超高壓氣井節流技術的探索與實踐

杜志勇，王劍飛，李 龍

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，遼寧盤錦 124000）

0 引言

通過給節流后的天然氣加熱，可以減少水合物生成，提高氣體的純度。但是壓差有時也會損壞節流部件，減弱地面節流工作效果，增加工作人員的工作任務和工作強度。另外，低壓設備會出現爆炸情況，大大增大了地面節流的風險。地面節流裝置需要操作人員動手去操作調節，一旦出現意外狀況將會對操作人員造成一定傷害，再加上超高壓井地面施工困難重重，這給施工人員帶來很大的壓力。

井下裝設節流設備，可以取代地面節流措施，降低井筒節流的氣壓，地溫也有加熱的作用。氣井節流技術運用給到井下的優點較多，可以讓施工作業變得更簡便，減少建設成本，節約超高氣井勘察生產成本，而且操作人員通過設備檢測來控制井下節流設備，有利于保障其人身安全，減少社會矛盾。因此，氣井節流技術值得在井下應用。

1 超高壓的影響

在地面，翼型的油腔模塊和連接管的組合在生產過程和壓力可以通過管道識別，當地下安全閥發生故障并且無法控制時，應通過井管壓井及時處理。天然氣溫度、壓力和流量防水套等，管道設計，壓力管道設計通常約10 MPa，高壓部分經常超過30 MPa，因此保障井口的下游工藝和自控設備的安全運行尤為重要。

1.1 對井下節流器的影響

超高氣壓導致井下節流氣壓差變大（80～100 MPa），而當前節流器的最大節流氣壓差是70 MPa，無法滿足節流需求。超高壓超過節流器的承載范圍時，就會對節流器造成破壞，甚至影響氣井的勘探與開發。

超高壓氣井內氣壓的壓差一般保持在10～20 MPa，可避免氣壓變化太大導致膠桶發生變化。井口會被操作人員開啟和關閉，這個過程中節流器上游壓力與下游壓力會產生變化，頻率的開啟與關閉操作會讓膠桶承受氣壓能力變弱，節流器不能正常工作。超高壓氣井內氣壓的幅度變化更會對節流器和膠桶的正常使用產生不良影響。

臨界流動、亞臨界流動是節流器氣體流動主要表現形式，操作工人需要精確區分氣體流動的兩種類型，通常情況下通過觀察入口壓力與出口壓力的比值來區分氣體流動類型。在初期，采氣時地面使用中低壓集氣管線，初期壓力高，氣井節流后的壓差又比較大，這是臨界流動。其他情況就是亞臨界流動。

有一種依靠彈簧力來發揮預密封作用的瓦式節流器。它在井口開啟后形成上游與下游壓差，才可以充分發揮二次密封作用。卡瓦式井下節流器口徑大小要合理，配合使用的彈簧直徑大小要符合配件的大小，外直徑小大也要符合規范。彈簧使用鋼絲材料，彈簧總體長度為115 mm，總圈數為13。彈簧強度提高，會改善節流器密封效果，減少節流失效情況。

1.2 對井筒的影響

（1）高壓狀態下鉆井，井筒會返出固態顆粒，沖蝕鉆井設備。

（2）在高溫高壓的不同階段，井筒的溫度變化也比較大，油管可能會變形，水合物形成也會遇到元素變化的困難。

（3）套管的安全性受到挑戰，井下工具的壽命也會相應縮短。

1.3 對工作人員的影響

（1）鉆井時需要工作人員下井勞作、操作設備，而在超高壓會使人體內的激素不穩定，身體出現不適狀態。

（2）節流件受高壓的侵蝕影響，閥門密封部件的性能會變差，導致工人井控工作難度增加。

（3）天然氣容易出現泄爆事故，給人們的生命安全造成威脅。

2 創新節流模型設計

（1）改造節流壓降模型。超高壓氣井節流需要建立壓降模型，通過科學的計算來降低氣壓，便于后期節流工作的正常展開。臨界流和亞臨界流的數據要做好實時統計：處于臨界電流時，氣井產量不會因為油嘴下游壓力變化而變化，節流前后壓力比小于0。

（2）設計節流溫降模型。操作人員需要詳細記錄超高壓氣井節流前后氣體的流速、單位質量氣體的位置、氣體隨周圍環境變化的熱交換情況、氣體所做的軸功情況和重力加速度等細節。根據實際情況，構造節流溫降模型。

3 節流技術應用

3.1 利用疊式氣動膜片式執行器技術

疊式氣動膜片執行器配合節流器，增加井內以及外環境技術設備控制系統的安全。利用這種技術排放的氣體，不會污染環境，這也是液壓驅動做不到和無法超越的。這種技術可以提高氣井的安全性，為節流提供的有力支持。

3.2 利用串聯與關聯控制技術

超高壓節流的順利進行離不開井口安全的保障。科學使用關聯選擇閥，利用串聯與關聯控制技術，獨立每套井口地面安全控制系統，節流與其他設備的正常運轉息息相關，操作工人便能一目了然地掌握氣井的運行情況，節流效果也可以正常維持。

