連續油管速度管柱排水采氣技術研究及應用

平恩順，王 林，張建華，姜有才，徐慶祥，李 楠，黃 其，汪 強

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津 300283）

連續油管速度管柱排水采氣技術研究及應用

平恩順，王 林，張建華，姜有才，徐慶祥，李 楠，黃 其，汪 強

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津 300283）

針對蘇里格氣田低壓水平氣井攜液能力差，井筒出現積液，原有生產管柱不能滿足生產需求等問題，研究了水平井連續油管速度管柱排水采氣技術方案。首先分析了水平井臨界攜液流速理論模型，利用該模型優選出Φ38.1 mm的連續油管作為速度管柱。然后詳述了連續油管速度管柱排水采氣技術方案，最后在蘇76-2-20H井進行現場應用，應用結果表明，水平井連續油管速度管柱排水采氣技術方案降低了氣井的臨界攜液流速，提高了氣井的攜液能力，氣井油套平均壓差減小1.82 MPa，可有效地排出井筒積液，實現了低壓水平氣井的連續攜液增產穩產，起到了較好的應用效果。

蘇里格氣田；低壓水平井；臨界攜液流速理論模型；連續油管；速度管柱；排水采氣

隨著蘇里格氣田持續深入開發，水平井在低滲透致密氣藏開發中的優勢日益突出，但低壓水平氣井產能逐漸降低，部分老井已經達到或小于臨界攜液產量，氣井受積液影響逐漸由自噴連續生產轉為間開生產，甚至面臨停產。基于連續油管速度管柱的排水采氣技術可提高氣井攜液能力，解決井筒積液問題，延長氣井的自噴生產時間，實現低壓、低產氣井的增產穩產。受水平井井眼軌跡和復雜流動形態等影響，采用常規垂直井段臨界攜液流速模型預測水平井臨界攜液流量偏低[1，2]，影響排水采氣措施的制定及實施。為此，本文研究了水平井連續油管速度管柱排水采氣技術方案，并在蘇里格蘇76-2-20H井進行現場實際應用，對于完善連續油管速度管柱排水采氣技術方案，提高我國天然氣產量具有一定指導意義。

1 水平井臨界攜液流速理論模型

鑒于目前國內外學者對水平井臨界攜液流速理論研究，主要按照斜直井段和水平井段臨界攜液流速模型分別進行計算。

1.1 斜直井段臨界攜液流速模型優選及修正

氣井井筒內液體主要以液滴和液膜的形式出現，一種是基于湍動氣流中的液滴模型，認為排出氣井積液所需的最低條件是使氣流中的最大直徑液滴能連續向上運動，如Turner模型、Coleman模型和李閩模型；另一種是基于沿管壁流動的波動液膜模型，認為液膜的反向流動是導致積液的主要原因[3]。兩類模型的攜液機理完全不同。

Turner模型假設被高速氣流攜帶的液滴為圓球形，根據力學平衡原理，當液滴的沉降重力等于氣流對液滴的拖曳力時，液滴就會懸浮于井筒中或者勻速向上運動，此時的氣流速度稱為臨界攜液流速，當氣流實際速度小于臨界攜液流速時，氣流不能將井內液體攜帶出井筒，就會產生井底積液。在高氣液比氣井條件下，為保證將液滴攜帶出井筒，一般將理論結果增加20%安全系數比較符合現場實際數據[4]。

許多國內外學者在Turner液滴模型基礎上進行了修正，其中應用較為廣泛的是 Coleman模型。Coleman提出對于低壓氣井（井口壓力小于3.45 MPa），液滴模型不增加20%安全系數，也可以準確預測井底積液情況[5]。

李閩認為液滴在高速氣流作用下，其上下表面存在壓力差，壓差作用會把圓球形變成橢球形。圓球形液滴有效迎流面積小，需要更高的排液速度才能把液滴攜帶出井筒；而橢球形液滴有效迎流面積大，所需氣井排液速度相對較小，更加容易被氣流攜帶出井筒[6，7]。

