油气井井下节流技术研究与应用.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 2期第 2 2页 石 油 矿 0I L FI ELD 场 机 械 E QUI P ME NT 2 0 1 0， 3 9 2 2 2 ～2 5 文 章 编 号 1 0 01 3 4 82 2 01 O 0 2 0 0 2 2 0 4 油气井井下节流技术研究与应用 陈 磊 ， 郭 昭学 ， 万 颖。 ， 蒋 维。 ， 刘 云 ， 唐一元。 ， 张 林 1 ． 西南石油大学 研究生院 ， 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 大港油 田公司 井下技术服务公 司测试分公司 ， 天滓 3 0 0 2 8 3 ； 3 ． 川庆钻探工程有限公 司 J I I 东钻探公司 ， 重庆 4 0 0 0 2 1 摘要 高压油气井均需安装油气嘴或针形阀等节流装置， 用来控制油气井产量和井口压力。当气体 通过这 些流通 截 面突然缩 小的孔道 时， 由于局部 阻 力较 大 ， 将产 生压 力 降低 、 比容 增 大、 温度 降低 的 现 象 。当温度 降低到 天然 气的露 点温度 时 ， 气体就 会 结冰 ， 形 成水 合 物 而堵 塞 井 口， 从 而导 致 油气 井停 产 。针对提 高节 流前 天然 气的温度和 天然 气 中加 入抑 制 剂这 2种 解决 办 法的局 限性 ， 开展 了 井下节流技 术 防止水合 物生成 的研制 ， 并在现 场进 行试验 及推 广应 用。 关键 词 高压 ； 气 井； 井下 节流 ； 井 口压 力 ； 油 气嘴 中图分类 号 T E 9 3 l _ 2 0 2 文献 标识码 A De v e l o pme n t a n d Ap p l i c a t i o n o f Do wn h o l e Ch o k e Te c hn i qu e f o r Oi l a n d Ga s W e I l CHEN Le i ， GUO Z h a o x u e ， W AN Yi n g 。 ， J I ANG W e i 。 ， LI U Yu n ， TANG Yi y u a n。 。 ZH ANG I i n 1 ．So ut h we s t Pe t r o l e um Uni v e r s i t y，Ch e n gdu 61 05 0 0，Chi na； 2 ．Do wn ho l e Te c hn o l o gy Te s t i ng Di v i s i o n， Da g a n g Oi l fi e l d S e r v i c e s Co mpa n y， Ti a i n 3 0 0 2 8 3 ， Ch i n a； 3 ．Ea s t S i c h u a n Dr i l l i n g Co mpa n y， S i c h u a n - Ch a n gq i n g Dr i l l i n g En gi n e e r i n g Co mpa n y， C h o n g q i n g 4 0 0 0 2 1 ， C h i n a 0， ～一● ⋯。 ●、 ． 一 0 _‘ 一 ⋯一0 ～‘0 一 ‘ ’● ‘0 、‘～一0 0 i 试验完成后， 以与上述过程相反程序， 进行 行 AS D D商业井作业。 浮筒 的回收 ， 以及 “ 弃 井” 作业 。 4 结 论 1 A S D D深 水钻井 方式可 以用 于在水深 小 于 1 5 0 0 m 的海域作业。 2 AS D D装置 的各部 件 、 仪 器 、 以及 相互 联系 的器件 基本 能满足 1 5 0 0 m 以浅 的海域作 业要求 。 3 目前 为 AS D D装 置深 水 钻 井 而 编制 的各 种作业程序与应急预案， 包括井场勘察程序， 钻井作 业程序 ， 钻井液作业程序， 固井程序 ， 测井程序 ， 锚泊 作业程序 ， 下入水下设备程序 ， 弃井作业程序等， 均 被证实编制合理 ， 执行过程井然有序， 遇到海上环境 与井下的突发情况， 有足够多的相应方案予 以及时 应 急 。 