天然氣井井下節流器研究現狀及應用前景

李佳欣，蔡家鐵，陳欣然，楊雙春，陳 博

(遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順113001)

在天然氣井的生產和作業過程中，水合物生成的問題層出不窮，極易造成井筒堵塞、油氣減產，對井筒內精密結構造成損傷，嚴重時會導致氣井停產。現有技術條件下，天然氣井生產需要大量地面節流設備，其作用是降低天然氣中的水合物。這些設備投資大，能耗高，對油氣井的安全生產以及日常管理十分不利，同時也給環境保護帶來挑戰。近年來，隨著井下節流器技術的發展，井上系統和天然氣水合物生成的問題得到一定程度改善。本文針對現有的井下節流器技術進行分析總結，并對其未來的研究發展工作提出一些思路。

1 井下節流器原理及結構

井下節流工藝是運用井下節流嘴對井筒進行節流降壓，并采取地層溫度加熱的方式，讓經過節流的流體溫度盡可能恢復至與深度地層溫度相同，如圖1所示。這樣就降低了井筒內水合物形成所必須的初始溫度，也就達到了防止水合物生成的目的。

1.1 井下節流工作原理

井下節流的工作原理是把井下節流器投放到井筒的適當位置，使其對井筒內的高溫高壓氣體進行節流降壓，如圖2所示。這樣就可以把地面節流過程轉換到井筒里，采用地熱對流體加熱的方法，將地層中高溫、高壓流體的膨脹和吸熱的過程在地層中實現，以保證氣體溫度和低壓輸氣。經過這樣節流操作的流體，其溫度會比節流后壓力條件下的水合物形成最高溫度高，此時，井筒、井口和地面管線就不會形成水合物堵塞，從而達到節能降耗、安全、環保的效果[1]。

圖1 井下節流溫度分布理論分析曲線

圖2 節流降壓降溫原理

井下節流器的主要功能如表1所示。

表1 井下節流器主要功能

1.2 井下節流器裝置的結構

20世紀40年代，穆拉維也夫(MypaBbIeB)和克雷洛夫(A.n.KpbIJIOB)共同提出了1種在自噴井里選擇井底節流嘴來解決油井激動間歇以及降低其程度的新思路。如果采用這種方法，更換節流嘴與更改油嘴尺寸時就必須打撈出整根油管，操作工序非常繁瑣，因此并沒有得到大范圍的推廣使用。直到20世紀80代，位于井下的節流嘴才再一次引起油氣田開發者的重視。

國內外許多油氣田都曾結合自身特點開展過井下節流器的試驗研究。現有節流器的結構主要由承托筒、內筒、密封膠筒、卡瓦、氣嘴等部件構成。例如蘇里格氣田、神木氣田主要采取HFY-56型井下節流器。這種井下節流器的結構主要包括打撈頸、扶正器、卡瓦、密封膠筒、防砂罩等部分，如圖3所示。

圖3 HFY-56型井下節流器示意圖

根據節流油嘴結構，井下節流器還可按照表2進行分類。

表2 井下節流器的分類

2 井下節流器種類

在實際生產中，井下節流器的應用已經相當廣泛。目前，井下節流器主要被劃分成固定型以及活動型2類。

2.1 固定型井下節流器

固定型井下節流器的結構如圖4所示。這種型號節流器還被稱為坐放式井下節流器，它的內部安裝有1個工作筒，用于確定節流器的下入位置。

圖4 固定型井下節流器示意圖

祝心發、陳磊等[2]對蘇里格南項目中的固定型井下節流器進行了研究，深入分析了固定型井下節流器在蘇里格南項目實際應用中的優點和不足。

目前，固定型井下節流器在井內無油管生產的情況時，不能改變它坐落短節的位置。坐落短節的位置通常在3 500 ～4 000 m的深度，這個深度給節流器的工作效率和使用年限帶來很大挑戰。

