高溫高壓凝析氣井井下節流工藝優化設計

易俊，張寶

(中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000)

薛旭周，王宏亮，李嬌龍，張少陽

(能新科(西安)油氣技術有限公司，陜西 西安 710000)

庫車盆地克拉蘇構造帶[1,2]南北向以克拉蘇斷裂為界可進一步劃分為克拉區帶和克深區帶，克深區帶東西向可分為4段：阿瓦特段、博孜段、大北段、克深段。博孜區塊位于克深區帶博孜段，其平均埋深約7000m，地層壓力因數達1.76，地溫梯度約為1.71℃/100m，天然氣甲烷平均體積分數89.33%，平均相對密度0.63，氣油比8339～8668m3/m3，屬于常溫高壓凝析氣藏。主要產層為巴什基奇克組巴二段，其孔隙度2.5%～7%(平均5%)，滲透率0.05～0.36mD(平均0.12mD)，屬于特低孔特低滲儲層。天然裂縫發育程度相對較低，以高角度縫為主，大多為方解石半充填。截至2015年12月，區塊投產B、C和D井3口井，由于儲層致密，自然產能較低(無阻流量(4.52～6.28)×104m3/d)，酸壓在一定程度上提高了產能(無阻流量(13.77～20.66)×104m3/d)，但是絕對增量有限[3,4]。由于產量較低，井口溫度低，生產過程中經常出現水合物堵塞的情況，嚴重影響了氣井的正常生產。

目前，油田現場主要采用除水、加熱降壓、加注化學抑制劑和安裝井下節流器等方法來抑制水合物的生成[5～7]。由于塔里木油田多為深井和超深井，前3種方法不管是投入成本還是日常維護費用都很高。而采用井下節流技術工藝簡單、易于實施，能夠有效抑制水合物生成，并且在長慶油田[8]、大慶油田[9,10]、澀北氣田[11]及塔里木油田[12～14]取得了成功應用。

1 井下節流工藝原理

井下節流工藝是將地面節流過程轉移至井筒之中，使天然氣的節流降壓膨脹過程發生在井內，這樣就可以充分利用地熱資源對節流后的低溫天然氣進行加熱，防止形成水合物堵塞生產通道。同時，降低井口壓力，使輸氣壓力達到正常輸氣要求，從而有效地防止水合物在井筒和井口產生凍堵的問題。

2 井下節流設計流程

圖1 水合物計算流程圖

井筒壓力和溫度分布情況是影響井下節流條件的主要因素，井下節流工藝參數的優化設計主要是耦合了水合物生成條件預測、井筒溫度、壓力分布、節流壓降、溫降模型，并根據氣井產量設計油嘴下入深度和節流器氣嘴(以下簡稱流嘴)直徑，以防止水合物生成。具體計算流程見圖1。

3 模型可行性驗證

3.1 水合物生成條件預測方法

在工程實踐中，目前已有多種預測天然氣水合物生成條件的方法[15,16]。最常用的有波諾馬列夫經驗公式法、經驗圖解法、統計熱力學法。由圖2可見，壓力越高，形成水合物的臨界溫度越高，若不采取水合物防治措施，氣井生產過程中很容易產生水合物，堵塞井筒，影響生產。3種方法對比，經驗圖解法與統計熱力學計算結果相對較接近，而波諾馬列夫經驗公式法誤差相對較大。筆者采用統計熱力學法預測水合物生成條件，得出博孜區塊井口外輸壓力為11MPa，對應形成水合物的溫度為19℃。

博孜區塊B、C、D這3口井由于產能低，井口溫度低，生產過程中出現凍堵現象。由圖3可見，3口井井口溫度、壓力在水合物包絡線之內，預測結果與實際情況比較符合。而E井于2016年12月采用加砂壓裂大幅度提高氣井產量，日產氣量為51.68×104m3，井口壓力81MPa，井口溫度45.4℃，生產過程中沒有出現水合物堵塞現象，井口溫度、壓力在水合物包絡線之外，與預測結果相符。

圖2 3種方法預測水合物包絡線 圖3 博孜區塊不同井不同產量水合物預測

圖4 C井井筒流溫、流壓擬合曲線

3.2 井筒參數分布預測模型

正確模擬氣井井下節流時井筒中流體壓力、溫度分布，是制定合理工作制度、分析井筒流動動態和預測是否有水合物生成的關鍵[17]。博孜區塊大多數井為套管射孔完井，井筒溫度的計算模型需根據工程熱力學理論計算油套管及其環空、水泥環、地層之間的導熱系數，但通常存在較大的困難。如果采用軟件默認值，則不能代表博孜區塊的導熱系數，其計算結果偏高。如果采用“井口溫度單點擬合法”，即通過整體調整導熱系數使得模擬井口溫度與測量井口溫度達到擬合，因沒有考慮垂向上沿井筒導熱系數的不同，溫度預測誤差較大。筆者采用“井筒溫度剖面擬合法”，即通過調整沿井筒的導熱系數，使得模擬的流溫剖面與測量的流溫剖面達到擬合。根據C井2017年12月11日流溫、流壓剖面測試實際測量數據，采用Cullender-Smith模型能較好地擬合氣井井筒壓力分布；通過調整導熱系數，使得模擬計算流溫剖面與實際流溫剖面達到擬合(見圖4)，得到了博孜區塊沿井筒的導熱系數，以預測不同井不同產量下的井溫剖面。

