戶部寨氣田渦流排水采氣技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)

任壘，張艷淑，張靜，李曉龍，賈玉青，趙生嶸.中國(guó)石化中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南濮陽45700.中國(guó)石化東北油氣分公司彰武采油廠，遼寧阜新300

戶部寨氣田渦流排水采氣技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)

任壘1，張艷淑1，張靜1，李曉龍1，賈玉青1，趙生嶸2
1.中國(guó)石化中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南濮陽457001
2.中國(guó)石化東北油氣分公司彰武采油廠，遼寧阜新123200

戶部寨氣田目前已處于開發(fā)后期階段，多數(shù)氣井的壓力及產(chǎn)量難以滿足臨界攜液要求，井筒積液較為普遍，制約了氣井產(chǎn)能的發(fā)揮。針對(duì)增壓氣舉、優(yōu)選管柱等常規(guī)排水采氣工藝存在的技術(shù)局限，綜合考慮渦流工具適用條件及氣田開發(fā)實(shí)際，優(yōu)選部1-9井開展了渦流排水采氣先導(dǎo)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：該井加裝渦流工具后攜液能力較先前明顯提升，相同注氣條件下日產(chǎn)液量提高91％，同時(shí)增大生產(chǎn)壓差約1 MPa，取得了較好的試驗(yàn)效果，可為同類氣井排液對(duì)策制訂提供相應(yīng)技術(shù)借鑒。

戶部寨氣田；積液；渦流；先導(dǎo)試驗(yàn)

戶部寨氣田為含水裂縫性砂巖氣藏，自1993年建成試采以來，產(chǎn)水氣井所占比例逐年上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前投產(chǎn)的30口氣井在生產(chǎn)中均伴有出水特征，其中21口氣井出現(xiàn)了不同程度的積液，比例達(dá)70％。研究表明，井筒內(nèi)液柱所產(chǎn)生的靜水回壓一方面會(huì)降低氣井生產(chǎn)壓差，同時(shí)液體在反向滲吸作用下會(huì)侵入地層造成井周污染，特別是對(duì)低壓低產(chǎn)氣井而言，這一危害尤為突出［1-2］。受此影響，多數(shù)氣井明顯減產(chǎn)，產(chǎn)能難以得到充分發(fā)揮。因此，如何快速而有效地解除積液困擾是戶部寨氣田當(dāng)前亟待解決的一項(xiàng)生產(chǎn)難題。盡管在以往的探索實(shí)踐中形成了包括增壓氣舉、優(yōu)選管柱等在內(nèi)的六大類排水采氣技術(shù)系列，但伴隨氣田開發(fā)的日漸深入，上述傳統(tǒng)排水采氣工藝技術(shù)已無法滿足現(xiàn)階段的生產(chǎn)需求，加強(qiáng)排水采氣新技術(shù)的適應(yīng)性研究逐漸成為彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝技術(shù)局限性的一條重要途徑?；谝陨媳尘?，開展了渦流排水采氣技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)，以期改善戶部寨氣田氣井普遍積液的不利現(xiàn)狀。

1 渦流排水采氣技術(shù)

渦流排水采氣技術(shù)最初受美國(guó)能源部資助，自2011年由國(guó)外引進(jìn)至今，已在我國(guó)蘇里格、徐深等多個(gè)氣田進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，排水采氣效果顯著，推廣前景十分廣闊［3］。經(jīng)過近年的不斷改進(jìn)，目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的DXR（Downhole Retrievable）型可投撈式渦流工具已發(fā)展至第三代，局部結(jié)構(gòu)較先前進(jìn)行了一定調(diào)整，摒棄了雙葉片型的早期設(shè)計(jì)，主要由投撈體、渦旋變速體、導(dǎo)流體、坐封器及卡具五個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1　渦流工具結(jié)構(gòu)示意

其工作原理在相關(guān)文獻(xiàn)中［4-6］已有較多介紹，主要依靠在渦旋變速段固定設(shè)置的螺旋導(dǎo)向葉片實(shí)現(xiàn)氣液分離的功能，通過改變流體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方式，使原有的垂直向上紊流流態(tài)變?yōu)榱鲃?dòng)截面積減小的螺旋狀向上渦旋流態(tài)，從而有效降低油管的流動(dòng)摩阻與滑脫損失，充分依靠氣體自身膨脹能量提高流體的攜液舉升能力。

作為一項(xiàng)新興的排水采氣技術(shù)，渦流工具同樣有其明確的適用條件，結(jié)合渦流工具的工作原理、仿真模擬研究成果［7-8］及加裝渦流工具氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料，可將其基本適用條件歸納如下：