隨著近年來智能完井技術的發展，固定型井下節流器又有了新的變革。智能完井的井下監測系統就可以被看作1種固定型井下節流器，它可以對儲層的壓力、溫度、流量等參數進行測量；它的決策系統則會根據這些井下參數發出控制命令，執行系統在得到命令后，節流器機械裝置開始工作，節流器隨即發揮作用，達到優化生產的目的[3]。這也推進了固定型井下節流器在新領域的應用。

2.2 活動型井下節流器

活動型井下節流器的結構如圖5所示。與固定型井下節流器不同，在對氣井進行節流作業時，活動型井下節流器可以不再壓井和起下油管，只需要測試車把節流器投放到指定深度，坐封，就能夠對井下流體進行節流降壓。從井下取出節流器時，只需使用專門的設備，就能夠成功起出節流器。

圖5 活動型井下節流器示意圖

王錦生等[4]成功提出了井下節流器工藝技術，可以在氣體保溫條件下進行低壓輸氣，從而降低能耗、安全環保；王曉榮、徐文龍等[5]設計了1種新型節流器。該型節流器運用活塞坐封，并安裝有新型防砂篩管，能夠有效防砂；肖述琴、于志剛等[6]設計了1種壓縮卡瓦式井下節流器中心桿，并使其膠筒回縮的新型打撈工具，減少了節流器打撈時間，降低了操作成本；段寶玉、張桂迎等[7]研制了新型活動式井下節流器，這種節流器不僅擁有精準定位、穩定耐用的特征，還解決了老式節流器打撈操作復雜的弊端；蔣發光、梁政等[8]對井下節流器的膠筒系統進行了有限元分析，確定了膠筒膨脹端口部厚度、膠筒與錐套之間的配合夾角等相關參數；李國強、張躍等[9]設計了井下可調節防砂節流器模型，利用地面壓力系統來實現地下氣嘴大小的自動調節功能；段寶玉、劉力軍等[10]研制了天然氣井免鋼絲投撈井下節流器及其配套工具，這種井下節流器體積小、質量輕，投撈時不用試井車，使用方法簡便，減少節流器作業成本，也增加了采氣工作效率；申鑫、吳孟人等[11]設計了1種新型可調式井下節流器，它利用氣嘴的切換來實現氣井配產與試井等切換工作制度；練章華、滕汶江等[12]研制了1種新型活動式井下節流器，具有長度短、投撈可靠、密封良好、使用壽命長等特點，實際作業效果顯著，采氣過程穩定安全；趙乃鵬、占賽等[13]研發了氣井可調式井下節流器，減少了神木氣田中節流器投撈次數，有效降低勞動強度及作業風險。也降低了氣田的管理成本；尉曉文、王敏等[14]提出，對于氣井井筒已經出現積液的情況，就必須把節流器打撈出井，進而才能選擇有效的排液生產手段，這樣才能讓氣井的產能穩步提升；王惠、惠徐寧等[15]研制了鎖芯式井下節流器，這種節流器具有投撈穩定、坐封準確、密封良好的優點，根據現場數據，其1次打撈成功率高達90%；朱磊、王慧武等[16]設計了預置式全通徑氣嘴可退式節流器及其配套工具，對氣嘴的內徑和最小下入深度進行了計算。

總體來說，固定型井下節流器適用于新投產的氣井，而對于已經投入生產作業一段時間的老井；活動型井下節流器的應用則更加廣泛。經過對比不難

看出，相比于固定型井下節流器，活動型井下節流器操作更加簡便快捷、成本更低、使用范圍更廣。

3 智能井下節流器

隨著智能完井技術與智慧油田理念的發展[17]，在井下節流工藝的運用過程中，傳統節流工藝技術由于受到諸多條件的限制而劣勢明顯。機械式的節流工藝不具備實時讀出井下壓力、溫度等井下生產參數的能力，不能實施監督井下生產狀態，也無法在第一時間掌握井下的安全狀況，更無法根據井下復雜情況自動改變節流器工作方式，這就給氣井的生產帶來很多不便；傳統井下節流器不能及時自動改變節流嘴徑的尺寸，需進行此操作時，必須先關井，再使用繩索將節流器打撈出井，才能根據所要達到的不同等級的節流功能，由地面工作人員手動安裝不同嘴徑大小的節流嘴，這樣無疑降低了生產效率，增大節流器損壞的風險，也縮短了節流器的使用壽命。

