呂維平，劉家煒，尹俊祿，鄭 翔，任 彬，黃志剛, 王保國(guó)

1中國(guó)石油江漢機(jī)械研究所有限公司 2中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司

0 引言

隨著致密氣/頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)，采用傳統(tǒng)油管柱完井采氣帶來(lái)的產(chǎn)量遞減、含水量升高等問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。連續(xù)管具備無(wú)需接單根、內(nèi)通徑小、完井速度快等優(yōu)勢(shì)，相應(yīng)的特征在速度管柱工藝中亦有體現(xiàn)。將連續(xù)管懸掛完井應(yīng)用到致密氣/頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)中，形成連續(xù)管完井采氣一體化技術(shù)，引領(lǐng)推動(dòng)資源開(kāi)發(fā)的降本提質(zhì)，施工作業(yè)安全高效，在低油價(jià)大環(huán)境中有著重要的意義[1-4]。

致密氣/頁(yè)巖氣投產(chǎn)初期高壓、高產(chǎn)，給完井作業(yè)帶來(lái)較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，且產(chǎn)量遞減和含水上升快，生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)難度大，后期低壓低產(chǎn)階段時(shí)間長(zhǎng)，排水采氣具有長(zhǎng)期性，需采用柱塞等氣舉方式排液生產(chǎn)，而節(jié)流器是進(jìn)行連續(xù)管帶壓完井的核心工具[5]，為實(shí)現(xiàn)氣井的高效開(kāi)發(fā)，需從其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)入手，解決氣井從完井到試氣、開(kāi)采等多個(gè)階段的工藝需求。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外缺乏滿足開(kāi)展全生產(chǎn)工藝流程的節(jié)流器。為此，筆者團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一種氣井多功能節(jié)流器。該節(jié)流器采用回壓閥、節(jié)流嘴以及堵頭等多功能組合設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓氣井帶壓下入連續(xù)管柱、高產(chǎn)期節(jié)流降壓生產(chǎn)、低產(chǎn)期速度管柱生產(chǎn)、間歇期柱塞氣舉以及枯竭期井底封堵從而可將管柱起出。該節(jié)流器的研制對(duì)連續(xù)管完井采氣一體化技術(shù)的支撐以及安全性、可行性的驗(yàn)證具有重要的意義。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 完井期下管封堵

連續(xù)管帶壓完井作業(yè)是指在井內(nèi)存在壓力的情況下，不壓井通過(guò)節(jié)流器及井口帶壓作業(yè)裝置，控制井筒壓力，進(jìn)行下管作業(yè)[6]。連續(xù)管帶壓下入至目標(biāo)深度后，需要求井下的節(jié)流器具有暫堵功能保障管柱內(nèi)無(wú)壓，同時(shí)確保井口作業(yè)安全零壓，方可開(kāi)展后續(xù)完井作業(yè)步驟。

1.2 高壓期節(jié)流生產(chǎn)

天然氣井投產(chǎn)初期，儲(chǔ)層能量較大，產(chǎn)量較高，但是衰竭迅速，為保證生產(chǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定進(jìn)行，需在投產(chǎn)初期控制氣井產(chǎn)量，常用的方式是井筒內(nèi)節(jié)流生產(chǎn)，適應(yīng)地面低壓流程的生產(chǎn)要求[5]。

1.3 低壓期速度管柱

隨著開(kāi)采的進(jìn)行，地層儲(chǔ)量減少，井筒中液體將會(huì)越積越多，形成積液抑制井底壓力。此開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)需通過(guò)降低氣井的臨界攜液流速，提高氣井的攜液能力，實(shí)現(xiàn)不動(dòng)原生產(chǎn)管柱的速度管柱排水采氣，達(dá)到攜液舉升、連續(xù)產(chǎn)氣，維持氣井穩(wěn)定生產(chǎn)[7-8]。