（1）井筒無變徑、井下無工具。

（2）地層壓力系數(shù)≥0.6。

（3）氣水比＞1 000 m3/m3。

（4）0.4＜Crr＜0.8，其中：Crr=Qg/Cr，Qg為日產(chǎn)氣量，Cr為最小臨界攜液流量。

2 渦流排水采氣技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)

美國(guó)德克薩斯農(nóng)工大學(xué)最新的旋流場(chǎng)理論研究結(jié)果顯示，采用渦流工具最多可使氣井臨界攜液流量降低約27％，該結(jié)論同樣揭示了積液氣井借助渦流工具降低氣舉注氣量的可行性，對(duì)于一些自噴能力有限的氣井來說，復(fù)合使用氣舉或泡排等輔助排液措施可以顯著提高氣井的帶液生產(chǎn)效果，如蘇里格氣田蘇36-4-3井等。目前，戶部寨氣田積液氣井的排液對(duì)策以增壓氣舉為主，但僅有的一臺(tái)壓縮機(jī)組供氣能力有限，連續(xù)氣舉時(shí)高壓氣缺口近11萬m3/d，針對(duì)這一問題，開展渦流排水采氣技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)，對(duì)于減輕積液氣井對(duì)高壓氣源的過度依賴和保障生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

2.1積液氣井優(yōu)選

鑒于渦流排水采氣技術(shù)在戶部寨氣田尚無應(yīng)用先例，同時(shí)考慮到氣田整體產(chǎn)量低、挖潛難度大的基本情況，為了最大限度地降低新技術(shù)試驗(yàn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于區(qū)塊內(nèi)符合上述基本適用條件的積液氣井，按照“自產(chǎn)氣量低、相對(duì)出液高”的附加原則做進(jìn)一步篩選，最終優(yōu)選部1-9井為本次先導(dǎo)試驗(yàn)對(duì)象，當(dāng)時(shí)該井處于關(guān)井狀態(tài)，其工況參數(shù)見表1。

表1　部1-9井工況參數(shù)

2.2工具參數(shù)優(yōu)化

渦旋變速段結(jié)構(gòu)如圖2所示。螺旋葉片是誘發(fā)渦流流態(tài)的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定著渦流工具的工作性能。通過分析渦流工具段流體體積流量公式可知［9］：螺旋葉片螺旋角、導(dǎo)程及葉寬是直接影響氣液分離性能的三個(gè)基本參數(shù)。

圖2　渦旋變速段結(jié)構(gòu)示意

受實(shí)驗(yàn)條件的限制，部1-9井各級(jí)渦流工具參數(shù)優(yōu)化可通過仿真模擬手段實(shí)現(xiàn)，流程如圖3所示。

圖3　仿真模擬流程

2.2.1模型建立

有關(guān)旋流場(chǎng)的研究表明，單級(jí)渦流工具的有效作用距離約500～800 m，結(jié)合部1-9井井況條件同時(shí)為加強(qiáng)分離帶液效果，此次設(shè)計(jì)采用串聯(lián)安裝三級(jí)井下渦流工具。

參考國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)使用的渦流工具關(guān)鍵尺寸范圍，利用Pro/E軟件建立了油管內(nèi)投放渦流工具的物理模型，由于本次研究的重點(diǎn)對(duì)象為渦旋變速段，故對(duì)渦流工具模型進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，工具幾何模型及計(jì)算參數(shù)見圖4。

圖4　渦流工具計(jì)算結(jié)構(gòu)示意

2.2.2流域提取及網(wǎng)格劃分

將已建立的幾何模型導(dǎo)入Workbench 14.0軟件并提取流域。針對(duì)流域空間形狀較為復(fù)雜的特點(diǎn)，采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分，流域局部網(wǎng)格如圖5所示。

圖5　流域局部網(wǎng)格

2.2.3初始條件

將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行兩相管流流態(tài)仿真模擬，求解器設(shè)置為三維、穩(wěn)態(tài)，基于壓力的隱式分離式求解。結(jié)合表1確定各初始條件，指定兩相混合物中氣相為天然氣、液相為水（粒徑50μm），氣液兩相間僅考慮拖拽力作用。入口采用速度入口邊界，忽略入口截面處兩相間的速度差異，認(rèn)為速度方向垂直于截面且均勻分布；出口采用壓力出口邊界。由于渦流工具為靜止部件，因此壁面邊界速度無滑移、無質(zhì)量加入，保留系統(tǒng)的默認(rèn)設(shè)置。

2.2.4模擬結(jié)果

按上述方法確定渦流工具各參數(shù)值，見表2。

表2　三級(jí)渦流工具參數(shù)