4 C O S L正 在 总结 试 验 井作 业 经 验 ， 改 进 与 维护 As D D作业装备， 准备在中国南海适当海域进 [ 2 ] L 3 ] [ 4 ] De v i c e o f De e p wa t e r Dr i l l i n g b y Bo t h Te s t i n g i n Po ol a n d S i mu l a t i n g b y c o mp u t e r [ c ] ／ ／ P E TR O MI N， K u a l a L u mp u r ， Ma l a y s i a 马来西亚 ， 吉隆坡 ， J u n e 2 0 0 6 ． Gu o Yo n g f e n g，j i S h a o j u n ，Ta n g Ch a n g q u a n ． Ne w De v i c e f or Dr i l l i ng i n De e pwa t e r Und e r Se mi s ub me r s i b l e A B S u n i t [ c] ／ ／S P E 1 0 1 3 4 9 ； Ma g u ，B a n g k o k ， Th a i l a n d 泰国曼谷 ， No v ．2 0 0 6 ． Gu o Yo n g f e n g，j i S h a o j u n，Ta n g Ch a n g q u a n ．Fe a s i bi l i t y o f De e p wa t e r Dr i l l i n g i n S ou t h Chi na S e a by Ap p l y i n g AB S u n i t E C ／ ／I S OP E，L i s b o n ， P o r t u g a l 葡 萄牙里斯本 ， J u l y 2 0 0 7 ． Gu o Yo n g f e n g ，j i S h a u n ．De v e l o p me n t o f Ar t i f i c i a l Se a be d Te c h no l o gy a nd Co ndu c t o f Tr i a l W e l l i n t he S o u t h C h i n a S e a [ c] ／ ／ B e i i i n g ，C h i n a 中 国 北 京 ， J u n e 2 0 0 9 ． 收稿 E l 期 2 0 0 9 0 8 2 1 作者简介 陈磊 1 9 8 2 一 ， 男 ， 北京人 ， 研究 方向为油气井工程 ， E ma i l s k j s s mc 1 6 3 ． c o m。 m n P 叫 Y 考 参__ 第 3 9 卷第 2期 陈磊 ， 等 油气井井下节流技术研 究与应用 2 3 Ab s t r a c t A no z z l e or ne e dl e v a l v e i s r e qu i r e d t o i ns t a l l i n hi gh p r e s s ur e o i l a nd g a s we l l s t o c on t r o l t he o i l a nd g a s we l l p r o du c t i o n a nd we l l he a d p r e s s ur e ． W he n t he g a s f l o ws t hr o ug h t he s e s u dd e n na r r o we d c r o s s s e c t i o n of t he t u nne l ，b e c a us e of bi g l o c a l r e s i s t a nc e，p r e s s u r e d r op，I owe r s p e c i f i c v ol u m e a nd l o w t e mpe r a t u r e h a pp e n ． W he n t he t e mpe r a t ur e i s l o we r e d t o t he d e w po i n t t e mpe r a t u r e of n a t u r a l g a s，t h e g a s wi l l f r e e z e，bl oc ki n g t h e we l l he a d b y t he f or ma t i o n o f hy dr a t e s a nd s t o pp i ng p r o du c t i on o f o i l a n d g a s we l l s ．