,本研究以臨界攜液流量理論為基礎(chǔ),通過(guò)論證設(shè)計(jì)了水平井組合管柱并在鄂北D氣田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,為天然氣水平井排水采氣工藝提供了新思路。

        1 水平井臨界攜液流量規(guī)律

        1.1 垂直段

        垂直段臨界攜液氣流速模型有很多,應(yīng)用較多的主要有Turner[4]、Coleman[5]提出的的圓球模型,李閩[6]提出的橢球模型及王毅忠[7]等人提出的球帽模型。

        根據(jù)鄂北D氣田氣井基本生產(chǎn)數(shù)據(jù),適用的垂直段臨界攜液氣流速模型如下[8]:

        (1)

        式中,vc為垂直段臨界攜液氣流速,m/s;σ為界面張力,N/m;ρl為液體密度,kg/m3;ρg為氣體密度,kg/m3。

        1.2 傾斜段

        傾斜段臨界攜液氣流速模型與井斜角θ相關(guān)。根據(jù)鄂北D氣田氣井基本生產(chǎn)數(shù)據(jù),D氣田氣井適用的垂直段臨界攜液氣流速模型如下[9]:

        (2)

        根據(jù)式(2)計(jì)算了Φ60.3 mm油管不同井斜角條件下的臨界攜液流量(10 MPa,90 ℃),見(jiàn)圖1。

        由圖1可知,對(duì)于傾斜段而言,臨界攜液氣流速隨井斜角增加表現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì),在井斜角為40°~60°時(shí)達(dá)到最大。因此,當(dāng)氣體流速大于傾斜段最大臨界攜液氣流速時(shí),才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)傾斜段的攜液。故將傾斜段最大臨界攜液氣流速定義為水平井對(duì)應(yīng)的傾斜段臨界攜液氣流速。

        1.3 垂直段與傾斜段臨界攜液流量對(duì)比

        以臨界攜液氣流速為基礎(chǔ),按照下式計(jì)算臨界攜液氣流量。

        (3)

        式中,qcc為臨界攜液期流量,m3/d;A為油管橫截面積,m2;p為流壓,MPa;Z為壓縮因子;T為溫度,K。

        計(jì)算了生產(chǎn)管柱為Φ60.3 mm油管(內(nèi)徑50.7 mm)時(shí)水平井垂直段、傾斜段的臨界攜液流量并進(jìn)行對(duì)比,如圖2所示。

        由圖2可知,管徑一定時(shí),傾斜段臨界攜液流量總是高于垂直段臨界攜液流量,傾斜段排液難度高于垂直段。

        2 組合管柱排水采氣技術(shù)設(shè)計(jì)

        由式(3)可知,管徑減小時(shí),氣井臨界攜液流量減小。因此可通過(guò)縮小傾斜段生產(chǎn)管柱內(nèi)徑,降低傾斜段臨界攜液流量,實(shí)現(xiàn)水平井垂直段與傾斜段臨界攜液流量協(xié)調(diào)相近,延長(zhǎng)水平井自主攜液期。

        2.1 組合管柱尺寸優(yōu)選

        利用式(1)~(3)計(jì)算了不同管徑的市售標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格油管的傾斜段臨界攜液流量,并與Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)圖3。

        由圖3可知,Φ48.26 mm、Φ42.16 mm、Φ33.4 mm油管傾斜段臨界攜液流量均小于Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量,即采用上述幾種標(biāo)準(zhǔn)油管作為傾斜段生產(chǎn)管柱時(shí),當(dāng)氣井產(chǎn)氣量能夠滿(mǎn)足Φ60.3 mm油管垂直段攜液要求時(shí),也必定能滿(mǎn)足傾斜段排液要求。

        根據(jù)氣液兩相管流壓降規(guī)律,其他條件一定時(shí),若管徑減小,摩阻系數(shù)增加,則對(duì)應(yīng)摩阻增大[1]。綜合考慮攜液及摩阻影響,當(dāng)垂直段生產(chǎn)管柱為Φ60.3 mm油管時(shí),傾斜段生產(chǎn)管柱為Φ48.26 mm油管較為適宜。

        2.2 變徑短節(jié)位置設(shè)計(jì)

        垂直段Φ60.3 mm油管與傾斜段Φ48.26 mm油管應(yīng)采用變徑短節(jié)相連。如前所述,40°~60°為傾斜段臨界攜液流量最大區(qū)域,因此Φ48.26 mm油管分布范圍應(yīng)包含該區(qū)域,故變徑短節(jié)可設(shè)計(jì)在井斜角0°至40°范圍內(nèi)。此外,為使水平井傾斜段、垂直段臨界攜液流量協(xié)調(diào)相近,變徑短節(jié)處對(duì)應(yīng)的Φ60.3 mm油管臨界攜液流量應(yīng)不高于Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量。

        利用式(2)、式(3),反算出不同壓力下,當(dāng)Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量與傾斜段某處臨界攜液流量相等時(shí),對(duì)應(yīng)的井斜角,見(jiàn)表1。

        根據(jù)表1中數(shù)據(jù),結(jié)合圖1中的規(guī)律可知,當(dāng)井斜角大于15°左右時(shí),Φ60.3 mm油管在此處的臨界攜液流量將大于其垂直段臨界攜液流量,造成變徑處攜液難度最大,不符合全井筒攜液的目標(biāo)。故變徑點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)在井斜角0°~15°范圍內(nèi)。

        表1 不同壓力下,當(dāng)Φ60.3 mm油管垂直段與傾斜段的臨界攜液流量相等時(shí)對(duì)應(yīng)的井斜角

        2.3 下入深度設(shè)計(jì)

        如前所述,Φ48.26 mm油管分布范圍應(yīng)包含井斜角40°~60°部分。從提高整個(gè)傾斜段的攜液能力方面考慮,宜下至A靶點(diǎn)附近。同時(shí)綜合考慮氣井出砂帶來(lái)的管柱砂埋風(fēng)險(xiǎn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),選擇A靶點(diǎn)以上50 m作為組合管柱下入深度。

        3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

        2017年至2020年,鄂北D氣田共有43口水平井應(yīng)用組合管柱排水采氣技術(shù)。以A1井為例(見(jiàn)圖4),2019年6月,A1井產(chǎn)氣量已經(jīng)低于Φ60.3 mm油管傾斜段臨界攜液流量,采用組合管柱仍持續(xù)穩(wěn)產(chǎn),延長(zhǎng)自主攜液期超過(guò)400 d。

        4 結(jié)論

        1)根據(jù)鄂北D氣田垂直段、傾斜段臨界攜液氣流速公式,明確管徑相同時(shí),傾斜段最大臨界攜液流量總是高于垂直段臨界攜液流量。

        2)以縮小傾斜段生產(chǎn)管柱內(nèi)徑為思路,優(yōu)選Φ48.26 mm油管作為傾斜段生產(chǎn)管柱。

        3)基于臨界攜液流量與井斜角關(guān)系,明確變徑短節(jié)應(yīng)設(shè)置在井斜角0°~15°范圍內(nèi);結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),確定組合管柱下入深度為A點(diǎn)以上50 m。

        4)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明,組合管柱與原Φ60.3 mm油管相比,可提升氣井?dāng)y液能力,延長(zhǎng)水平井自主攜液期。

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