1.4 間歇期柱塞氣舉

隨著開(kāi)采進(jìn)入到末期，井底的能力已降低到不足以通過(guò)小直徑速度管柱通道將井底積液排出井口[9-10]。投入柱塞氣舉，可以在速度管柱的基礎(chǔ)上，達(dá)到一次施工投入，持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的目的，減少重復(fù)作業(yè)的成本，同時(shí)避免儲(chǔ)層傷害，提高采收率，上述氣井從高壓期到低壓期再到間歇期開(kāi)發(fā)的工藝流程如圖1所示。

圖1 氣井全過(guò)程生產(chǎn)工藝示意圖

1.5 枯竭期帶壓起管

當(dāng)氣井生產(chǎn)進(jìn)入枯竭期，已不具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)價(jià)值，后續(xù)應(yīng)回收生產(chǎn)管柱，關(guān)井處理。此時(shí)管柱內(nèi)部有一定的壓力，直接起管存在安全隱患，需采用措施管內(nèi)封堵[11-12]?？稍O(shè)計(jì)雙瓣回壓閥結(jié)構(gòu)，通過(guò)投球?qū)崿F(xiàn)管內(nèi)二次封堵，實(shí)現(xiàn)帶壓起管。

2 技術(shù)分析

基于上述關(guān)鍵技術(shù)分析和相應(yīng)設(shè)計(jì)要求，筆者研制了一種用于連續(xù)管作業(yè)的機(jī)械式節(jié)流器，適用于新井的全流程生產(chǎn)。新型多功能節(jié)流器采用泵出式堵頭設(shè)計(jì)，可安裝節(jié)流嘴，預(yù)置雙瓣單流閥，實(shí)現(xiàn)連續(xù)管完井管柱的帶壓下管及起管封堵，高壓及低壓穩(wěn)定生產(chǎn)等功能，滿足氣井高效開(kāi)采的需要。

2.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能節(jié)流器由上接頭、單流閥組件、節(jié)流組件、堵頭、篩網(wǎng)以及導(dǎo)引頭六部分組合而成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，整體安裝于完井管柱尾端，節(jié)流器的中部設(shè)置組件是實(shí)現(xiàn)帶壓下管、節(jié)流生產(chǎn)以及起管封堵的核心機(jī)構(gòu)，從左至右設(shè)置有單流閥組件、節(jié)流組件以及堵頭，結(jié)構(gòu)緊湊，作業(yè)過(guò)程中通過(guò)泵壓或者泵送不同尺寸鋼球，實(shí)現(xiàn)各模塊功能的切換。

圖2 多功能節(jié)流器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 節(jié)流嘴設(shè)計(jì)

節(jié)流組件由節(jié)流嘴和節(jié)流剪切環(huán)組成，置于堵頭上端，實(shí)現(xiàn)高壓期節(jié)流生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)流嘴加工工藝的精確性和泛用性，如圖3所示，采用模塊化設(shè)計(jì)，節(jié)流嘴整體由殼體、節(jié)流體以及限位件組成，殼體和限位件采用統(tǒng)一規(guī)格加工，僅需改變節(jié)流體的尺寸，適應(yīng)不同氣井產(chǎn)量的節(jié)流配產(chǎn)控制，實(shí)現(xiàn)不同孔徑節(jié)流嘴節(jié)流，方便零件的更換及維修，可以有效降低加工難度，節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖3 節(jié)流嘴結(jié)構(gòu)示意圖

殼體出口采用曲線型擴(kuò)散管設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，建立了四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，利用RNG k-ε模型，二階迎風(fēng)離散方法對(duì)該種節(jié)流嘴結(jié)構(gòu)內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)直噴嘴計(jì)算結(jié)果，得到兩者的節(jié)流速度云圖如圖4、圖5所示。

圖4 曲線型節(jié)流嘴速度云圖

圖5 傳統(tǒng)直節(jié)流嘴速度云圖

對(duì)比圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，曲線型節(jié)流嘴下游的工具件內(nèi)流速較低較為平緩，勢(shì)流核心區(qū)并未發(fā)展到工具件中；而傳統(tǒng)直噴嘴下游的工具件內(nèi)流速較高，速度梯度大，勢(shì)流核心區(qū)域在工具件內(nèi)產(chǎn)生長(zhǎng)距離的延伸，形成劇烈的擾動(dòng)。圖6為曲線型節(jié)流嘴擴(kuò)散管段橫截面上的速度分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)流體在節(jié)流嘴擴(kuò)散管段延軸向方向橫截面上勢(shì)流核心區(qū)逐漸增大，速度梯度逐漸降低。