Ai mi n g a t i nc r e a s i n g t e m p e r a t ur e n a t u r a l ga s b e f o r e c h o k i n g a n d a d d i n g i n h i b i t o r i n t o n a t u r a l g a s ，t h e s t u d y o f c h o k i n g t e c h n i q u e wa s e s t a b l i s h e d t o pr e ve nt t h e f o r m a t i o n o f hy dr a t e a nd t e s t e d t h i s t e c h ni q ue f o r a c t u a l u s e ． Ke y wo r d shi gh p r e s s ur e； g a s we l l ； do wn ho l e t hr o t t l e ； we l l h e a d p r e s s u r e ； g a s no z z l e 高压油气井都要安装油气嘴或针形阀等节流装 置 ， 用来控制油气井产量和井 口压力 。当气体通过 这 些流通 截面 突然 缩 小 的孔 道 时 ， 由于局 部 阻 力较 大 ， 将产生温度和压力降低 、 比容增大的现象 。当温 度降低到天然气的露点温度时， 气体就会结冰形成 水合物而堵塞井 口， 从而导致油气井停产。在气 田 开发 过程 中 ， 都不 同 程度 的 出现 气井 因产 生 水合 物 而关井 的情 况 ， 给气 井 生 产管 理 带 来 困难 。 目前 主 要有 2种解决办法 ①提高节流前天然气的温度 ； ② 在天然气中加入抑制剂。针对这 2 种解决办法的局 限性 ， 开展了井下节流技术防止水合物生成的研制， 并 在现 场进行 试验及 推广 应用 _ 1 ] 。 l 井下油气嘴技术 1 ． 1井下节流 防冻 堵原理 井下油气嘴是安装在油井生产管柱 内的一种节 流控制装置， 根据生产要求 ， 通过钢丝投捞的方式将 其固定在油管内特定位置或任意位置。将井下油气 嘴投到井下产层上部油管 内后 ， 使得天然气的节流 降压膨胀过程发生在井 内， 通过它来实现节流降温 ， 同时充分利用地温加热 ， 使节流降温后 的天然气仍 可 吸收地层 温度 ， 降低 井筒 内天 然气 压 力 。采 用 井 下油嘴节流后 ， 由于 大大降低 了井下油气 嘴 以上 的压 力 ， 提 高采 出天 然 气 的井 口温 度 ， 因此 破 坏 了 水合物的生成条件 ， 达 到了防止水 合物生 成 的 目 的[ 。 井 下 油嘴 跟井 口油 嘴功 能 相似 ， 都 是 通过 节 流 降低气体的压力和温度 ， 只是它可安装在油管 内某 一 深度 ， 在油管 内还要完成坐封功能 ， 所 以井下油嘴 结 构 比较 复杂 ， 投入 和捞 出需要 一些 配套工 具 。 1 ． 2 油嘴直径计算 节流将压力 能转 变为动能 ， 获得 流速 的增加 。 上游压力越高 ， 孑 L 喉越小 ， 在下游得到的速度增量则 越大。当上、 下游压力之比达到某值时， 穿越油嘴的 流速 将趋 近于声 速 ， 此 时无论 怎样 降低下 游压 力 ， 介 质流速仍保持声波传播速度 ， 即达到临界流动状态。 确定是 否达 到临 界流速 的判别 式为 一 f pl K 1 式 中 ， P - 、 P 分 别为 油 嘴人 、 出 口压力 ， MP a ； K 为 天 然 气绝 热系数 。 当 时 ， 为 临 界 流 ；当 P 2 ≥ 尚 时 ， 为非 临界流 。 