委托廠家按照表2中確定的幾何結(jié)構(gòu)加工完成各級(jí)渦流工具，如圖6所示。

圖6　三級(jí)渦流工具實(shí)物

2.3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

由于部1-9井在作業(yè)前通井中多次遇阻，為避免油管鋼絲投放過程中發(fā)生卡阻事故，經(jīng)討論后決定采用“先設(shè)置、后下入”的安裝思路，即施工前，在地面首先打開渦流工具卡簧并下?lián)敉稉企w使坐封器與接箍擋環(huán)保持鎖緊狀態(tài)，然后將工具固定于油管與接箍所形成的內(nèi)部臺(tái)階，隨完井管柱同步下入至各級(jí)指定設(shè)計(jì)深度，具體施工步驟如下：

（1）采用10 m3密度為1.0 g/cm3的活性水灌注壓井。

（2）組裝2FZ18-35型封井器，按壓力等級(jí)進(jìn)行水試壓合格，起出原井管柱，配合井況測(cè)試。

（3）完井下D 60.32 mm的N80加厚油管+三級(jí)渦輪排液工具（一級(jí)3270m、二級(jí)2500m±10m、三級(jí)1 600 m±10 m）+D77.8 mm喇叭口生產(chǎn)管柱，喇叭口深度3 300.0 m。

（4）完井采氣樹組裝配件齊全、密封不漏、頂絲上緊。

（5）液氮?dú)馀e誘噴，具備進(jìn)站條件方可交井。

3 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

部1-9井作業(yè)后，氣舉復(fù)產(chǎn)初期產(chǎn)液量較高約15.0 m3/d，后逐漸降至9.0 m3/d，通過對(duì)比該井2011年3月29日的生產(chǎn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，在相同注氣量及套壓條件下該井的日產(chǎn)液量較先前的4.7 m3提高近一倍。受井下渦流工具的制約，無法對(duì)該井進(jìn)行流壓測(cè)試，利用PIPESIM節(jié)點(diǎn)分析軟件建模，分析得到加裝渦流工具后的井底流壓比光油管時(shí)降低約1 MPa（見圖7），表明渦流工具有助于增大生產(chǎn)壓差?？紤]到該井復(fù)產(chǎn)時(shí)間較短，其后續(xù)效果還有待進(jìn)一步觀察。

圖7　加裝渦流工具和光油管時(shí)井底流壓對(duì)比曲線

4 結(jié)束語

通過對(duì)戶部寨氣田部1-9井開展渦流排水采氣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）部1-9井所采用的“先設(shè)置、后下入”的工具安裝方式可為復(fù)雜井筒條件下的積液氣井渦流施工提供技術(shù)借鑒。

（2）采用渦流工具有助于降低井底流壓，增大生產(chǎn)壓差，提高積液氣井?dāng)y液能力。

（3）受復(fù)產(chǎn)時(shí)間的限制，對(duì)于渦流工具的后期工作效果還有待進(jìn)一步觀察。

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Pilot Test of Vortex-based Water Drainage Gas Recovery Technology in Hubuzhai Gas Field

REN Lei1，ZHANG Yanshu1，ZHANG Jing1，LIXiaolong1，JIAYuqing1，ZHAO Shengrong2
1.Sinopec NaturalGas Production and Marketing Factory of Zhongyuan Oilfield Co.，Puyang 457000，China
2.Sinopec Zhangwu OilProduction Factory of Northeast Oiland Gas Co.，F(xiàn)uxin 123200，China

HubuzhaiGas Field development is already in the late stage.For the majority of gas wells in this region，the pressure and production levelcan hardly meet the need of criticalliquid-carrying flow rate，leading to a generalproblem of liquid effusion.Suffered this effect，gas well productivity is difficult to function at full capacity.Considering of the limitations of conventionalwater drainage gas recovery technologies such as pressurization gas lift and string optimalselection，and combining applicable conditions of vortex tool with gas field development realities，B1-9 wellwas selected as the pilot test object.The field test results showed that the capacity of liquid-carrying of B1-9 well was improved significantly by applying vortex tool compared with the past situation，daily liquid production and production pressure differential respectively increased 91％and 1MPa under the same gas injection and pressure conditions.The pilot test achieved certain results，offering modelsignificance for similar gas wells in strategy formulation work on water drainage.

HubuzhaiGas Field；liquid effusion；vortex；pilot test

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.014

任壘（1987-），男，江蘇睢寧人，助理工程師，2014年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事采氣工藝相關(guān)工作。Email：329784100@qq.com

2016-01-13；

2016-04-05