氣井渦流排水采氣新技術及其應用

楊濤 余淑明 楊樺 李雋 李楠 曹光強 王云

1.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院 2.中國石油長慶油田公司蘇里格氣田研究中心 3.中國石油勘探開發研究院

氣井渦流排水采氣新技術及其應用

楊濤1余淑明2楊樺3李雋3李楠3曹光強3王云3

1.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院 2.中國石油長慶油田公司蘇里格氣田研究中心 3.中國石油勘探開發研究院

渦流排水采氣技術是一項由中國石油天然氣集團公司于2011年率先引進的排水采氣新技術，既可應用于氣井井下，也可應用于地面集輸系統。為此，在論述了氣井井下渦流排水采氣的工藝原理、技術優點，工具組成、下入操作程序的基礎上，總結了該技術在松遼盆地、鄂爾多斯盆地所取得的主要成果、經驗與認識，并進一步提出了深入進行科研、試驗與攻關的可行性建議。結論認為：應在總結升1－1、蘇36－4－3等井試驗經驗的基礎上，針對我國有水氣田開發的實際情況，加強渦流排水采氣工藝的適應性、影響因素及關鍵技術的研究，並從選井原則的合理確定、優化設計與座封方式、優化組合等方面入手，學習國外成功經驗，進一步加快該項工藝技術在我國的推廣應用步伐。

氣井 渦流 排水采氣 新技術 工作原理 應用 松遼盆地 鄂爾多斯盆地

1 工藝基本原理

渦流排水采氣技術是一項由中國石油天然氣集團公司于2011年引進的創新技術，它既可應用于氣井井下作業，也可應用于地面輸氣，是一項非常有發展前途的排水采氣新技術（圖1）［1］。

圖1 國外公司進行渦流排水采氣施工現場圖

井下渦流排水采氣的工藝原理是基于改變流體介質流體的運動方式，使原有的垂直向上紊流流態變為使流體流動截面積減小的螺旋狀向上渦旋層流，這有效降低油管的流動摩阻與滑脫損失，充分依靠氣體自身膨脹能量提高流體的攜液舉升能力（圖2）。

圖2 井下渦流排水采氣示意圖

井下工具的關鍵在于：由一個圓形的內實柱體和外面的螺旋形葉片，將進入內實柱體和油管間由螺旋形葉片分割的螺旋形空腔中的流體介質，使其沿著螺旋面進行加速，以實現改變流體介質的流動通道、流體流態、流體運動方式，并提高流速與攜液舉升功能。同時根據流體力學的經典理論，通過渦流工具螺旋狀結構離心力的作用，可以實現將井管中的兩相紊流流態介質，轉換成渦旋狀的兩相分層流態。由于離心力的作用，密度大的在油管壁附近流動，密度小的在油管靠中心的位置流動（圖3）［2－3］。

圖3 井下渦流流動軌跡示意圖

2 井下渦流工具主要組成及工具安裝

2.1 井下渦流排水采氣工具主要組成

井下渦流排水采氣配套工具主要由渦流變速體、導向腔、座封器、接箍擋環、打撈頭及打撈器等部件組成（圖4、5）。

圖4 井下渦流排水工具組成及結構圖

圖5 打撈器與結箍擋環結構圖

井下渦流排水采氣工具打撈頭連接在繞流器上部，導流筒連接在繞流器下部，座封器的上端與導流筒下端螺紋連接。其特征為：繞流器的外壁表面固定有凸起的螺旋帶，導流筒有中心孔，導流筒壁上均勻分布3個出氣口，導流筒下端螺紋連接座封器，座封器為圓柱體形有中心空，座封器下端外壁有凸起的環形臺階；接箍擋環套在座封器外壁上，接箍擋環能在座封器外壁上滑動；接箍擋環由環形體和彈簧板組成，在環形體的一個端面連接有兩個對稱并垂直彈簧板。在其下端外壁，分別有采用鋼絲彎成的帶卡簧軸銷的固定耳。卡簧的端部固定在卡簧銷軸上，卡簧一端為圓形、一端為彎鉤狀。

2.2 工具安裝程序

1）設計、核實井下渦流排水采氣工具級數坐放、安置深度。正常運行的井下渦流排水工具，可將液位保持在近油管底部位置。單級井下渦流工具平均有效作用深度2 280 m，作業前應根據氣井實際與井深優化設計井下渦流排水采氣工具級數、工具在井中的設置位置，並將液位保持在適當高度。