在 临界 流动 条 件 下 ， 油 嘴 以上 的 自喷管 柱 至井 口分离器之问产生任何压力波动时， 例如开大或关 小井 口阀门等， 压力波不能穿越油嘴而影响上流的 井底压力 ， 油嘴出 口与入 口之间的压力差就不能再 增大 。此时通过油嘴的气体流量达到最大值 ， 既不 能继续 增大 ， 也不会 降低 为零 ， 即 一 4 0 66 p, d 、 ， q m a x ／ T 1z1 式中， d为油嘴直径 ， mm； y 为天然气相对密度 ； 为油嘴人口处温度 ， K； Z 为在油 嘴上游状态下 的 气体压缩系数 。 当油 嘴直 径 d一 定 时 ， q 取 决 于 P 。根据 上 式 ， 在临界流状态下井下节流油气嘴直径计算公式 转换 为 4 ub l b l q m a x Z [ 南一 南 ] { [ 南 南一 南 ] 在现场应用中， 为了便于控制气井产气量 ， 油嘴 设计在非临界流状态下 ， 油嘴直径 的计算公式为 一 46 ～ Pl Z1 T 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 2月 r 丝 2 一 丝 ] 一 户】 、 户1 式 中 ， q 为标 准状态 下通过 气嘴 的体积 流量 ， m。 ／ d 。 1 ． 3最小 下入 深度 为防止水合物形成 ， 节流后气流温度需高于节 流后 压力条 件下 的水合物 形成初 始温 度 。节 流后气 流 温度与井 下节 流器位置 的井 温有关 。井下 节流器 最 小下人深 度为 L ⋯≥Mo [ t h 2 7 3 ” 一一 t 。 2 7 3 ] 式 中 ， L ⋯ 为 节 流器 最小 下 人深 度 ， m； M0 为 地 温增 率 ， m／ o C ； t 为水 合物形成 温 度 ， ℃ t为地 面平均 温度 ， ℃ ； 为 临界 压力 比； K 为天然气 绝热指 数 。 1 ． 4井下节 流参数 设计 在 给定 组 分 和压 力条 件 下 ， 天然 气水 合 物 的生 成 与否 主要取 决 于 温度 。因此 用 P I P E S I M 软 件 进 行井下节流参 数优化设 计， 主要 是对 油气井进 行 I P R计算 、 产 能预测 、 压力 和 温度 计算 ， P I P E S I M 有 许多多相流计算模型 ， 具有精确模拟多相流的功能。 用 P I P E S I M 软件 主要对 油气 井 进行 I P R计算 和 产能预 测 ， 同时还 可对 油 气 井进 行 节点 和系 统分 析 ， 进行生 产参数 优 化设 计 ， 最 后进 行 人 工举 升 气 举 ， 电泵 设计和诊断。其模块可用于单井设计 ， 首 先可以进行 流体黑 油与组分模 型 P VT 的物性计 算 ， 根据油藏的原始资料和试井资料对油气井进行 I P R计算 和产 能 预 测 ， 绘 出 I P R 曲线 ， 然 后 进 行 节 点分析 ， 找 出最 佳 的 生产 井 底 流 动压 力 和产 量 。还 可 以利 用 P I P E S I M 模 块 对油 井 的主要 参 数进 行 敏 感性分析， 找出在其他条件不变时， 某一参数对产量 或其他参 量 的影 响 。对 于 气 举井 ， 还 可 以 绘 出单 井 特性 曲线 ， 找 出配产 条件下 的最佳 注气量 。 根 据 油气井 测 试 资料 选择 合 适 的设 计模 型 ， 利 用 该软件 ， 可方便 快 捷 地求 得 不 同 配产 、 不 同压力 、 不 同温度 等条件 下 的油 嘴 直径 ， 还 可 绘 出直 观 的 曲 线 图 ， 便 于分析压 力变化 对产量 的影 响 ， 以此可分析 调整配产对进站压力 的影响， 为井下节流参数优化 设计及油气井合理工作制度的确定提供方便 。 1 ． 5施 工参数优 化 根 据井下 节 流原理 ， 井下油 气嘴下 入越深 ， 其节 流后在保持井 口压力不变的情况下 ， 井 口温度越高 ， 但同时 下工具承压 耐温性能要求更 高。