3.3 水合物生成預測模型驗證

天然氣水合物是否形成主要取決于天然氣組分、壓力和溫度，在天然氣組分一定的條件下，系統壓力越高，水合物形成的溫度越高，水合物越易形成。通過鄰區實際生產數據的統計(見圖5)，發現當產量下降到20×104m3/d時，井口容易生成水合物凍堵，造成關井停產。

選取博孜區塊C井預測水合物生產臨界條件，采用PIPESIM軟件分別模擬產量為5×104、10×104、15×104、20×104、25×104、30×104、35×104、40×104m3/d時井筒是否會形成水合物，如圖6所示。在高壓下，初期產量低于25×104m3/d時，井口溫度較低，會形成水合物，與鄰區統計結果較類似。

圖5 鄰區生產井水合物生成臨界條件統計 圖6 軟件模擬不同產量下井筒水合物生成情況

4 井下節流器優化設計

4.1 節流器下深計算

井下節流工藝參數設計的關鍵在于井下節流器合理下入深度的確定。下入深度過淺，容易導致節流嘴前溫度過低，使得高壓天然氣經過節流之后，節流嘴后的氣流溫度低于水合物生成溫度，形成水合物。下入深度過深，容易導致節流前后的節流壓差過大，影響節流嘴密封圈的使用壽命，因此井下節流器需要優化合理下入深度。在臨界流狀態下井下節流器最小下深計算公式如下：

(1)

式中：Lmin為節流器最小下入深度，m；M0為地溫增率，m/K；th為水合物形成溫度，℃；βk為臨界壓力比，1；z1為節流嘴入口端的氣體偏差系數，1；k為天然氣絕熱指數，一般為1.27～1.30；t0為地面平均溫度，℃。

4.2 節流嘴直徑計算

節流嘴直徑主要根據氣井產量，并結合節流嘴前的氣流溫度和節流嘴兩端壓力來確定。在臨界流狀態下，節流嘴下游壓力的波動不會影響到上游，即節流嘴以后管線和分離器等設備的壓力波動不會影響節流嘴前流體的流動，使通過節流嘴的氣體流量達到最大值。達到臨界流時氣井產量公式為：

(2)

式中：qmax為標況下通過節流嘴的體積流量，m3/d；d為節流嘴直徑，mm；p1為節流嘴入口處壓力，MPa；T1為節流嘴入口端的溫度，K；γg為天然氣相對密度，1。

由式(2)可得井下節流器節流嘴直徑計算公式為：

(3)

圖7 節流前水合物生成情況

假設在原始地層壓力條件下，初期產氣量為20×104m3/d，井口壓力11MPa，在不下井下節流嘴條件下，井筒溫度曲線與水合物生成溫度曲線相交，如圖7所示，在距離井口300m處，若有自由水存在就會形成水合物。

4.3 節流后井筒參數優化

優化設計井筒參數結果如圖8所示。當節流器下入深度為3000m，節流嘴直徑為4.75mm時，能有效防止水合物生成。壓力由節流前的97.89MPa下降到節流后的16.73MPa，溫度由節流前的68.34℃下降到60℃，節流后溫度(21.43℃)高于水合物生成溫度(18℃)，沿整個井筒不會形成水合物，可有效防止水合物生成。

圖8 C井節流前后井筒參數

5 結論

1)井下節流工藝參數的優化設計主要是耦合水合物生成條件預測、井筒壓力、溫度分布以及節流壓降、溫降模型，并根據氣井產量設計油嘴下入深度和節流嘴直徑大小防止水合物生成。

2)采用波諾馬列夫經驗公式法、經驗圖解法和統計熱力學法3種方法對水合物生成條件進行預測，并與實際生產數據進行對比，進一步驗證模型的可行性。

3)井筒壓力和溫度分布是影響井下節流條件的主要因素，采用Cullender-Smith模型和“井筒溫度剖面擬合法”修正的井筒溫度模型可以很好地預測井筒壓力、溫度。

4)根據確定的臨界產量，設計產量在20×104m3/d情況下，下入井下節流器，并優化下入深度和節流嘴直徑大小，可有效防止水合物生成。