辛?xí)灾?王典 許譯文 冉令博 薛亮 馬曉勇

1.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院 2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 3.中國石油新疆油田公司百口泉采油廠

瑪湖油田三級石油地質(zhì)儲量豐富，是新疆油田增儲上產(chǎn)的重要部分?，敽吞锊糠志畢^(qū)油井天然氣含量高，高油壓條件下經(jīng)常發(fā)生水合物凍堵問題，需要進(jìn)行水合物凍堵預(yù)防與解堵措施。

水合物凍堵問題一般發(fā)生于天然氣氣井中，常通過加注化學(xué)劑與井下節(jié)流技術(shù)來解決[1]?；瘜W(xué)劑種類雖多，但只能在一定程度上降低水合物發(fā)生條件，水合物預(yù)防效果有限[2-3]，在瑪湖油田有一定的實施效果。井下節(jié)流水合物防治技術(shù)可以大幅降低油管壓力，井口壓力等于管線回壓，可以完全解決水合物凍堵問題[4-5]，但瑪湖油田高含氣油井，本質(zhì)屬于自噴油井范疇，需要保留井口油嘴來調(diào)產(chǎn)，常規(guī)的井下節(jié)流技術(shù)無法直接采用。瑪湖油田先前主要采用化學(xué)劑與井口放噴兩種措施進(jìn)行生產(chǎn)，但是井口放噴瞬時產(chǎn)量增大存在隱患，頻繁放噴容易誘導(dǎo)致地層出砂與裂縫閉合，造成嚴(yán)重的儲層傷害[6-7]。

為此，新疆油田開展了深入的理論研究，在井下節(jié)流技術(shù)基礎(chǔ)上提出了井下與井口雙節(jié)流技術(shù)，研究雙節(jié)流工藝條件下水合物防治與產(chǎn)量調(diào)節(jié)機(jī)理，在現(xiàn)場進(jìn)行了5口井的試驗，取得了良好的效果。

1 油管與噴嘴溫壓計算方法

雙節(jié)流工藝包括井下與井口兩級節(jié)流，井下節(jié)流用于水合物凍堵預(yù)防，井口油嘴用于產(chǎn)量調(diào)整。雙節(jié)流工藝?yán)碚撗芯啃枰嬎憔掠凸軠貕悍植肌杉墖娮靿航蹬c溫降、水合物生成的溫壓曲線。

采用管流PIPESIM軟件進(jìn)行雙節(jié)流工藝設(shè)計。基于瑪湖油田氣體與原油組分，選取組分模型進(jìn)行計算，以實測組分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行賦值，選取Beggs&Brill方法計算油管壓力，選取Ramey法計算地層與井筒傳熱，選取Mechanistic方法計算噴嘴壓降與溫降，狀態(tài)方程選取Peng-Robinson方程。

基于瑪湖油田井身結(jié)構(gòu)建模，井下油管2 000 m位置安裝井下節(jié)流器，地面井口安裝油嘴。利用PIPESIM軟件計算雙節(jié)流噴嘴流動特征，計算油管溫壓分布與水合物風(fēng)險曲線，研究雙節(jié)流噴嘴設(shè)計方法。

2 雙節(jié)流工藝水合物防治與調(diào)產(chǎn)理論研究

基于PIPESIM軟件計算井下油管溫壓分布、雙節(jié)流噴嘴壓降與溫降、水合物生成溫壓曲線，改變雙節(jié)流噴嘴直徑，研究雙節(jié)流噴嘴流動特征、井下節(jié)流油嘴對水合物防治的影響規(guī)律，以及井口油嘴對產(chǎn)量的調(diào)節(jié)能力。

2.1 雙節(jié)流噴嘴對水合物預(yù)防機(jī)理研究

瑪湖油田131井區(qū)產(chǎn)氣量高，井下油管與地面容易發(fā)生水合物凍堵現(xiàn)象。2020年,完成了6井次的雙節(jié)流設(shè)計與現(xiàn)場試驗，以M1井為例進(jìn)行水合物凍堵理論分析。表1為M1井生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計。由表1可知，井口油嘴直徑由3.5 mm更換為4.5 mm后，產(chǎn)氣量與產(chǎn)液量均有所增加，但隨著氣液比的增大，水合物清理周期相對縮短，水合物凍堵問題更加嚴(yán)重，隨著井口放噴水合物清理頻率增加，日產(chǎn)氣量與日產(chǎn)液量波動程度也大幅增加。