智能完井的井下節流器能夠測量儲層的壓力、溫度、流量等基本參數，在分析后發出下一步指令，在得到指令后，井筒內的執行裝置開始運作，從而達到優化生產的效果[3]。應用智能完井技術可使油藏采收率提高10%[18]，這也推進了固定型井下節流器在新領域的應用。

何明格、林麗君等[19]開發了1套井下智能節流及智能節流器系統，如圖6所示。該系統的節流嘴和節流閥座采用錐閥配合的形式，能夠實現對井下信號實時動態監測和對井下節流器遠程實時控制，也驗證了井下智能節流方式是切實可行的。

圖6 智能井下節流器結構示意圖

隨著智能井下節流器的逐步應用，其不足也開始顯露。目前的智能井下節流器無法根據井下復雜情況變化及時自適應改變節流嘴徑大小，且節流嘴徑的變化自由度不高。部分智能節流器仍屬于半機械控制，無法實現數字化的遠程操控，在井下高溫高壓環境中經常出現智能系統故障等問題，還需在后續的研發工作中進一步優化。

4 發展建議

天然氣井井下節流技術在油氣田已經被廣泛使用，但是，目前的井下節流器在油田生產中還有一些難題尚未覓得解決方法。在日后的研究工作中需要重點關注以下方面：

1) 當前井下節流器的智能化和數字化還遠遠不夠，需要進一步開發能利用人工智能技術，實現遠程精準控制，自動改變油嘴尺寸的高度智能化井下節流器；同時，新型的智能節流器還需要具備將井下溫度、壓力的數據等實時傳遞回地面的能力，使地面工作人員能夠及時掌握井下復雜情況變化，便于調整節流器工作狀態，也能夠對智能節流器的工作效果進行及時監測。

2) 目前的井下節流器在投放的過程中，其坐封機構為機械式，易引起節流器誤坐封。新一代的智能井下節流器需要利用人工智能技術，根據井下溫度壓力變化，準確判斷坐封位置，達到遠程精準控制節流器坐封的目的。

3) 在人工智能產品發展的歷程中，可能會存在因靈敏度過高造成的困擾。因此，智能化井下節流器在根據不同井況改變節流嘴大小時，需要設定1個“變化區間”，只有當井下情況的變化超出這個“變化區間”時，節流器的節流嘴才會自動做出相應的調整。避免井況稍有變化時，節流器的節流嘴徑就隨即發生變化。

5 結論

1) 固定型井下節流器能夠承受較高的壓差，有良好的密封效果，坐放、投撈易于操作，工作穩定，適合于具有高節流壓差的新井。但無法自由打撈和投放，更不能及時更換不同直徑的節流嘴，在井下復雜情況中的應用受到相當程度的限制。在智能完井領域，固定型井下節流器將有更廣闊的發展空間。

2) 活動型井下節流器能夠被投放到井筒的內任意深度，投撈操作簡便，適用于開采一段時間的老井。然而其在坐封時經常出現誤坐封的情況，更換節流嘴時也必須將節流器打撈出井，使其使用壽命減少。但是，活動型井下節流器為智能井下節流器提供了發展方向。

3) 智能井下節流器能夠監測并反饋井下重要參數，根據地面控制信號指令執行節流操作，但是存在智能化程度不高，無法實時改變節流嘴徑大小等問題，在未來的發展中，還有待進一步提高。