刁歡

［中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 海口 570100］

0 引言

深水高凝油井是指在海洋深水區(qū)域，石油開采過程中遇到的高度凝結(jié)的油，導(dǎo)致井筒內(nèi)部的溫度、壓力、密度、黏度等參數(shù)發(fā)生變化，并且這種油的黏度很高，容易造成井筒流動不暢，甚至發(fā)生堵塞，對井下設(shè)備和作業(yè)人員的安全造成威脅。深水高凝油井井筒流動是油井生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，同時也是比較復(fù)雜的一個環(huán)節(jié)。在油井生產(chǎn)過程中，油井井筒流動不僅受到油井自身的影響，還受到井口變化、油管輸送等因素的影響。為了保障深水高凝油井井筒流動的安全，需要對井筒流動的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，并建立相應(yīng)的安全保障控制模型，以確保油井的正常生產(chǎn)。

1 深水高凝油井井筒流動的特性與關(guān)鍵參數(shù)

1.1 流動特性

深水高凝油井井筒流動的特性主要包括流態(tài)、流速、流量、流動壓力等多個方面。在深水高凝油井中，由于油的高凝點(diǎn)和高黏度，其流態(tài)可能會發(fā)生變化，如從層流過渡到湍流，從單相流變?yōu)槎嘞嗔鞯?。此外，流速和流量也受到油的阻力和重力等因素的影響，需要進(jìn)行計(jì)算分析。同時，流動壓力也是影響深水高凝油井井筒流動安全的重要因素之一。當(dāng)井底流速較小時，油液的流動阻力也會較小，流速較快。當(dāng)井底流速較大時，油液就會受到較大的阻力，流速會變慢。

高凝油在井筒中的流動特性與低凝油有很大的區(qū)別。首先，高凝油的黏度較高，容易在井筒中形成“塞狀物”，導(dǎo)致油井流量下降甚至完全中斷。其次，高凝油的黏度隨著溫度的變化而變化，溫度越低黏度越高，流動性越差。最后，高凝油的流動特性還受到井筒內(nèi)部的摩擦力、重力和離心力等因素的影響。

1.2 關(guān)鍵參數(shù)

深水高凝油井井筒流動的關(guān)鍵參數(shù)主要包括井筒直徑、井深、井筒壁面粗糙度、油井溫度和壓力等。其中，井筒直徑和井深是影響井筒流動的主要因素，當(dāng)井筒直徑較小時，油液的流速較快，會產(chǎn)生較大的摩擦力，導(dǎo)致井筒內(nèi)的油管受到較大的摩擦力，從而導(dǎo)致油管的磨損和腐蝕。當(dāng)井筒直徑較大時，油液的流動速度會較慢，流動阻力較小，油管的磨損和腐蝕也會減小。

井筒壁面粗糙度對井筒流動的影響較小，油井溫度和壓力則是影響油井井筒流動的關(guān)鍵因素，需要進(jìn)行精確計(jì)算和分析。此外，油液的密度和黏度也是影響油井井筒流動的重要參數(shù)，油液的密度和黏度越大，油液在井筒內(nèi)流動的阻力也會越大，流速越慢，井筒內(nèi)的摩擦力也會受到一定的影響，從導(dǎo)致油管出現(xiàn)一定程度的磨損和腐蝕。

2 理論模型

在深水高凝油井井筒流動過程中，液體流動的速度、流量、壓力、溫度等參數(shù)受到多種因素的影響，如井深、井溫、井壓、油水比、黏度等。為了建立深水高凝油井井筒流動模型，需要采用Navier-Stokes 方程和K-BKR 模型，Navier-Stokes 方程描述了流體的運(yùn)動和變形，其中包含質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒3 個方程，建立數(shù)學(xué)模型，該模型應(yīng)該包括井筒直徑、井深、井筒壁面粗糙度、油井溫度和壓力等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算和分析，采用有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以及相應(yīng)的安全保障措施[1]。

在建立模型時，需要注意以下要點(diǎn)。

（1）對于井筒直徑和井深等主要參數(shù)，需要進(jìn)行精確計(jì)算和分析，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

（2）對于油井溫度和壓力等關(guān)鍵參數(shù)，需要進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，以確保油井的安全穩(wěn)定。

