超高壓氣井地面測試安全控壓技術

何恩鵬，潘 登

(中石油川慶鉆探公司鉆采工程技術研究院)

地面測試使用的分離計量設備一般為10 MPa或15 MPa的壓力容器，若井口壓力高于分離器的壓力，則在進入分離器前需要降壓，在低壓井中使用一級節流可以滿足安全作業要求，隨著勘探開發的深入，超高壓井地面測試施工作業越來越多，井口最高關井壓力已達109.13 MPa，并且地面測試期間井筒排出的流體性質也越來越復雜，高壓差時節流閥的節流部件容易損壞，造成節流失效，高壓非法竄入低壓區導致分離器等低壓設備超壓爆炸，是地面測試作業不可接受的風險，多級節流可以實現逐級降壓，降低節流閥的壓差，使節流閥運行平穩，保障地面測試安全作業。

節流裝置以手動的方式操作，節流裝置出現失效的情況下，容易對操作人員造成傷害，并且需要精確控制時人力控制很難達到控制要求。

一、節流裝置失效現狀

(1)地面測試過程中，井內排出的流體性質復雜，伴隨著鉆井期間漏失的鉆井液材料、堵漏材料、完井射孔彈渣、地層巖屑等固相物質，固相物質的存在加劇了流體對節流部件沖蝕磨損的嚴重程度。

(2)施工過程中，節流閥會承受較高的壓差，在高壓差下連續運行，特別是節流部件疲勞程度較強時，容易被擠碎或剪切切斷。

二、節流裝置失效原因分析

1.流體沖蝕對節流部件損壞的影響

API RP 14E給出的預測流體沖蝕磨損計算臨界沖蝕流速方程見式(1)：

Ve=C/(ρm)0.5

(1)

式中：ρm—混合物密度,g/cm3；C—常數，100～150，如果井筒流體很干凈，不存在腐蝕和無固體顆粒情況下，C可取150[1]。

如果取ρm=0.6，可以得到Ve=129.1～193.65 m/s。根據臨界流噴嘴的原理，流體經過節流部件后，p2≤0.546p1(p2為節流后的壓力，p1為節流前的壓力)時流體流速達到臨界流速。不論節流前后壓力如何變化，只要達到臨界流速，在流道截面積最小處，流體的流速等于該溫度下流體的音速(15℃時音速為340 m/s，溫度每增加1℃，流體流速增加0.6 m/s[1])。

當流體的流速增大到臨界沖蝕速率時，流體就會對節流部件造成沖蝕，并且流速越快，沖蝕越嚴重。

2.高壓差對節流部件損壞的影響

節流閥工作時節流部件被高壓力流體包裹，節流部件所能承受的壓力和壓差受節流部件結構、材質、疲勞程度等因素的影響，承受的壓力越大、壓差越大，時間越長，節流部件被損壞的機率越大。

3.節流氣穴對節流部件損壞的影響

在(含液)流體中,由于壓力降低而出現氣泡的現象稱為氣穴現象。氣穴中的氣體可以是天然氣或液體的蒸汽，管道局部收縮或擴張處會產生氣穴(如圖1中的B處)。當液體中的壓力降低到該液體的分離壓時,氣體便從液體中分離出來形成氣泡，氣泡隨流體運動到高壓區后在周圍壓力作用下被壓縮，體積迅速縮小至潰滅，從而在局部區域使壓力及溫度都達到相當高的數值，對管件造成嚴重的危害。它不僅會縮短管件的壽命而且還會引發氣蝕現象，氣蝕會使結構表面逐漸腐蝕，剝落成小坑，嚴重時會導致地面流程中彎頭、管線、油嘴的刺漏。

圖1 管道局部收縮節流

當流體在管中流動時，流動速度高的區域壓力低，當壓力低于工作溫度下油液與空氣分離的壓力時，流體中原已溶解的氣體將被分離出來，形成氣泡。

一般可用節流氣穴系數來描述氣穴發生程度及性質。節流氣穴系數δ可用式(2)表達。越小，越容易發生氣穴，防止氣穴發生的極限氣穴系數為δmax=0.4。

(2)

(3)

由式(3)可得：p1/p2<3.5。

由式(2)可知，p1/p2決定了氣穴系數的大小，p1/p2越大，δ越小，節流越容易發生氣穴，也即節流壓差越大，越容易發生節流氣穴。控制節流后的壓力大于節流前壓力的0.285 7倍可防止氣穴的發生。

三、安全控壓技術

通過節流裝置失效原因的分析，不管是沖蝕效應還是節流氣穴效應，均是由節流裝置節流壓降過大的原因導致的，所以降低節流壓差是減小節流裝置損壞風險最直接的控制措施。

超高壓氣井地面測試中使用一級節流，節流閥承受的壓差大，節流閥易損壞，采用串聯二個或多個節流閥，共同分擔節流閥兩端的壓差，使每個節流閥兩端的壓差減小，從而降低流體流速、減緩沖蝕磨損效應、減少氣穴產生，延緩節流裝置損壞速度，保障地面測試安全作業。