表1 M1井生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計油嘴尺寸/mm壓力/MPa產(chǎn)能/m3油壓回壓套壓日產(chǎn)氣量日產(chǎn)液量氣液比水合物清理情況次數(shù)/次間隔時間/天3.5191.322～2521 00020～30500～1 0001015.04.5181.320～2220 000～42 00030～501 000～1 30049.3

考慮單油嘴流條件下油嘴直徑4.5 mm，井下節(jié)流噴嘴選用4.5 mm，井口油嘴按雙節(jié)流噴嘴直徑試算(見表2)，油嘴間級差間隔設(shè)置為0.5 mm。計算不同雙節(jié)流噴嘴直徑組合條件下油管與噴嘴溫壓分布規(guī)律，研究雙節(jié)流水合物防治機(jī)理與產(chǎn)量調(diào)整原理。

表2 雙節(jié)流噴嘴直徑組合參數(shù)mm油嘴直徑井下噴嘴直徑油嘴直徑井下噴嘴直徑4.04.55.04.55.54.56.04.56.54.57.04.57.54.58.04.5

采用PIPESIM軟件計算油管與噴嘴壓力分布規(guī)律，繪制井口油嘴直徑對壓力隨井深分布以及噴嘴壓降影響曲線(見圖1)。在2 000 m位置有兩個壓力值，兩者之差是井下節(jié)流噴嘴壓降。在井深為0 m的位置也有兩個壓力值，兩者之差是井口油嘴壓降。井下節(jié)流噴嘴壓降的產(chǎn)生降低了井下油管的整體壓力及井口位置的油壓。由圖1還可知，隨井口油嘴直徑增加，井下節(jié)流壓降增大，井口油嘴壓降減小。綜上所述 ，井下節(jié)流對井下油管與井口管線水合物凍堵有預(yù)防作用，預(yù)防能力可以通過井口油嘴直徑進(jìn)行調(diào)整。

基于管流PIPESIM軟件計算結(jié)果，繪制油嘴直徑對油管與噴嘴溫降影響曲線(見圖2)。在2 000 m節(jié)流器位置的兩個溫度值之差為井下節(jié)流噴嘴溫降，井深為0 m位置的兩個溫度值之差是井口油嘴溫降，兩者均由噴嘴壓降導(dǎo)致的氣體膨脹降溫所致，不同的是井下節(jié)流產(chǎn)生的溫降會被地層加熱抵消回來。由圖2還可知，井口油嘴前的溫度隨油嘴直徑增大而提高，油嘴后的地面管線溫度隨油嘴直徑增大而提高。一般來說，油嘴前的溫度升高是油嘴直徑增大導(dǎo)致產(chǎn)量增加所攜帶的地層熱量增加所致，油嘴后的溫度隨油嘴直徑的增大而升高是井下節(jié)流壓降增大導(dǎo)致的油嘴壓降減小所致。所以，井下節(jié)流對地面管線水合物凍堵有預(yù)防作用，預(yù)防能力可以通過井口油嘴直徑進(jìn)行調(diào)整。

安裝井下油嘴后，水合物凍堵預(yù)防能力可以通過井口油嘴直徑進(jìn)行調(diào)整。針對M1井天然氣組分，基于PIPESIM軟件計算結(jié)果，繪制了水合物生成風(fēng)險預(yù)測曲線。圖3底部黑色曲線為水合物生成溫壓臨界線，另外8條曲線為不同油嘴直徑條件下的油管溫壓曲線。曲線左側(cè)第一點對應(yīng)的是過井口油嘴后的地面管線溫壓值，第二點是油嘴前的井下油管溫壓值。由圖3可知：當(dāng)井口油嘴直徑≥6.0 mm時，地面管線無水合物凍堵風(fēng)險；井口油嘴直徑≥6.5 mm時，井下油管無水合物凍堵風(fēng)險；井口油嘴直徑與井下節(jié)流噴嘴極差越大，離水合物生成曲線越遠(yuǎn)，水合物生成風(fēng)險越低。

2.2 雙節(jié)流噴嘴流動特征與調(diào)產(chǎn)能力分析

基于管流PIPESIM軟件計算結(jié)果，統(tǒng)計油嘴直徑對井下節(jié)流壓力比與產(chǎn)氣量的影響規(guī)律，研究井口油嘴對產(chǎn)量的調(diào)節(jié)能力。節(jié)流壓力比為井下節(jié)流噴嘴嘴后與嘴前的壓力比值，用于判別井下節(jié)流噴嘴流動特征。對于單相氣體流動來說，節(jié)流壓力比大于0.546時屬于亞臨界流，氣流進(jìn)入噴嘴降壓膨脹加速，最大速度恒小于當(dāng)?shù)芈曀?；?jié)流壓力比小于0.546時屬于臨界流，氣流進(jìn)入噴嘴降壓加速，噴嘴內(nèi)最大速度只能等于當(dāng)?shù)芈曀?，氣流過噴嘴后可以繼續(xù)降壓膨脹加速，增加的速度來源于體積膨脹，質(zhì)量流量保持不變[8-10]。