（3）在模型中，應(yīng)該考慮井口變化、油管輸送等因素對井筒流動的影響，并采取相應(yīng)的安全保障措施。

（4）對油井井筒的幾何形狀、油井井筒內(nèi)高凝油的黏度、油井井筒內(nèi)的流動速度、井筒內(nèi)的溫度和壓力變化等多個因素進(jìn)行全方位考慮，通過計(jì)算與分析，得出相應(yīng)的流動模型，以便更好地制定合理的流動安全保障措施。

3 案例分析

以某油田為例，孔隙砂巖油藏埋深為1525m，儲層的溫度為89℃，海底的溫度為10.1℃，當(dāng)深度越大，相應(yīng)的地層溫度也會隨之增加，地溫的梯度為每100m 變化5.5℃，屬于高地溫梯度油田。在該油田中，主要是采用了水下井口開發(fā)，水深為320m。該油田原油的年度、含硫量、氣油比等都比較低，而凝點(diǎn)和含蠟量都比較高，水下井口開發(fā)在該油田中應(yīng)用，海底的溫度偏低，并且在生產(chǎn)前期，含水量比較低，產(chǎn)量也較低，所以使得井口溫度比較低，為了保證井筒流動的安全，應(yīng)在油田生產(chǎn)前期關(guān)注井筒的凝固風(fēng)險。

3.1 穩(wěn)態(tài)工況

針對該油田，選擇其中凝固風(fēng)險比較高的油井進(jìn)行分析。油田儲層溫度一樣時，當(dāng)產(chǎn)液量處于較低情況時，油田井筒流動的速度也就變得非常低，相應(yīng)地，流動的熱量也就比較少，所以，井口溫度不高。儲層溫度、地溫梯度一樣時，當(dāng)油田井筒流動的總長越長那么，熱量散失速度也就越快、越多。經(jīng)過分析之后，選擇該油田中的N 井研究其凝固風(fēng)險。在穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)工況下，基于生產(chǎn)預(yù)測指標(biāo)對N 井的水下井口溫度、壓力數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算，不同年份，預(yù)測值各不相同，2029 年水下井口壓力、井口溫度分別為25.6bar、88.2℃，2035 年井口壓力、井口溫度分別為26.2bar、88.2℃。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)期間，沒有存在井筒凝管的風(fēng)險[2]。

3.2 瞬態(tài)工況

針對瞬態(tài)工況熱力水力學(xué)的分析，主要包括兩個方面。

（1）計(jì)劃關(guān)井。在臺風(fēng)或者其他因素的影響下，導(dǎo)致突然關(guān)井停產(chǎn)，在這樣的情況下，不采取任何措施，關(guān)井之后，井筒內(nèi)部的流體流動狀態(tài)，以及流體冷卻到凝點(diǎn)所需的時間，也就是非操作的時間。

（2）停產(chǎn)后熱啟動。主要是在關(guān)井之后的非操作時間之內(nèi)對重啟井產(chǎn)量的變化進(jìn)行分析，并分析啟井是否能夠順利進(jìn)行。

3.2.1 短時間關(guān)井

從穩(wěn)態(tài)工況開始分析，根據(jù)特定關(guān)井策略，展開相應(yīng)的關(guān)井作業(yè)，順利完成計(jì)劃關(guān)井。在此期間，計(jì)劃關(guān)井油氣水的產(chǎn)量發(fā)生較大的變化，從0～0.8s 處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)，從0.8～1.3s 呈直線下降，從1.3～1.7s 開始上升，之后處于平穩(wěn)狀態(tài)。關(guān)井之后，N 井水下采油樹嘴上游溫度發(fā)生變化，表1 為N 井計(jì)劃關(guān)井之后井口溫度數(shù)據(jù)。通過分析，考慮到流體的凝固風(fēng)險，該井生產(chǎn)前期費(fèi)操作時間大概是2.2h。

表1 N 井計(jì)劃關(guān)井后的井口溫度

3.2.2 啟動油井

當(dāng)N 井處于穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)之后，開始進(jìn)行計(jì)劃關(guān)井。在其冷卻期間，應(yīng)趕在非操作時間，也就是在2.2h 前開始進(jìn)行熱啟動。在實(shí)際工況中，水下采油樹油嘴上游溫度和壓力發(fā)生一定的變化，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，不管時間發(fā)生怎樣的變化，水量基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，未發(fā)生較大的變化；在生產(chǎn)前3 個月，氣量呈現(xiàn)波浪式上升的狀態(tài)，隨后開始下降，在5 個月以后，逐漸保持平穩(wěn)；在生產(chǎn)前2個月，油量發(fā)生波浪式變動，油量逐漸持中，在2 個月之后保持平穩(wěn)[3]。由此可見，在N 井的生產(chǎn)前期，能夠成功熱啟動，并且還可以保持生產(chǎn)的穩(wěn)定。