1.多級節流壓差分配原則

節流后的流速低于臨界沖蝕速率。

2.多級節流壓差分配計算方法

2.1 節流壓降計算

根據亞臨界流速原理，節流后壓力與節流前壓力比值大于臨界流速壓力比時，流速會降低，對于亞臨界流，流量與節流前后的壓力的關系為：

式中：Q—通過節流裝置的體積流量(標準狀態下)，104m3/d；p1、p2—節流前、后壓力，MPa；d—節流孔眼直徑，mm；T1—節流前溫度，K；Z1—p1和T1條件下的氣體壓縮系數，無量綱；γ—天然氣相對密度，無量綱。

2.2 節流溫降計算

(5)

式中：T2—節流后溫度，K；k—絕熱指數，無量綱，k取1.3。

圖2 壓縮系數圖版a

2.3 節流后流速計算[3]

(6)

式中：ν2—節流后流速,m/s；Z2—T2和p2條件下的氣體壓縮系數，無量綱。

2.4 氣體壓縮系數計算

根據氣體的對比壓力pr和對比溫度Tr查壓縮系數版圖(圖2、圖3)可以得到氣體的壓縮系數。

(7)

(8)

式中：p—氣體的絕對工作壓力，MPa；pC—氣體的臨界壓力，MPa ；T—氣體的絕對工作溫度，K；TC—氣體的臨界溫度，K。

圖3 壓縮系數圖版b

2.5 氣體密度計算方法[4]

(9)

式中：ρ2—節流后氣體密度,kg/m3。

3.節流壓降計算實例

已知γ=0.6，pc=4.628 MPa，Tc=191.5K，p1=120 MPa，T1=303 K，Q=30×104m3/d，p2=90 MPa，計算可得V2=233.96 m/s，Ve=236.76 m/s,V2

4.多級節流壓差控制表

根據多級節流壓差控制計算方法，可以計算得到推薦壓差控制表如表1。

表1推薦壓差控制表

井口流動壓力/MPa節流后壓力/MPa一級節流后壓力二級節流后壓力三級節流后壓力四級節流后壓力90～12060～9035～6025～356～860～9035～6025～356～8-35～6025～356～8--35以下6～8---

5.節流裝置選擇

根據壓差控制表1可以看出，一級節流的壓力和壓降都最大，所以一級節流裝置選擇動力油嘴等高抗沖蝕節流閥，并且盡可能將一級節流閥安裝位置靠近井口，縮短一級高壓的管線長度，二級節流閥后的節流閥可以選擇針型節流閥或籠套式節流閥。

6.智能控制

節流裝置可采用電動遠程精細化智能控制，實現高壓區無人操作，增加人員操作的安全性。通過電動執行器和智能軟件配合，實現各級節流的精確控壓，即設定目標壓力值后，根據實時監測的壓力自動調節節流閥開度，保持目標壓力值，并且節流閥調節精度為1%，可以實現精細化穩壓調節。智能控制原理圖見圖4。

圖4 電動遠程智能控制原理圖

四、現場應用實例

XX 1井，最高關井壓力109.13 MPa，放噴測試期間井口最高流動壓力96 MPa，采用四級節流降壓工藝，前三級節流閥采用高抗沖蝕的動力油嘴，第四級節流閥采用針型可調節流閥。一級節流后壓力65.3 MPa(理論計算值65 MPa)，二級節流后壓力39.1 MPa(理論計算值40 MPa)，三級節流后壓力27.4 MPa(理論計算值27 MPa)，四級節流后壓力6.5 MPa，整個測試期間各級節流閥工作平穩可靠，未發生節流部件被沖蝕和損壞的情況。

五、結論

(1)本文提出了超高壓氣井地面測試多級節流控壓的計算方法，為超高壓氣井安全控壓節流級數選擇提供了理論依據。

(2)本文的計算方法僅適用于流體為純氣體情況下的計算。

(3)當p2>0.546p1進行多級節流壓差控制，有效避免氣穴現象，杜絕節流閥被氣蝕損壞，并且可以有效降低節流后流速，減緩流體沖蝕效應。

(4)采用電動遠程精細化智能控制，不但可以進行穩壓模式調節，而且相比人力操作，更安全，調節精度更高。

(5)根據理場實際操作經驗，井口流動壓力低于35 MPa使用一級節流降壓時，雖然氣體流速達到了臨界流速，但基本上未發生節流閥失效的情況，所以最后一級節流達到臨界流速滿足安全控壓要求。