液膜模型認為液膜向上運動是由運動氣流作用于氣液界面產生的剪切力克服液體重力與管壁剪切力的結果。當氣液界面剪切力與液膜重力達到平衡時，液膜與管壁間剪切力趨于零，液膜開始出現反向流動，導致井筒產生積液[8]，4種常規模型的對比情況（見表1）。

表1 4種常規模型的對比情況

圖1 實驗數據與模型計算數值對比[8]

文獻6將實驗數據與液滴模型和液膜模型計算的臨界攜液流速數值進行對比分析[8]見圖1）。與實驗數據相比，Turner模型和液膜模型數值偏大，李閩模型數值偏小，而未增加安全系數的Coleman液滴模型[5]數值同實驗數據比較吻合，因此優選Coleman液滴模型用于計算垂直井段臨界攜液流速。

從垂直井段到傾斜井段，隨著管柱傾斜角度的變化，液體重力作用與氣液兩相流型的變化都會對臨界攜液流速產生影響。Belfroid等[9]綜合考慮傾斜角度對液滴影響，結合Fiedler形狀函數[10]和Coleman液滴模型推導出斜直井臨界攜液流速理論模型：

圖2 Keuning實驗數據與模型計算數值對比

Keuning綜合考慮了管柱傾斜角度對臨界攜液流速的影響[11]，將實驗數據與液滴模型和液膜模型計算的臨界攜液流速數值進行對比分析（見圖2）。可以看出，在傾斜角度約為50°時所需的臨界攜液流速最大，Belfroid液滴模型隨角度的變化規律與實驗數據吻合較好，但數值存在較大偏差，需要對理論模型進行修正。因此根據實驗數據優選Belfroid液滴模型并進行擬合修正，得修正斜直井段臨界攜液流速理論模型：

將修正模型與實驗數據進行對比，修正模型計算誤差僅為6.62%，與實驗數據比較吻合。

1.2 水平井段臨界攜液流速模型優選及修正

基于水平井段中波動液膜流動機理，K-H波動理論認為，當水平井段中壓力變化所產生的抽吸力達到可以克服對界面波起穩定作用的重力時，就會發生KH不穩定效應，導致界面波生長。隨著氣速的不斷加大，界面不穩定波的不斷增長會導致液膜沿四周管壁運動與液滴的攜帶[12]。依據K-H波動理論得到的水平井段臨界攜液流速理論模型[13]：

圖3 實驗數據與K-H波動理論模型計算數值對比

將實驗數據與K-H波動理論模型計算的臨界攜液流速數值進行對比分析（見圖3），可以看出，K-H波動理論模型的臨界攜液流量變化規律與實驗數據吻合較好，可以認為水平井段中攜液機理主要是由氣液界面的波動引起的。因此優選K-H波動理論模型并進行擬合修正，得修正水平井段臨界攜液流速理論模型：

1.3 水平井臨界攜液流速理論模型

在計算水平井臨界攜液流速時，分別計算斜直井段，水平井段的臨界攜液流速，取其最大值即為水平井臨界攜液流速：

式中：vcrd-斜直井段臨界攜液流速，m/s；vcrH-水平井段臨界攜液流速，m/s；vcr-水平井臨界攜液流速，m/s；ρL-液體的密度，1 074 kg/m3；ρg-天然氣相對密度，0.6 kg/m3；σ-氣液表面張力，0.06 N/m；qcr-水平井臨界攜液流量，m3/d；A-油管截面積，m2；A=π/4d2，d-油管內徑，m；p-地層壓力，MPa；T-地層溫度，322 K；Z-p、T條件下的氣體偏差因子，0.845。

圖4 不同管徑下低壓氣井的臨界攜液流量和井筒摩阻關系

應用該理論模型對蘇里格氣田不同管徑下低壓氣井的臨界攜液流量和井筒摩阻分別進行計算繪制曲線（見圖4）。可以看出，Φ38.1 mm連續油管臨界攜液流量和井筒摩阻較為理想，Φ25.4 mm連續油管井筒摩阻過大，因此初選Φ38.1 mm連續油管作為速度管柱。