N 井生產(chǎn)早期熱啟動油嘴上游的溫度與壓力如表2所示，在這一工況期間，水下采油樹油嘴上游的溫度、壓力全部處于凝點(diǎn)溫度以上，沒有出現(xiàn)井筒流動安全保障相關(guān)問題。

表2 N 井生產(chǎn)早期熱啟動油嘴上游的溫度與壓力

3.2.3 長時間關(guān)井

在長時間關(guān)井的情況下，油井井筒內(nèi)部的流體會逐漸降溫，慢慢降至地層的溫度。該油田的凝點(diǎn)比較高，為43℃，在長時間關(guān)井的狀況下，可能出現(xiàn)流體凝固狀況，所以，在此期間就需要考慮采取措施，加強(qiáng)井筒管理，有效防止凝固。針對高凝油田，在井筒防凝方面，通常會擠柴油代替原油，采取這樣的方式來防凝。油田地溫梯度如表3 所示，為該油田的地溫梯度，通過結(jié)合表格數(shù)據(jù)分析可知，環(huán)境溫度是在凝固點(diǎn)（即43℃）位置，也就是泥線445m 左右。關(guān)井之后，向井下擠柴油，起到防凝的作用，并使用柴油代替泥線下到445m 之間的井流物，所需的柴油體積大概是9m3。

表3 油田地溫梯度

3.3 模擬分析

在長期關(guān)井時，需要將井筒擠柴油防止凝固這一要點(diǎn)考慮進(jìn)去，在這個過程中，通常會同時考慮正常工況和極端工況這兩種情況，正常工況指的是油田在長時間保持穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài)，然后正常關(guān)井；極端工況則指的是在開井之后，短期內(nèi)因突發(fā)情況而突然關(guān)井，這兩種工況存在較大的區(qū)別，在正常工況情況下，井筒以及周圍的儲層巖石處于加熱的狀態(tài)，在關(guān)井之后，仍然可以使井筒保溫[4]。

3.3.1 極端工況下的防凝措施

極端工況下，N 井保持穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)兩天之后突然關(guān)井，在這樣的情況下，井筒以及周邊的儲層巖石還未被加熱，在這種工況下，N 井穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)期間，井口的壓力、溫度如表4 所示。通過對穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)期間井口壓力、溫度的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)48h 內(nèi)，壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，不過，當(dāng)井流物產(chǎn)出不斷增加時，井筒和周圍的地層巖石溫度在被不斷加溫，溫度也不斷上升。關(guān)井之后，向井下擠一些柴油，防止井下的物體凝固。在擠柴油的期間，還應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，了解柴油和井流物之間的情況[5]。當(dāng)擠壓速度為2m3/h 時，柴油、井流物之間的界面溫度超出凝固點(diǎn)，而擠注壓力，則應(yīng)超出6MPa。

表4 N 井穩(wěn)態(tài)短期生產(chǎn)時的井口壓力和溫度

3.3.2 正常工況下的防凝措施

正常工況下，N 井是經(jīng)過長時間穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)才關(guān)井，并且井筒、周圍地層巖石已被加熱。在穩(wěn)態(tài)長時間生產(chǎn)過程中，海底井口溫度為52℃，流動壓力為48bar。正常工況下，模擬擠柴油這一過程，柴油溫度和海底的泥線溫度基本一樣，大概是12.8℃，并計(jì)算擠注期間和井流物的界面溫度。當(dāng)擠柴油的速率不小于1m3/h 的時候，界面溫度基本處于凝固點(diǎn)以上，而擠注的壓力也不低于6MPa。

4 結(jié)語

深水高凝油井井筒的流動安全保障至關(guān)重要，需要采取多種措施進(jìn)行保障，對井筒內(nèi)的溫度和壓力進(jìn)行監(jiān)測是保障井筒流動安全的重要手段之一。通過上述計(jì)算表明，關(guān)井后井筒非操作時間大概是2.2h，在此期間可以重新熱啟井，沒有流動安全問題。在長期關(guān)井狀況下，擠柴油防凝，模擬發(fā)現(xiàn)，極端工況下擠壓速率不能低于3m3/h，壓力不低于6MPa；正常工況下擠壓速率不低于1m3/h。