2）為了確保油管柱清潔，并核實座節深度，運行井下渦流排水采氣工具前，應使用通井規和刮管器通井，以保證油管內完全暢通，符合設計要求。

3）鋼絲或測井電纜投放工具串連接在打撈頭上部，井下渦流排水工具通過鋼絲或測井電纜緩慢、平穩下入油管柱。

4）井下渦流排水采氣工具可置于專用油管短節。

5）若先前未安裝座節，安裝工具時應考慮安裝接箍擋環，施工前，用卡簧將接箍擋環下部的彈簧板卡住，使彈簧板下端部保持收緊狀態。

6）當井下渦流排水采氣工具下放到設計位置時，上提鋼絲，卡簧彈開。下放鋼絲，渦流排水采氣工具沿油管下滑，接箍擋環在油管接箍處自動卡住（圖6）。

圖6 接箍擋環在油管接箍處自動卡住圖

7）下擊工具串，使接箍擋環在油管接箍處卡定牢固。

8）剪切鋼絲或測井電纜投放工具串的銷釘釋放井下渦流排水采氣工具。

9）上提鋼絲或測井電纜，起出投放工具串，完成施工。

10）正常運行的井下渦流排水采氣工具，可將液位保持在近油管底部位置。作業工程師應決定工具在井中的設置位置，將液位保持在適當高度。

3 國內外應用情況

3.1 國外應用情況

井下渦流工具排水采氣技術目前已在BP、馬拉松石油等多家公司試驗并應用。美國目前擁有石油低產井39.3萬口，天然氣低產井26萬口，美國能源部決定在65萬口低產井上推廣井下渦流排液工具等6項新技術，使美國國內石油產量提高15%，天然氣產量提高8%。

2002—2006年，美國能源部主持了對這些工具的實驗室和現場測試工作，這些試驗包括：①在Marathon石油公司7口頁巖氣氣井進行了井底渦流排水采氣試驗，試驗表明井下渦流工具可以替代之前使用的螺桿泵和電潛泵而使氣井自噴，節約了運營成本，而且可使氣井在低于臨界攜液產量下自噴；②在Cabot油氣公司11口井、Belden and Blake石油公司的22口井上進行了地面管線的試驗，Belden and Blake公司氣井產量提高1.65%～48%，Rocky Mountain石油公司18井次的地面管線試驗表明渦流工具還可以降低井口壓力、清蠟及防蠟。

3.2 國內應用情況

3.2.1 大慶徐深氣田升1－1井的應用

大慶徐深氣田2010年套壓穩定在7.8～8.1 MPa，油壓由8.3～8.6 MPa下降至4.0 MPa。并且開井后氣井產量持續下降，油套壓差逐漸增大至3.2 MPa，依靠定期放空或者間歇性關井才能維持生產，說明氣層供氣能力不足，井筒內積液嚴重。至試驗前油壓4.8 MPa，套壓7.8 MPa，日產氣量0.6×104m3，氣液比1 000 m3／m3。

該井采用渦流排水采氣后，改變流體流態，使原有的紊流形成渦旋分層流。從而使該井從依靠定期放空或者間歇性關井才能維持生產轉化為連續帶液生產，使流體的日攜帶能力由間歇性生產的日平均0.6 m3提高到連續帶液生產的日平均5～6 m3，日平均采氣量也相應由0.6×104m3提高到3×104～3.5×104m3（圖7）。

圖7 升1－1井試驗前、后采氣曲線圖

3.2.2 長慶蘇里格氣田蘇36－4－3井的應用

3.2.2.1 DXR渦流工具投放深度設計

蘇36－4－3井設計下入DXR井下渦流工具兩套，深度分別為3 348±10 m和1 668±10 m。

3.2.2.2 下入施工程序

1）通井。通井工具串自下而上為：通井規＋震擊器＋加重桿（30 kg）＋繩帽。要注意通井規的遇阻情況，若有遇阻輕微上下活動，暢通后再下放，通至井底。

2）投放第一套井下渦流工具。通過鋼絲緩慢平穩下投放工具串，工具串自下而上為：井下渦流工具＋投放工具＋震擊器＋加重桿（30 kg）＋繩帽。下放到設計井深3 348±10 m位置時，觀察懸重并做好記錄后上提鋼絲，井下渦流工具座封器彈簧彈開，下放鋼絲渦流工具沿油管柱下滑，在油管接箍處自動卡住。下擊使座封器卡定牢固后下擊剪切投撈工具銷釘，釋放DXR渦流工具，然后上提鋼絲，起出工具串完成施工。

3）投放第二套井下渦流工具。同第一套工具施工一樣下放到設計井深1 600±10 m位置。

3.2.2.3 蘇36－4－3井效果分析

蘇36－4－3井試驗前，采用“開二關五”的間歇生產制度，間隙性出液，平均套壓6.4 MPa，日均產氣量0.068 0×104m3，井積液相對嚴重。渦流工具排水采氣效果分析：自渦流工具使用后，氣井產液太大導致套壓不斷上升。采取泡排輔助措施，渦流工具使用45天，累積產氣21.5×104m3，平均日產0.48×104m3，氣井生產狀況有所好轉，需輔助泡排連續生產（圖8）［4－6］。

