水平井組合管柱排水采氣研究及應用:以鄂北D氣田為例

陳 旭

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術研究院，河南 鄭州 450006)

許多學者在研究氣液兩相流在類似水平井的透明管內流動規律時，發現管徑一定條件下，隨著氣流量逐漸降低，液相會首先在傾斜段聚集而出現積液[1-3]。那么對于天然氣水平井而言，隨著氣井壓力、產量不斷降低，傾斜段將先于垂直段出現積液情況，導致水平井自主攜液期較同規格生產管柱的直井大幅縮短。為了實現水平井全井筒協調攜液，延長天然氣水平井自主攜液期，本研究以臨界攜液流量理論為基礎，通過論證設計了水平井組合管柱并在鄂北D氣田進行了現場應用，為天然氣水平井排水采氣工藝提供了新思路。

1 水平井臨界攜液流量規律

1.1 垂直段

垂直段臨界攜液氣流速模型有很多，應用較多的主要有Turner[4]、Coleman[5]提出的的圓球模型，李閩[6]提出的橢球模型及王毅忠[7]等人提出的球帽模型。

根據鄂北D氣田氣井基本生產數據，適用的垂直段臨界攜液氣流速模型如下[8]：

(1)

式中，vc為垂直段臨界攜液氣流速，m/s；σ為界面張力，N/m；ρl為液體密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3。

1.2 傾斜段

傾斜段臨界攜液氣流速模型與井斜角θ相關。根據鄂北D氣田氣井基本生產數據，D氣田氣井適用的垂直段臨界攜液氣流速模型如下[9]：

(2)

根據式(2)計算了Φ60.3 mm油管不同井斜角條件下的臨界攜液流量(10 MPa，90 ℃)，見圖1。

由圖1可知，對于傾斜段而言，臨界攜液氣流速隨井斜角增加表現出先增大、后減小的趨勢，在井斜角為40°～60°時達到最大。因此，當氣體流速大于傾斜段最大臨界攜液氣流速時，才能實現整個傾斜段的攜液。故將傾斜段最大臨界攜液氣流速定義為水平井對應的傾斜段臨界攜液氣流速。

1.3 垂直段與傾斜段臨界攜液流量對比

以臨界攜液氣流速為基礎，按照下式計算臨界攜液氣流量。

(3)

式中，qcc為臨界攜液期流量，m3/d；A為油管橫截面積，m2；p為流壓，MPa；Z為壓縮因子；T為溫度，K。

計算了生產管柱為Φ60.3 mm油管(內徑50.7 mm)時水平井垂直段、傾斜段的臨界攜液流量并進行對比，如圖2所示。

由圖2可知，管徑一定時，傾斜段臨界攜液流量總是高于垂直段臨界攜液流量，傾斜段排液難度高于垂直段。

2 組合管柱排水采氣技術設計

由式(3)可知，管徑減小時，氣井臨界攜液流量減小。因此可通過縮小傾斜段生產管柱內徑，降低傾斜段臨界攜液流量，實現水平井垂直段與傾斜段臨界攜液流量協調相近，延長水平井自主攜液期。

2.1 組合管柱尺寸優選

利用式(1)～(3)計算了不同管徑的市售標準規格油管的傾斜段臨界攜液流量，并與Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量進行對比，見圖3。

由圖3可知，Φ48.26 mm、Φ42.16 mm、Φ33.4 mm油管傾斜段臨界攜液流量均小于Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量，即采用上述幾種標準油管作為傾斜段生產管柱時，當氣井產氣量能夠滿足Φ60.3 mm油管垂直段攜液要求時，也必定能滿足傾斜段排液要求。

根據氣液兩相管流壓降規律，其他條件一定時，若管徑減小，摩阻系數增加，則對應摩阻增大[1]。綜合考慮攜液及摩阻影響，當垂直段生產管柱為Φ60.3 mm油管時，傾斜段生產管柱為Φ48.26 mm油管較為適宜。

2.2 變徑短節位置設計

垂直段Φ60.3 mm油管與傾斜段Φ48.26 mm油管應采用變徑短節相連。如前所述，40°～60°為傾斜段臨界攜液流量最大區域，因此Φ48.26 mm油管分布范圍應包含該區域，故變徑短節可設計在井斜角0°至40°范圍內。此外，為使水平井傾斜段、垂直段臨界攜液流量協調相近，變徑短節處對應的Φ60.3 mm油管臨界攜液流量應不高于Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量。

利用式(2)、式(3)，反算出不同壓力下，當Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量與傾斜段某處臨界攜液流量相等時，對應的井斜角，見表1。

根據表1中數據，結合圖1中的規律可知，當井斜角大于15°左右時，Φ60.3 mm油管在此處的臨界攜液流量將大于其垂直段臨界攜液流量，造成變徑處攜液難度最大，不符合全井筒攜液的目標。故變徑點應設計在井斜角0°～15°范圍內。

表1 不同壓力下，當Φ60.3 mm油管垂直段與傾斜段的臨界攜液流量相等時對應的井斜角

2.3 下入深度設計

如前所述，Φ48.26 mm油管分布范圍應包含井斜角40°～60°部分。從提高整個傾斜段的攜液能力方面考慮，宜下至A靶點附近。同時綜合考慮氣井出砂帶來的管柱砂埋風險，結合現場生產經驗，選擇A靶點以上50 m作為組合管柱下入深度。

3 現場應用情況

2017年至2020年，鄂北D氣田共有43口水平井應用組合管柱排水采氣技術。以A1井為例(見圖4)，2019年6月，A1井產氣量已經低于Φ60.3 mm油管傾斜段臨界攜液流量，采用組合管柱仍持續穩產，延長自主攜液期超過400 d。

4 結論

1)根據鄂北D氣田垂直段、傾斜段臨界攜液氣流速公式，明確管徑相同時，傾斜段最大臨界攜液流量總是高于垂直段臨界攜液流量。

2)以縮小傾斜段生產管柱內徑為思路，優選Φ48.26 mm油管作為傾斜段生產管柱。

3)基于臨界攜液流量與井斜角關系，明確變徑短節應設置在井斜角0°～15°范圍內；結合現場生產經驗，確定組合管柱下入深度為A點以上50 m。

4)現場應用情況表明，組合管柱與原Φ60.3 mm油管相比，可提升氣井攜液能力，延長水平井自主攜液期。