氣液兩相流動判據(jù)不是定值，但可以參考單相氣體流動判據(jù)。由表3可知：當(dāng)井口油嘴直徑≥6.5 mm時，井下節(jié)流噴嘴流動接近臨界流，出現(xiàn)類似單相氣體的限流特征，產(chǎn)氣量隨井下節(jié)流噴嘴壓降增大而增加有限，井口油嘴直徑對產(chǎn)量的調(diào)節(jié)能力下降；當(dāng)井口油嘴直徑<6.5 mm時，噴嘴直徑極差減小，井下節(jié)流噴嘴屬于亞臨界流動，噴嘴內(nèi)速度隨井下節(jié)流噴嘴壓降增大而增大，井口油嘴直徑對產(chǎn)量具有良好的調(diào)節(jié)能力。

表3 井口油嘴直徑對產(chǎn)能的調(diào)節(jié)能力井口油嘴直徑/mm節(jié)流壓力比產(chǎn)氣量/104 m34.00.861.945.00.742.515.50.673.056.00.623.526.50.563.967.00.514.077.50.474.168.00.434.23

2.3 雙節(jié)流工藝條件下水合物放噴解堵分析

本節(jié)針對M1井進(jìn)行雙節(jié)流條件下放噴解堵機(jī)理分析。由表3可知，如果按噴嘴組合5.5～4.5 mm進(jìn)行設(shè)計，井下噴嘴處于亞臨界流特征，具有良好的產(chǎn)量調(diào)整能力。但由圖3可知，該噴嘴組合下井下油管有水合物凍堵風(fēng)險，需要在井口將油嘴去掉，進(jìn)行井口放噴解堵作業(yè)。

圖4為井口放噴條件下的壓力分布圖，黑色線為雙節(jié)流條件下的油管壓力分布曲線，橙色線為在井下節(jié)流放噴條件下的壓力分布曲線，綠色線為井下無節(jié)流放噴條件下的壓力分布曲線。井下節(jié)流條件下井口放噴解堵時，井下節(jié)流噴嘴壓降大幅增加，上方油管壓力大幅下降，有助于快速解除井下油管發(fā)生的凍堵問題。井下無節(jié)流條件下井口放噴解堵時，瞬間產(chǎn)量增加導(dǎo)致井底流壓大幅下降，井下油管壓力分布大幅降低，有助于快速解除井下油管發(fā)生的凍堵問題。井下節(jié)流輔助放噴條件下的油管壓力分布比無井下節(jié)流的井口放噴低，但解堵效果還需結(jié)合溫度影響綜合分析。

圖5為井下節(jié)流輔助放噴溫度分布對比圖。與井下節(jié)流壓力分布規(guī)律對應(yīng)，井下節(jié)流輔助放噴條件下節(jié)流噴嘴位置溫度大幅下降，隨后逐漸被地溫加熱補(bǔ)償回來，井口位置沒有節(jié)流溫降，井口溫度相對放噴前大幅上升，有助于快速解除地面管線的凍堵問題。無井下節(jié)流條件下放噴在井下沒有溫降，油管與井口溫度相比放噴前均大幅提高，有助于快速解除井下油管與地面管線發(fā)生的凍堵問題。無井下節(jié)流輔助放噴條件下油管與地面管線溫度比有井下節(jié)流的高，解堵效果需綜合壓力影響與水合物生成曲線進(jìn)行對比分析。

兩種放噴模式對水合物解堵效果需要根據(jù)水合物生成曲線來綜合分析。圖6為井下節(jié)流輔助水合物解堵效果對比分析圖。圖中黑色溫壓分布曲線表明放噴前存在水合物凍堵風(fēng)險，橙色線為井下節(jié)流輔助放噴條件下溫壓分布曲線，綠色線為無井下節(jié)流井口放噴溫壓分布曲線。由圖6可知，兩種放噴模式下的溫壓點，左側(cè)第一點與第二點均遠(yuǎn)離水合物生成曲線，說明兩種放噴模式都具有良好的解堵效果，都可以快速解除井下油管或地面管線的水合物凍堵問題。單純對比的話，無井下節(jié)流條件下放噴解堵效果會更快些。