2 連續油管速度管柱排水采氣技術

2.1 連續油管速度管柱基本原理

連續油管速度管柱基于氣井臨界攜液流速理論，優選較小直徑連續油管下入氣井井筒中，利用專用設備懸掛于井口，形成新的生產管柱進行生產。通過減小流體流動時的橫截面積，增加流體在生產管柱中的流動速度，進而提高氣井的攜液能力和產氣量，恢復自噴生產的連續排水產氣作用。該技術主要針對產液量較多、地層壓力較小的氣井所采取的一種長期有效的增產措施，具有施工周期短、增產見效快、生產周期長以及避免壓井對地層造成傷害等優點。

2.2 連續油管速度管柱關鍵技術

連續油管速度管柱井口裝置結構主要由井口懸掛器、操作作業窗、井口防噴器、連續油管底部堵塞器以及其他配套工具組成（見圖5）。采用連續油管速度管柱進行排水采氣作業，要選擇適合氣井實際狀況的連續油管，施工成功的關鍵在于能否將連續油管安全有效的懸掛在井口裝置上，并與原有油管的環形空間實現密封[14]。

圖5 連續油管速度管柱井口裝置結構

2.2.1 帶操作作業窗的井口懸掛器 連續油管速度管柱關鍵技術主要是井口懸掛器和操作作業窗。連續油管速度管柱完井既可采取懸掛在現有總閘上，又可采用新式井口懸掛器。有些懸掛器利用在懸掛頭外側的卡瓦鎖緊螺栓推動卡瓦來實現[1]；而帶操作作業窗的井口懸掛器則通過緊固密封頂絲，密封速度管柱環形空間，將外置卡瓦放入懸掛器內卡瓦座上實現速度管柱懸掛（見圖6）。

2.2.2 連續油管底部堵塞器 連續油管速度管柱需要用堵塞器對油管底部進行封堵，以確保井控安全工作。在下至設計深度后通過井口憋壓將其正常打開以利于氣井生產，因此選用帶爆破閥的堵塞器。該堵塞器采用rolling-on方式與油管進行連接，內部爆破閥的正向爆破壓力為3.5 MPa，反向壓力為30 MPa。

圖6 帶操作作業窗的井口懸掛器

2.3 連續油管速度管柱施工步驟[15]

（1）關閉井口1#主閥，拆除井口主閥上部采氣樹；

（2）在井口1#主閥上依次安裝井口懸掛器、操作作業窗及井口防噴器等裝置（見圖7（a））；

（3）用連續油管堵塞器封堵油管底部，防止入井過程中井內流體進入連續油管，井口試壓合格后方可下入連續油管；

（4）在井口防噴器上吊裝連續油管注入頭，關閉操作作業窗。打開井口1#主閥，利用連續油管作業機將連續油管下至井內設計深度，下入過程中注意控制下入速度并校核懸重；

（5）當連續油管下至井內預定位置后，通過緊固井口懸掛器密封頂絲，密封速度管柱環形空間，然后放空懸掛器上部裝置壓力。打開操作作業窗，把1對卡瓦平行放入井口懸掛器內連續油管兩側，利用注入頭緩慢下放連續油管使其坐放在井口懸掛器內卡瓦座上，直至懸重為0，從而達到懸掛連續油管的目的；

（6）當連續油管已可靠地懸掛在井口懸掛器上并密封速度管柱環形空間后，提起操作作業窗上的活塞筒，在適當位置切斷連續油管，拆除井口懸掛器上部所有裝置（見圖7（b））；

（7）將拆去的井口1#主閥上部裝置安裝在井口懸掛器上（見圖7（c））。利用氮氣車向連續油管內注入氮氣，通過加壓方式把連續油管底部堵塞器打掉，進行速度管柱排水采氣工藝實驗。

