連續油管速度管柱技術在延北氣田中的應用

曹永波

摘要： 隨著開發時間的延長，SCP延北項目中很多氣井的地層壓力下降、產量遞減，部分氣井已經達到或者低于臨界攜液能力，受井筒積液的影響，由正常生產轉為間開生產，甚至停產。為了解決井筒積液問題，延緩氣井產量遞減、延長氣井生產周期，采用連續油管速度管柱技術，提高氣井攜液生產能力，延緩水淹期。本文分析了連續油管速度管柱技術的基本原理，研究了已有的Turner臨界攜液模型，推導出低壓氣井臨界攜液流量公式，用于選擇合適連續油管尺寸;考慮井斜角的影響，找出了水平井最易積液的位置，用于指導連續油管下入深度，為后續速度管工藝方案設計提供借鑒。

關鍵詞：臨界攜液模型;連續油管尺寸;下入深度

前言

隨著開發時間的延長，SCP延北項目中很多氣井的地層壓力下降、產量遞減，部分氣井已經達到或者低于臨界攜液能力，受井筒積液的影響，由正常生產轉為間開生產，甚至停產。為了解決井筒積液問題，延緩氣井產量遞減、延長氣井生產周期，采用連續油管速度管柱技術，提高氣井攜液生產能力，延緩水淹期。本文分析了連續油管速度管柱技術的基本原理，研究了已有的Turner臨界攜液模型，推導出低壓氣井臨界攜液流量公式，用于選擇合適連續油管尺寸;考慮井斜角的影響，找出了水平井最易積液的位置，用于指導連續油管下入深度，為后續速度管工藝方案設計提供借鑒。

一、連續油管速度管柱技術

（一）基本原理

在氣田開發方面來說，速度管柱即對井下流體起節流增速作用的小直徑管柱，由地面懸掛器或井筒懸掛裝置懸掛于井筒（或生產油管內部）充當完井生產管柱。當地層流體在天然能量的驅動下進入速度管時，由于過流面積比常規生產油管小，基于變徑管流體力學原理，使得較小過流截面上的流體速度有所增加。

簡單來說，就是通過連續油管設備（圖1-1），將直徑1.0-2.0英寸左右的連續油管，按照設計長度，下入原生產管柱中，用專用設備懸掛在井口或井筒中，形成新的生產管柱，根據生產情況可選擇連續油管采氣或連續油管與生產油管環空采氣兩種方式生產。

對于低壓低產氣井，由于其產氣量小，攜液能力有限，因此油管內氣體的流速是影響氣井排液的重要因素。流經井底油管截面的氣體流速越高，則提供的攜液能量就越大，為防止液體回落和減少井底積液，必須保證一定的氣體流速。而下入小直徑的管柱，可有效減少橫截面積，增大氣體流速，實現采氣排水目的。

（二）施工步驟

（1）測試1號閥密封性，關閉1號閥，采氣樹壓力表考克泄壓至壓力為0，觀察半小時，壓力不漲，無氣體返出;拆除一號主閥以上采氣樹部分;

（2）依次安裝速度管懸掛器、操作窗、防噴器;連油插管入注入頭、防噴盒，制作roll-on接頭，安裝堵塞器;安裝防噴盒、注入頭，對連油井口和堵塞器試壓合格后，打開1號閥，開井下入連油至設計井深;下放過程中控制下放速度并校核懸重;

（3）下至設計井深后，對角上緊懸掛器頂絲，密封速度管環形空間，井口設備泄壓至0MPa，打開操作窗，投卡瓦片至懸掛器卡瓦座，下放連油至懸重為0，成功懸掛速度管柱;

（4）割斷速度管，依次拆操作窗、防噴器、防噴盒、注入頭;打磨割口，安裝導向限位塊，然后恢復采氣樹，將拆除部分安裝至懸掛器之上;

（5）連接液氮泵車向連續油管內泵入液氮，打開連續油管底部堵塞器，氣舉，生產。

二、連續油管速度管柱設計

連油速度管柱的設計目標是確定最優連續油管尺寸和最佳下入深度，只有這樣才能恢復井的自噴，并且管柱內摩阻是最小的，產量是最大化的。

（一）速度管柱尺寸的選擇

要確定速度管柱的尺寸，必須提到臨界流速。臨界流速一般定義為油管中可以使液滴向上運移的最小氣體流速。低于臨界流速時，液滴下降，液相在井筒中聚集。通常認為在井筒嚴重積液之前，氣流中液相以液滴形式被氣體攜帶;而在氣液界面間剪切作用下液相在井壁以液膜的形式運動。

目前確定氣體臨界流速有經驗法和理論分析法兩類。經驗法將井底油管內氣體攜液最小氣體流速定為2-4m/s;理論分析法以Turner模型[1]為依據，用液滴模型來預測井筒積液，推導得出低壓氣井（壓力小于3.45MPa）臨界攜液流速公式：

式中，σ—液滴表面張力，0.06N/m;ρl—液體密度，1074kg/m3;ρg—天然氣相對密度，kg/m3。

趙彬彬等[2]人在Turner公式基礎上推導出了氣井臨界流量計算公式：

式中，P—井口壓力，MPa;Z—天然氣壓縮因子，無量綱;T—井底溫度，K;A為油管截面積，，m2。

由上面公式可計算出需要選擇的油管內徑尺寸：

（二）速度管柱下入深度的確定

從垂直井段到傾斜井段，隨著管柱傾斜角度的變化，液滴重力作用與氣液兩相流型變化都會對臨界攜液流速產生影響。Belroid等[3]綜合考慮傾斜角對液滴的影響，在Turner模型基礎上，增加了一個隨井斜角變化的修正系數，θ為井斜角，5°≤θ≤90°。