3.3 多級設置傳感器組

組合安裝的傳感器通常有兩組，高壓傳感器與低壓傳感器有自己的固定安裝位置。壓力的設定值在不同級別的節流后，有細微差別，操作人員需要做好記錄與執行。一般情況下，三級節流后高壓設定為28.50 MPa，低壓值設定為24.50 MPa；五級節流閥后高壓值為8.50 MPa，低壓值為6.30 MPa。傳感器取壓口連接尺寸也有規定，一般可設置為Φ12.7 mm（NPTF）。

3.4 調整油嘴尺寸的技術

節流壓降隨兩個節流噴嘴的尺寸組合而變化。當第一級節流閥噴嘴尺寸大于第二級節流閥噴嘴尺寸時，第一級節流閥噴嘴仍在節流，不受影響。第一節流閥壓差隨第一節流閥噴嘴尺寸的增大而減小。在第一節流口尺寸不變的情況下，第二節流口由5 mm 減小到3 mm，第一節流口的壓差受影響較小，保持在9 MPa。當第一級和第二級節流閥噴嘴尺寸均為5 mm 時，采用“下小上大”的節流閥方案。壓降的比第一階段和第二階段的節流接近1∶1，可以確保第一階段的長期有效性，油門和小直徑節流噴嘴的位置可以保證氣井順利通過第二階段與大直徑節流噴嘴。當一級節流閥的噴嘴尺寸比第二級節流閥的噴嘴尺寸大1 mm 時，一級節流閥的壓差與節流閥總壓降之比隨著產氣量的降低從30%減小到22%。當產量繼續下降時，第二級節流閥將無法成為第一級節流閥。

地下安裝的兩個節流噴嘴均具有節流作用，“下小上大”的雙節流方案，兩級節流壓降比為1∶1，可以保證氣體通過上噴嘴，節流后水合物經過節流噴嘴，溫度產生的壓力低于節流后的溫度。為了達到這一目的，應合理設計兩級節流噴嘴的間距。

3.5 利用智能控制技術

石油工業中應用智能化控制技術是很有必要的。由于操作員工不能接近高壓區，所以應進行遠程操作，以便于檢測節流情況、調整裝置數據。節流器與智能技術的完美配合，不僅能夠實現各級節流的精確控壓，有利于實現節流的目標，還可以保障員工的安全。

3.6 有效利用低溫凍結的加熱技術

在開井初期井溫通常比較低，可以設置蒸汽伴熱車進行保溫伴熱工作，但在后期會導致有更多水合物出現。由于水合物會阻塞氣體管道，影響節流工作，因此必需合理利用加熱技術。例如，可以在四級節流閥后安裝水套加熱爐。

3.7 優選井下節流采氣工藝

為確定產氣井最佳采氣工藝，操作人員要分析不同的采氣方式，做到特殊問題特殊對待。超高壓氣井采氣方法運用一定要科學細心，不僅要選擇優良的工藝，還要在開采氣井周圍以及井況條件做好實地調研工作，排除環境中的敏感因素，減少甚至去除它們對節流工作的不利影響。

在開發過程中，應注意氣井采出液的性質、動態參數、出砂、結垢等條件。目前有7 套技術可供選擇，如管柱、游梁抽油機、氣舉、泡沫、活塞氣舉、電潛泵、噴射泵等。其中，管柱抽氣采氣工藝、柱塞氣舉抽氣采氣工藝、泡沫抽氣采氣工藝、抽氣與氣泡抽氣相結合抽氣采氣工藝、合理攜液生產系統抽氣采氣工藝、井口加壓和氣泡抽放聯合采氣工藝等，都適用于超高壓氣井節流采氣工藝。作業者需要分析每個工藝的特點和氣井的特點，以確定最佳工藝。

當前許多氣井已經在井下安裝了節流器，并采用泡沫抽采技術，對氣井進行節流和抽氣。當發泡劑比例為1∶10 時，氣井產氣量和油套管壓力變化不大，日產氣量為0.59×104m3。當發泡劑比例為1∶5 時，氣井套管壓力會上升，最終達到2 MPa。實踐表明，采用泡沫抽采法可使日氣量增加1000 m3左右。

4 結束語

人們現在的生活與工作也越來越依賴氣井開采出的天然氣的使用，因此對于氣井的勘測與開采工作會只增不減。超高壓氣井已經成為一種趨勢，如何更好地利用氣井提供的環保資源，增加氣體的儲存就顯得極其重要。

超高壓的環境對于勘測、員工入井開采都會產生一定的影響，也會阻礙氣井的節流工作，所以井下如何節流、采用先進的技術就顯得非常關鍵。

超高壓氣井可節流能夠簡化地面流程，降低投資，“下小上大”雙級節流技術不僅可以使氣井流量順利傳輸，還可以減少操作工人的工作困難。盡管我國在超高壓氣井節流方面的工作已經取得了不錯成果，也可以借鑒西方的節流技術，運用不同的方法和步驟增加對氣井的綜合利用方式，提高開采效果。