3 現場應用

圖7 連續油管速度管柱完井井口

蘇76-2-20H井是位于蘇里格氣田鄂爾多斯盆地伊陜斜坡蘇76區塊的1口水平井，于2011年9月4日開鉆，2011年10月3日完鉆，完鉆井深4 634 m，預置完井管柱（管柱外徑88.9 mm），水平段長1 200 m。蘇76-2-20H井2011年11月投產，近期生產套壓發生波動且有下降趨勢，出現產氣量下降，間斷性產氣的低產能現象，判斷井筒出現積液。2016年5月30日生產時油壓為0.63 MPa，套壓4.96 MPa，日均產氣量0.58×104m3。為提高該井產氣量，決定進行連續油管速度管柱排水采氣施工以提高產能。針對蘇里格氣田氣井生產及產水特點，優選Φ38.1 mm×3.18 mm連續油管作為速度管柱下至預定深度3 163 m并可靠地懸掛在井口懸掛器上，最后使用液氮泵車憋壓25 MPa成功打掉連續油管底部堵塞器，投入正常生產。應用速度管柱排水采氣技術以來，氣井增產效果明顯，油壓0.86 MPa、套壓3.37 MPa，日均產氣量0.84×104m3，氣井油套平均壓差從施工前的4.33 MPa降至施工后的2.51 MPa（平均減小1.82 MPa）（見表2）。試驗后氣井平均油壓明顯上升，攜液能力明顯增強，實現氣井連續穩定攜液生產，取得了較好的應用效果。

表2 蘇76-2-20H井連續油管速度管柱排水采氣實施效果

4 結論及建議

（1）對斜直井段和水平井段的臨界攜液流速模型進行優選和修正，建立了水平井臨界攜液流速理論模型，使之適合于低壓水平氣井的臨界攜液流量模型，為水平井排水采氣技術方案提供理論依據。

（2）水平井連續油管速度管柱排水采氣技術，降低了氣井的臨界攜液流速，增大了井筒中氣的流速，提高了氣井攜液能力，可有效地排出井筒積液，減小油套壓差，實現了蘇76-2-20H井的連續攜液增產穩產，起到了較好的應用效果。

（3）建議采取理論研究與實驗驗證相結合的研究方法對臨界攜液流速理論模型進行進一步優化和修正，建立水平井統一理論模型，使之更加符合實際應用情況。

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Research and application of drainage and gas production technology by coiled tubing velocity string for horizontal wells

PING Enshun，WANG Lin，ZHANG Jianhua，JIANG Youcai，XU Qingxiang，LI Nan，HUANG Qi，WANG Qiang
（Downhole Technology Service Company，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited，Tianjin 300283，China）

Aiming at the issues that liquid carrying ability of low-pressure horizontal gas well is poor in Sulige gasfield,the wellbore appeared effusion and the original production string cannot meet production needs.The technology program of drainage and gas production by coiled tubing velocity string for horizontal well was studied.First of all,the critical liquid-carrying current velocity theory model of horizontal well was analyzed.According to the model the Φ38.1 mm coiled tubing was selected as the velocity string.Then,the technology program of drainage and gas production by coiled tubing velocity string water was detailed and the technical solution has been applied in Su76-2-20H well.The application results show that the technology program of drainage and gas production by coiled tubing velocity string canreduce critical liquid-carrying current velocity,improve the ability of liquid-carrying,decreases the average pressure differential 1.82 MPa for the gas well tubing and casing,discharge the wellbore effusion effectively,to achieve a continuous liquid carrying increase and stable yield for low pressure gas well.So,it has played a good application effect.

Sulige gasfield；low pressure horizontal well；critical liquid-carrying current velocity theory model；coiled tubing；velocity string；drainage and gas production

TE934.1

A

1673-5285（2017）05-0020-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.05.005

2017－03-30

中國石油渤海鉆探2015年重大技術研究項目“可降解橋塞壓裂工藝技術研究”，項目編號：2015ZD15K；中國石油渤海鉆探分公司項目“可降解材料在封隔器元件中的應用研究”，項目編號：2016JXJF-07。

平恩順（1986-），工程師，2015年博士畢業于河北工業大學機械制造及其自動化專業，工學博士學位，現主要從事油氣田儲層增產措施改造方面的研究工作，郵箱：pingenshun@163.com。