隨著井斜角增加，臨界攜液流量先增加后減小，在井斜角53°時臨界攜液流量最高，為井筒最易積液的位置，所以此位置為速度管柱最佳下入深度。

三、連續油管速度管柱關鍵工具

（一）速度管柱懸掛器

如何實現3000多米，重量10噸多的連續油管在井口長期懸掛并且有效密封連續油管和原井油管的環空，最關鍵的工具就是懸掛器。懸掛器包括懸掛主體、懸掛密封總成、懸掛卡瓦、限位密封總成及相關的密封件。密封總成由壓環、壓圈、膠筒、壓圈組成，對角旋轉懸掛器頂絲，頂絲推動壓環下移，壓縮膠筒，實現連續油管和油管環空的密封。懸掛卡瓦一般是兩片或三片卡瓦，采用梯形螺紋設計，將連續油管越卡越緊。

（二）速度管柱底部堵塞器

連續油管速度管柱需要用堵塞器對油管底部進行封堵，防止井內氣體在速度管柱下放和安裝過程中侵入油管內部，確保井控安全作業。堵塞器總成包括塞體、密封件、篩管等，堵塞器結構。其工作原理是，當井內壓力高于速度管柱內壓力時，由于上接頭內部臺階承載堵頭傳遞的壓力，堵頭剪切銷釘不受力，不會被剪斷（最高可承壓70MPa）;當速度管柱內壓力高于井內壓力并達到一定值時（正壓條件），一般堵塞器開啟壓差為2MPa，銷釘被剪斷（正壓剪切）堵頭被打掉，保證井底和速度管內部連通。

經過現場地面試驗，發現這類堵塞器存在設計缺陷，

（1）堵塞器開啟壓差測試為5.7MPa左右;（2）堵頭打入口袋內，口袋內沒有自鎖扣，來回抖動堵塞器發現堵頭會上移回堵。

四、延北項目完井現場應用

（一）現場應用效果分析

針對產量遞減，2019年對4口井下入1.25”速度管，其中3口水平井，一口定向井，2020年截止到現在為止，已經完成了8口井的1.5”速度管安裝，其中2口水平井，6口定向井。由表1可見，速度管井投產后，平均單井氣產量增加1.8萬方/天。

（二）發現問題

在現場速度管作業過程和后期開井生產發現以下問題：

（1）安裝連續油管井口設備時，發現操作窗和防噴器的安裝順序不合適，井口正確安裝位置從下之上依次為懸掛器、防噴器、操作窗、防噴盒、注入頭。因為操作窗（見圖4-1）的密封是外筒和下座盤“O”圈起密封作用的，如果在下放過程中，這道密封失效，將會失去井控屏障。

（2）YB368-H0A井在6.12完成下入速度管，下深為3550m，6.15進行了氮氣氣舉作業，正循環氣舉，泵入液氮17.8方，燃燒池出口無液體和氮氣返出;然后從速度管側返排，返出少量氮氣，無液體返出;反循環氣舉，泵入液氮16方，出口無液體和氮氣返出。油壓0MPa，套壓11.5MPa。

對于像YB368-H0A井，此類井筒積液液位較高的井，要避免將速度管沉入積液太深。隨著速度管的沉沒深度（速度管管鞋以上液位的高度）增加，啟動時進入速度管中的液體越多，啟動越困難。研究表明，速度管沉入積液以下200m，速度管啟動壓力高達25MPa，小環空啟動壓力高達11.24MPa。

而且，發現速度管和小環空同時啟動，可最大程度降低啟動壓力。也在該井得到了驗證，該井后期通過油套互聯，油套同時生產，油壓1MPa，套壓12MPa，最終油套壓平衡為8.4MPa，正常生產，產量為5萬方/ 天。后期作業建議應盡量避免單獨開啟速度管或小環空進行生產。

五、 結論與認識

1）基于Turner模型的優化和修正，推導出低壓氣井的臨界攜液流量公式，對優選合適的連續油管尺寸和確定下入深度提供了理論依據。

2）安裝速度管后，氣井產量明顯提高，并且較長時間內保持穩定，井底積液被帶出，證明速度管柱對延北區塊井排水采氣有明顯效果。

3）建議理論和實踐相結合，進一步優化和修正，建立更加適合SCP延北項目區塊的理論模型，為日后速度管柱設計施工提供理論依據;同時還要對速度管柱下入時機進行進一步研究。

參考文獻：

[1] Turner R G，Hubbard M G，Dukler A E.Analysis and prediction of minimum flow rate for the continuous removal of liquids from gas wells[J].Journal of Petroleum Technology，1969，21（11）：1475-1482.

[2] 趙彬彬，白曉弘，陳德見，等.速度管柱排水采氣效果評價 及應用新領域[J].石油機械，2012，（11）：62-65.

[3] Belfroid S P C，Schiferli W，Alberts G J N，et al.Prediction onset and dynamic behavior of liquid loading gas wells[C]. SPE 115567，2008.