为 了 延 长井 下油气 嘴 的使 用寿 命 ， 在 保证 气 井 正 常节 流 降压生 产条件 下 ， 通 过控制 下入深 度 、 节 流压差及 温 度 ， 利用 软件对 理论计 算公式 和室 内 、 现 场试验结 果 进 行 拟 合 ， 确 定 井 下 油 气 嘴 下 人 深 度 应 小 于 3 0 0 0 m， 选 择节 流嘴直 径时应 当控制 节流前 后压 差 在 1 5 MP a以内[ 3 - 4 ] 。 2 井下油气嘴工具设计 。 按照 油气 井 完井 管 柱 的不 同 ， 把井 下 油气 嘴分 为 固定式井 下油气 嘴和 任意式 井下油气 嘴 2类 。 2 ． 1 固定 式井 下油气 嘴 固定 式井 下 油气 嘴也 叫坐放 式 井 下油 气嘴 ， 油 气井 完井时 ， 把 固定 式井 下油气 嘴放入 专用工 具 坐 放 短节 中随 油管下 至设计 深度 ， 还可根 据油气 井生 产 的需 要更换 不 同尺寸 的油嘴 。固定式 井下油 气嘴 结构如图 1 。必须与坐放短节配合使用 ， 坐放短节 作为固定式井下油气嘴的外密封筒 ， 与盘根形成密 封结构而密封油管， 实现井下节流 通过调换不同规 格 油嘴 。 把 固定 式井 下 油气 嘴 投人 坐 放 短 节 内 ， 将 该 坐 放短 节 随完 井管 柱 下到 设 计 深度 ， 然 后 开井 生 产 即 可。当根据油气井生产情况需要调换井下油嘴规格 时， 先用配套打捞工具把它捞出， 然后把固定式井下 油气嘴 装相应规格油嘴 通过钢丝投捞车投人坐放 短节 内 ， 向下 震击 剪 断 销钉 ， 提 出工 具 串 ， 锁 块 在 弹 簧的 弹力作 用下张 开 ， 顶在 坐放 短节上 ， 防止井 下油 气嘴上 移 ， 盘 根与坐 放短节 密封 ， 即可 实现井下 节流 生产 ， 达到预 防水合 物 的 目的 。 其特 点是 结构简 单 ， 投 捞方便 ，承 压高 、 密 封性 I f 、 l l 小 l 。 l l { l l II I l l l l l l l l ， ⋯ 4 1 一上体 ； 2 一锁块 ； 3 弹簧； 4 ～下体 ； 5 一盘根 ； 6 油嘴 ； 7 底帽 图 1 固定式井 下油气嘴结构 第 3 9卷第 2 期 陈磊 ， 等 油气井井下节流技术研 究与应用 好 ； 与坐放短 节配 合 使用 ， 无 需 卡 瓦 支 撑 ， 中途 不 会 坐封 ； 最大外 径小 ， 能 非 常顺 利 地 下 至设 计 深 度 ， 坐 封简单可靠 ， 打捞容易， 配套打捞工具在捞住井下油 嘴打捞颈后， 向上震击进行打捞井下油嘴作业时 ， 如 遇 卡 、 遇 阻 ， 可 向下震 击而 剪断 打捞工具 里 的紧急 释 放剪 钉 ， 捞 爪 退 出井 下 油 气 嘴 打捞 颈 ， 实 现 安 全 作 业 。 2 ． 2任意 式井 下油气 嘴 油气 井 完井 时 没有 下 入专 用 工具 时 ， 特 别 是 当 根据 生产实 际情况 而 I临时决定 下入 井下 油嘴进 行节 流时 ， 可下入 该类 型 井 下 油 嘴 。用 钢 丝 把 任意 式 井 下油嘴投入完井油管 中的任意位置 ， 以满足设计深 度 的要 求 ， 可 根据实 际需 要更 改油嘴 投入 的深度 ， 还 可根据 油气井 生产 的需要更 换不 同尺 寸 的油嘴 。 任 意式井 下油气 嘴结 构如 图 2 ， 具 有结 构 紧凑 ， 安 装 、 拆 卸方便 的特 点 。 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 一 释放头 ； 2 剪钉 ； 3打捞 颈 ； 4 心轴 ； 5上推力筒 ； 6 - -- 油管爪 ； 7 上皮碗 ； 8 _ -一 下皮碗 ； 9密封弹簧 图 2 任意式井下油气嘴结构 当油气 井 需要 井 下 节流 时 ， 不需 压 井 和起 下 油 管 ， 利用钢 丝投捞 车 和 井 口防喷 管 将 任 意式 井 下 油 嘴下到设计位置后 ， 快速上提钢丝 ， 释放头、 轴等零 件 上行 ， 油管爪在 心轴 的作 用胀开 ， 此 时锥体 沿卡 瓦 内锥 面上 行将卡 瓦撑 开卡住 油管 内壁 。继续 向上震 击剪 断剪 钉后 ， 上 、 下皮 碗在 被压缩 的密封弹 簧释放 出的弹力 的作用 下 ， 外径 增 大 至 0 6 2 mm， 密 封井 下 油 嘴与油 管的环形 空 间 ， 此 时 3片 卡 瓦也 紧 紧 卡在 油管 内壁上 。