圖6 曲線型節(jié)流嘴擴(kuò)散管段橫截面速度云圖

上述現(xiàn)象是由于該種結(jié)構(gòu)使得流體通過(guò)節(jié)流嘴在擴(kuò)散腔內(nèi)發(fā)生附壁效應(yīng)[13]，如圖7所示，勢(shì)流核心段首先貼附在擴(kuò)散管壁面并逐漸增大，在增大到一定程度后脫離壁面進(jìn)一步發(fā)展。勢(shì)流核心段在附著壁面過(guò)程中，出口高速流體擴(kuò)散到更大直徑處，能量發(fā)生快速耗散，使得節(jié)流后流體流速變緩，后續(xù)脫離壁面的勢(shì)流核心段變短，減弱了對(duì)節(jié)流嘴下游組件的沖擊作用，延長(zhǎng)了節(jié)流器的使用壽命。

圖7 節(jié)流嘴附壁效應(yīng)示意圖

2.1.2 防回堵設(shè)計(jì)

為防止生產(chǎn)過(guò)程中堵頭回堵引起生產(chǎn)暫停的風(fēng)險(xiǎn)，筆者采用防回堵設(shè)計(jì)，如圖8所示，一方面在堵頭尾端配備高溫磁鐵，使用螺釘固定，另一方面導(dǎo)引頭內(nèi)部采用口袋設(shè)計(jì)，為堵頭泵落預(yù)留空間。堵頭泵落后，其沿篩網(wǎng)垂直掉入導(dǎo)引頭口袋內(nèi)，底部磁鐵使得堵頭可以牢固吸附于節(jié)流器底部的磁鐵，如圖9所示，起到防回堵的作用。

圖8 堵頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 堵頭泵落示意圖

2.2 全流程工藝設(shè)計(jì)

多功能節(jié)流器通過(guò)與高溫高壓氣密封外連接器安裝于連續(xù)管尾端，為滿足各種氣井開(kāi)發(fā)的工藝需求，必須通過(guò)特定的工序啟動(dòng)工具的不同功能組合，具體操作流程如下：

(1)完井作業(yè)階段。多功能節(jié)流器使用堵頭通過(guò)銷(xiāo)釘固定于設(shè)計(jì)位置，安裝于連續(xù)管底端，保證帶壓下管過(guò)程中生產(chǎn)通道封堵。下管至設(shè)計(jì)位置，完成連續(xù)管懸掛完井、恢復(fù)采氣樹(shù)后，采用泵車(chē)對(duì)生產(chǎn)通道進(jìn)行打壓，管柱內(nèi)與井筒壓差達(dá)到銷(xiāo)釘剪斷所需壓力堵頭掉落，生產(chǎn)通道與井筒形成通路，實(shí)現(xiàn)氣井試氣與投產(chǎn)。

(2)高壓生產(chǎn)階段。針對(duì)高壓生產(chǎn)井，下管完井前在節(jié)流器內(nèi)部安裝節(jié)流嘴，生產(chǎn)初期實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定節(jié)流。

(3)低壓生產(chǎn)階段。針對(duì)高壓生產(chǎn)井后期產(chǎn)能下降，向生產(chǎn)通道投送直徑20 mm的1#鋼球，封堵節(jié)流嘴，采用泵車(chē)對(duì)生產(chǎn)通道進(jìn)行打壓，憋壓剪斷銷(xiāo)釘打落節(jié)流嘴，擴(kuò)大生產(chǎn)通道通徑，實(shí)現(xiàn)后期全通道穩(wěn)產(chǎn)。