進(jìn)一步觀察圖4可知：井下節(jié)流噴嘴壓降大幅下降導(dǎo)致井下噴嘴流動特征由亞臨界流轉(zhuǎn)為臨界流，放噴時瞬時產(chǎn)量增加會受到臨界流限制，計算結(jié)果表明，瞬時氣量由日產(chǎn)3.05×104m3增加到4.50×104m3，由此可知，瞬時放噴對儲層影響較??；無節(jié)流放噴壓降主要集中在儲層生產(chǎn)壓差上，說明無節(jié)流放噴時瞬時產(chǎn)量大幅增加，計算結(jié)果表明，瞬時產(chǎn)氣量由雙節(jié)流的日產(chǎn)3.05×104m3增加到了10.00×104m3，瞬時放噴的產(chǎn)量增加對地層滲流會有較大影響。

綜上所述，兩種放噴模式都可以有效地解除井下油管與井口管線水合物凍堵問題，考慮瞬時放噴對儲層的影響，雙節(jié)流條件下的井下節(jié)流輔助放噴解堵作業(yè)具有明顯優(yōu)勢。

3 現(xiàn)場應(yīng)用實例分析

基于以上方法，進(jìn)行了6口井的雙節(jié)流工藝設(shè)計，于2020年陸續(xù)開展了雙節(jié)流工藝現(xiàn)場試驗。表4為現(xiàn)場試驗井采用的雙節(jié)流噴嘴設(shè)計參數(shù)、實際使用參數(shù)及水合物預(yù)防效果。表4中的設(shè)計直徑是按水合物被完全預(yù)防的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，現(xiàn)場使用過程中以此為基礎(chǔ)考慮調(diào)產(chǎn)需要而進(jìn)行了調(diào)整。M1與M2井下節(jié)流噴嘴直徑與設(shè)計值相同，井口油嘴直徑大于設(shè)計值，水合物防治效果良好。M3井下節(jié)流噴嘴直徑略大于設(shè)計值，調(diào)大井口油嘴直徑增加噴嘴極差后水合物預(yù)防效果良好。M4與M5井下節(jié)流噴嘴直徑大于設(shè)計值，井下噴嘴處于亞臨界流狀態(tài)，水合物預(yù)防效果改善有限，井下節(jié)流噴嘴作業(yè)后配合井口放噴進(jìn)行生產(chǎn)。

表4 現(xiàn)場試驗參數(shù)與實施效果分析井號噴嘴直徑/mm水合物防治效果分析設(shè)計直徑現(xiàn)場直徑生產(chǎn)天數(shù)/天清理次數(shù)/次平均間隔時間/天防治效果M16.5～4.54.5(單油嘴)3749.37.0～4.5172357.3效果良好M26.5～4.04.5(單油嘴)31215.57.0～4.04608.0～4.0530效果良好M36.5～4.55.0(單油嘴)187199.86.0～5.055511.07.0～5.0990增大油嘴效果良好M45.0～4.04.0(單油嘴)156917.36.0～5.01901019.0井下節(jié)流輔助放噴M57.5～4.04.5(單油嘴)1819.07.0～4.5175919.4井下節(jié)流輔助放噴

4 結(jié)論

(1) 雙節(jié)流工藝可以降低瑪湖油田高含氣油井水合物凍堵風(fēng)險。井下節(jié)流噴嘴具有降低井下油管壓力與提高地面管線溫度的雙重作用，通過更換井口油嘴直徑、增大噴嘴直徑極差可以提高對水合物凍堵的預(yù)防能力。

(2) 雙節(jié)流工藝可以進(jìn)行調(diào)產(chǎn)，當(dāng)雙節(jié)流噴嘴直徑極差較小、井下節(jié)流噴嘴處于亞臨界流特征時，井口油嘴具有良好的產(chǎn)量調(diào)整能力；當(dāng)雙節(jié)流噴嘴直徑極差大、井下節(jié)流噴嘴處于臨界流特征時，井口油嘴對產(chǎn)量調(diào)節(jié)能力很小。

(3) 雙節(jié)流工藝條件下放噴解堵時，井下節(jié)流噴嘴流動由亞臨界流轉(zhuǎn)為臨界流，井下油管與地面管線降壓升溫的同時，限制瞬時產(chǎn)量的增加，相比于無井下節(jié)流放噴具有保護(hù)油藏的效果。

(4) 基于雙節(jié)流工藝，現(xiàn)場完成了6口高含氣油井設(shè)計，現(xiàn)場試驗過程中有3口井沒有出現(xiàn)水合物凍堵問題，另有3口井有水合物凍堵風(fēng)險，配合井口放噴解堵進(jìn)行生產(chǎn)，均取得了良好的效果。