提 出释 放 头后 ， 井下 油 嘴依 靠 卡 瓦 和 上 、 下皮 碗 的胀 紧力 悬挂 于油管 内。开井生 产 ， 井 内 天然气从井下油嘴通过时节流降压， 节流压差作用 在胶筒和外套上， 产生向上 的推力， 带动锥体继续上 行 ， 卡瓦卡紧油管内壁 ， 上、 下皮碗进一步胀开， 使井 下 油嘴与 油管 的环 形 空 间进 一 步 密封 ， 实 现 井 下 节 流 。打捞更 换井 下 油 嘴时 ， 用 配 套 打捞 工 具 进 行 打 捞作业， 依靠加重杆 的重力使打捞工具 的打捞爪下 行胀 开而抓 牢井 下 油嘴 的打 捞 颈 ， 然 后 向上 震 击捞 出井 下油 嘴 j 。 其 性能 特点是 利 用 钢丝 投 送 和 打捞 ， 不需 要 压 井 和起 下油管 ， 操 作 十 分方 便 。在 油 管 内任 意 位 置 坐 封 ， 不 需 坐放 短 节 ， 方便 、 快 捷 、 经 济 ， 利用 油 嘴上 下产 生 的节流压 差 ， 提 高皮碗 的气 密封 和耐压 性能 。 采用不锈钢油气嘴， 提高耐磨性能和抗腐蚀性能， 井 下工作寿命长。配套打捞工具在捞住井下油嘴打捞 颈后 ， 向上震 击进 行 打 捞井 下 油 嘴 作业 时 ， 如 遇 卡 、 遇阻 ， 可向下震击剪断打捞工具里的紧急释放剪钉， 捞 爪退 出井 下油气 嘴打捞 颈 ， 实现安 全作业 。 3 结论 I 井下油气嘴可降低生产压力 ， 提 高井 口温 度 ， 破坏 水合物 的生成 条件 ， 是 防治水合 物最 经济有 效 的方法 。 2 井下节 流技术 降低 了气井 井 口的最小 卸载 流量 ， 增强 了气井 自身携液能力 ， 使产液量较低的气 井生产更趋平稳。 3 井下节流技术降低了地面管线和井口的压 力 ， 延长 了气井 井 口及地 面设备 的使用 寿命 ， 有利 于 气 井 的安全生 产 。 4 安装深 度 与油嘴选 取有 一定关 系 。同等产 量 下 ， 安 装深度 越深 ， 油嘴 直径越 小 ， 井 口温度 越高 。 参考文献 [ 1 ] 马 占林 ， 汝新英． 井下节流 防治气井水合物技术研究 与 应用E J ； ． 大庆石油地质 与开发 ， 2 0 0 8 ， 2 7 4 8 6 8 9 ． E 2 3 李莲明 ， 谭 中国， 乔亚 斌． 井 下节流技 术在低温 分离工 艺 中的配套 应 用 E J ] ． 天然 气 工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 1 1 9 6 9 8． [ 3 ] 张耀刚 ， 赵晓伟 ， 马爱 忠． 井下 节流技 术在靖边气 田的 应 用[ J ] ． 石 油化工应用 ， 2 0 0 8 ， 2 7 5 2 6 2 9 ． E 4 5 余朝毅． 井下节流 工艺技术 在气 田开发 中的应用 [ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 3 ， 2 6 增 刊 5 2 5 6 ． E 5 3 喻成 刚， 张华礼 ， 邓友超． 新 型井 下节流器研 制及应 用 E J 3 ． 钻采工艺 ， 2 0 0 8 ， 3 1 4 9 1 9 4 ． [ 6 ] 成 大先 ． 机械 设计 手册 [ K] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 19 9 7． [ 7 ] 孙蓉 ， 杜 涓 ， 张友 彩． 电子脱挂器 在井 下节流生产 气井的试验 与应 用 E J 3 ． 新疆 石 油天 然气 ， 2 0 0 8 ， 4 增 刊 1 4 5 1 5 3 ． E 8 3 张俊菊 ， 李旭杨． 可膨胀套管 固井技术 的工业应用 E J 3 ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 3 ， 3 2 2 1 3 1 7 ． [ 9 ] 黄建林 ， 刘伟 ， 李丽 ， 等． 常规打捞工具在水平 开井 中的应用E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 7 3 7 8 8 0 ．