(4)間歇生產(chǎn)階段。針對(duì)末期排液需要，在井口安裝柱塞制動(dòng)裝置，向生產(chǎn)管柱內(nèi)投放柱塞，節(jié)流器底端預(yù)留柱塞限位結(jié)構(gòu)，保證柱塞在生產(chǎn)管柱內(nèi)能開(kāi)展往復(fù)氣舉作業(yè)。

(5)帶壓起管階段。向生產(chǎn)通道投送直徑26 mm的2#鋼球，封堵單向閥的控制滑套，采用泵車(chē)對(duì)生產(chǎn)通道進(jìn)行打壓，憋壓剪斷銷(xiāo)釘打落控制滑套，啟動(dòng)單流閥，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管柱內(nèi)回壓封堵，滿足帶壓起管條件。

2.3 技術(shù)參數(shù)

多功能節(jié)流器的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 多功能節(jié)流器技術(shù)參數(shù)表

2.4 性能特點(diǎn)

(1)新型多功能節(jié)流器采用雙瓣回流閥、節(jié)流嘴和堵頭相組合的結(jié)構(gòu)，分別可以實(shí)現(xiàn)回壓封堵、節(jié)流生產(chǎn)以及管內(nèi)封堵等功能，采用泵壓、投球等方式啟動(dòng)以滿足從完井期到枯竭期等多個(gè)生產(chǎn)階段不同功能組合的需求。

(2)采用曲線型擴(kuò)散管設(shè)計(jì)的節(jié)流嘴，利用附壁效應(yīng)降低節(jié)流流體對(duì)下游工具的沖擊作用，提升工具使用壽命。

(3)采用磁性堵頭，在堵頭底端加裝高溫磁鐵，堵頭泵落后吸附在導(dǎo)引頭槽內(nèi)，防止回堵。

(4)采用加密篩網(wǎng)，防止下管或者生產(chǎn)過(guò)程中地層出砂進(jìn)入堵塞管柱。

(5)導(dǎo)引頭內(nèi)部采用口袋設(shè)計(jì)，堵頭泵落預(yù)留空間。外部采用導(dǎo)向設(shè)計(jì)，光滑處理，降低遇阻率，便于工具串通過(guò)井口裝置臺(tái)階以及井底砂橋。

3 性能試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)已有的設(shè)計(jì)以及相關(guān)參數(shù)，加工制造了符合規(guī)格的節(jié)流器，在中石油江漢機(jī)械研究所有限公司井下工具測(cè)試臺(tái)開(kāi)展了堵頭泵出、節(jié)流嘴泵出、控制滑套泵出以及瓣閥回壓等壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)流器性能良好，可以完成規(guī)定工序，符合現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

3.1 內(nèi)部泵壓試驗(yàn)

節(jié)流器內(nèi)部泵壓試驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示，使用試壓接頭與多功能節(jié)流器相連，利用液壓泵進(jìn)行打壓，以驗(yàn)證節(jié)流器不同組件的泵出特性。

圖10 內(nèi)部泵壓試驗(yàn)示意圖

對(duì)應(yīng)組件泵落前試驗(yàn)過(guò)程未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，將試驗(yàn)記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同組件的泵落情況壓差變化曲線，如圖11所示。由圖11可知，泵注壓力緩慢升高到不同組件泵落壓力值，組件泵落后泵壓陡降，堵頭、節(jié)流嘴以及滑套泵落壓力分別為2 MPa、20 MPa、20 MPa，證明多功能節(jié)流器各組件泵落性能達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，且內(nèi)部密封性良好，符合

圖11 內(nèi)部泵壓試驗(yàn)壓力曲線

全流程施工要求。

3.2 外部密封試驗(yàn)

節(jié)流器外部密封試驗(yàn)系統(tǒng)如圖12所示，使用試壓接頭與多功能節(jié)流器相連，利用液壓泵從節(jié)流器一端進(jìn)行打壓，以驗(yàn)證節(jié)流器雙瓣回壓閥工作性能。