圖8 蘇36－4－3井試驗前、后采氣曲線圖

4 結論與建議

4.1 結論

用于氣井的井下渦流排水采氣技術將井筒內無規則的流動變成規則的螺旋形流動，增加氣井的攜帶能力並具有以下顯著優點：①試驗的升1－1、汪3－13、蘇36－4－3、蘇6－16－25等4口井，通過帶壓不壓井鋼絲作業下入渦流排水采氣工具，不僅操作方便，而且有效減少了常規起下壓井作業對氣井的嚴重傷害；②4口井的試驗表明，渦流排水采氣工具規則的螺旋形流動有效降低了氣井臨界攜液氣量，并能充分依靠氣體自身膨脹能量，使流體的攜液舉升能力提高，試驗氣井一般提高了攜液量12%，降低了摩擦損失15%；③組合工藝適用范圍廣，蘇36－4－3等4口井與泡排技術相結合，顯著減少了起泡劑的用量，也可與柱塞技術相結合，以提高柱塞舉升效率；④工藝原理可靠，工具與設備簡單，結構緊湊，無活動部件，施工方便，易于推廣；⑤最早引進該項技術的徐深氣田升1－1井，日平均采氣量由0.6×104m3提高到3×104～3.5×104m3，不到半個月的增產氣量價值即可回收井下渦流排水工具成本，經濟效益顯著。

4.2 建議

氣井渦流排水采氣技術是一項非常有發展前途的排水采氣新技術。該技術在國外已成功推廣應用；在國內，大慶徐深氣田升1－1、汪3－13井試驗的增產成效顯著，被譽為“‘渦流排水’破解深層氣井開發難題”［7］外，但在蘇里格氣田試驗的蘇36－4－3、蘇6－16－25井，其試驗效果還難盡人意，試驗總體尚處于起步的初級階段。

為加快氣井渦流排水采氣引進創新、應用力度，建議應在認真、深入總結升1－1等井試驗的基本經驗的基礎上，針對我國有水氣田氣開實際，進一步加強渦流排水采氣工藝的適應性、影響因素及關鍵技術的研究，並從選井原則的合理確定，優化設計與坐放方式，優化組合工藝方式，優化工藝的一體化等多方面入手，深入學習國外成功經驗，以進一步加快該項工藝在我國的推廣、應用步伐，從而提高我國排水采氣工藝技術水平。

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［3］SIMPSON D A.Vortex flow technology finding new applications［J］.The Rocky Mountain Oil Journal，2003，83（45）.

［4］陳啟文，董瑜，王飛，等.蘇里格氣田水平井開發技術優化［J］.天然氣工業，2012，32（6）：39－42.

［5］楊樺，楊川東.優選管柱排水采氣工藝的理論研究［J］.西南石油學院學報，1994，16（4）：56－65.

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［7］王志田，朱恒瑞.“渦流排水”破解深層氣井開發難題［N］.中國石油報，2011－03－25（1）.

A new technology of vortex dewatering gas recovery in gas wells and its application

Yang Tao1，Yu Shuming2，Yang Hua3，Li Juan3，Li Nan3，Cao Guangqiang3，Wang Yun3
（1.Research Institute of Gas Production Engineering，Southwest Oil ＆Gasfield Company，PetroChina，Guanghan，Sichuan 618300，China；2.Sulige Research Institute of Changqing Oilfield Company，PetroChina，Xi＇an，Shaanxi 710021，China；3.Petroleum Exploration ＆Development Research Institute，PetroChina，Beijing 100083，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 8，pp.63－66，8／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Vortex dewatering gas recovery is a new dewatering gas recovery technology first introduced by China National Petroleum Corporation in 2011.It is applicable to both the downhole system of a gas well and the surface gathering system at a field.Hereby，this paper first describes this technology＇s working principles，technical advantages，component tools，and tripping－in operation in gas wells；then summarizes the achievements，experience，and knowledge gained from the application of this technology in the Songliao and Ordos basins.On this basis，this paper also offers feasible proposals on the further research and test related to this technology.It is concluded that，based on the experience from the pilot tests of Sheng 1－1 and Su 36－4－3 wells，the adaptability，influencing factors，and the key technology of vortex dewatering gas recovery should be further studied under the actual situation of water gas field development.Moreover，the application of the technology should be extended through reasonable well selection，design optimization and setting methods，and optimal combination as well as the study of successful experience from foreign countries.

gas well，vortex，dewatering gas recovery，new technology，working principles，application，Songliao Basin，Ordos Basin

楊濤等.氣井渦流排水采氣新技術及其應用.天然氣工業，2012，32（8）：63－66.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.013

楊濤，1973年生，工程師，碩士；現從事完井工程研究工作。地址：（618300）四川省廣漢市中山大道南二段。電話：15892883926。E－mail：yangtao＠petrochina.com.cn

2012－03－13 編輯 韓曉渝）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.013

Yang Tao，engineer，born in 1973，is studying for an M.Sc.degree and is mainly engaged in research of development engineering of oil and gas reservoirs.

Add：South Sec.2，Zhongshan Rd.，Guanghan，Sichuan 618300，P.R.China

E－mail：yang tao＠petrochina.com.cn