圖12 外部密封試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)全過(guò)程未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，將試驗(yàn)記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到氣密性試驗(yàn)壓力的變化曲線，如圖13所示。由圖13可知，不同梯度穩(wěn)壓階段壓降小于0.2 MPa，達(dá)到70 MPa密封性能要求，證明雙瓣回壓閥工作良好，節(jié)流器整體具備較好的氣密性，符合現(xiàn)場(chǎng)施工以及帶壓起管的要求，可以進(jìn)行后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖13 外部密封性能試驗(yàn)壓力曲線圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為證明通過(guò)多功能節(jié)流器可以解決氣井投產(chǎn)作業(yè)的技術(shù)難題，2020年6月在中國(guó)石油長(zhǎng)慶區(qū)塊某井開(kāi)展了?50.8 mm連續(xù)管完井作業(yè)試驗(yàn)，工具串帶節(jié)流器下入。該井為定向完鉆井，井深3 652 m，人工井底3 563 m，預(yù)測(cè)地層壓力30.7 MPa，前期采用?114.3 mm套管橋塞分層壓裂進(jìn)行儲(chǔ)層改造。

在應(yīng)用過(guò)程中，節(jié)流器在完井階段實(shí)現(xiàn)了帶壓下管，采用700型泵車(chē)打掉堵頭投產(chǎn)。前期通過(guò)節(jié)流嘴保持節(jié)流生產(chǎn)，產(chǎn)氣量達(dá)3.12×104m3/d。后期產(chǎn)能衰竭，投球泵注打掉節(jié)流嘴，實(shí)現(xiàn)速度管柱全通徑生產(chǎn)，產(chǎn)氣量顯著增加，恢復(fù)到2.15×104m3/d。末期開(kāi)展了柱塞氣舉試驗(yàn)，柱塞上下運(yùn)行順利，約20 min后返回井口，實(shí)現(xiàn)間歇攜液開(kāi)采，同時(shí)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，生產(chǎn)曲線如圖14、圖15所示，標(biāo)志著連續(xù)管完井采氣一體化工藝試驗(yàn)成功，節(jié)流器設(shè)計(jì)滿足工藝要求。

圖14 柱塞工作狀態(tài)曲線圖

圖15 氣井投柱塞生產(chǎn)曲線圖

5 結(jié)論

(1)研制的多功能節(jié)流器具備帶壓下管、節(jié)流生產(chǎn)以及起管封堵等功能；節(jié)流嘴采用模塊化設(shè)計(jì)以及曲線型擴(kuò)散管，通過(guò)數(shù)值模擬仿真，證明相比傳統(tǒng)直節(jié)流嘴，曲線型擴(kuò)散管設(shè)計(jì)可以利用附壁效應(yīng)降低節(jié)流嘴下游流體動(dòng)能，提高工具使用壽命；采用磁力堵頭以及口袋設(shè)計(jì)，解決回堵問(wèn)題。

(2)設(shè)計(jì)特定的作業(yè)工序來(lái)啟動(dòng)節(jié)流器的不同功能組合，可以實(shí)現(xiàn)包括完井作業(yè)階段、高壓生產(chǎn)階段、低壓生產(chǎn)階段、間歇生產(chǎn)階段以及帶壓起管階段等涉及氣井開(kāi)發(fā)多個(gè)階段的生產(chǎn)需求。

(3)開(kāi)展了多功能節(jié)流器的內(nèi)部泵壓及外部密封試驗(yàn)，結(jié)果證明節(jié)流器各組件泵落性能良好，雙瓣回壓閥密封良好，可以完成規(guī)定工序，節(jié)流器整體具備較好的氣密性，符合現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

(4)開(kāi)展了帶多功能節(jié)流器下入的完井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，順利完成帶壓完井施工，實(shí)現(xiàn)了后續(xù)高壓期節(jié)流生產(chǎn)、低壓期速度管柱連續(xù)排液以及間歇期柱塞氣舉等多個(gè)生產(chǎn)流程，滿足實(shí)際應(yīng)用要求，有力支撐了連續(xù)管完井采氣一體化技術(shù)，保障了氣井生產(chǎn)的安全高效運(yùn)行。