周艦 王斌 譚苗

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

產(chǎn)水氣井在高壓、低溫條件下常發(fā)生水合物堵塞現(xiàn)象［1］，造成氣井不能連續(xù)穩(wěn)定排液，影響了氣井生產(chǎn)效果。現(xiàn)用注甲醇解堵工藝存在三大弊端：① 甲醇有毒，存在一定危害；② 甲醇用量大，總成本高；③ 注醇及廢水處理設(shè)備及配套設(shè)施投資大，難以滿足氣田低成本、綠色環(huán)保開發(fā)需求［2］。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，井下隔熱油管保溫工藝可有效提高井筒流體溫度［3-7］，從而實現(xiàn)防治水合物生成的目的，且該工藝避免了向井筒注入解防堵藥劑而傷害地層，滿足了綠色環(huán)保生產(chǎn)要求。因此，對井下隔熱油管保溫工藝開展研究與試驗，旨在探索出一種環(huán)保型水合物防治新方法。

1 井下隔熱保溫油管的研制

如圖1所示，研制的井下隔熱保溫油管主要由內(nèi)管、外管、隔熱介質(zhì)、隔熱襯套、密封圈、接箍等組成。內(nèi)、外管之間的隔熱介質(zhì)主要包括氬氣、玻璃纖維或者其他保溫材料，且密封環(huán)空內(nèi)充填吸氣劑對污染氣體進行清潔以長期保持良好的隔熱性能。

圖1 井下隔熱油管結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)管在常溫下處于拉伸狀態(tài)，當溫度逐漸升高，拉應力減小，內(nèi)管由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，內(nèi)管的預伸長降低了受熱伸長后的壓應力以保證其正常工作。相鄰兩個保溫油管管節(jié)的內(nèi)管通過隔熱襯套連通。隔熱襯套的安裝端和連接端均為錐形結(jié)構(gòu)，安裝端插裝在內(nèi)管中并通過高強度粘接劑粘合，保證連接強度及隔熱性能。內(nèi)管的兩端設(shè)有擴口結(jié)構(gòu)并通過擴口結(jié)構(gòu)固定連接在外管的內(nèi)壁上，襯套的錐形結(jié)構(gòu)插裝在擴口結(jié)構(gòu)中進行固定。

相鄰兩個保溫油管管節(jié)的外管通過接箍連接。接箍是進行保溫油管間帶偏梯形螺紋的部件，保證管柱抗拉性能要求，有效解決保溫油管管節(jié)間的連接處易產(chǎn)生疲勞斷裂的問題。接箍裝配在外管上，采用的轉(zhuǎn)動連接方式。接箍的內(nèi)壁靠近接頭的位置處設(shè)有密封圈，保證外管連接后的外管之間的密封性能。內(nèi)管、外管、接箍以及隔熱襯套的接觸面之間均通過高強度的粘接劑粘合，用來提升連接處的隔熱性能。表1是已經(jīng)研制出的各種規(guī)格油管的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，可以滿足不同尺寸管柱生產(chǎn)需要。

表1 井下隔熱油管技術(shù)參數(shù)表

2 井筒流體溫度影響因素分析

對于某口產(chǎn)水氣井，在其他生產(chǎn)條件不變的情況下，井下隔熱油管井筒流體溫度的主要影響因素是隔熱油管下入深度和導熱系數(shù)。因此，以東勝氣田X氣井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表2）為依據(jù)，分別對井下隔熱油管下入深度和不同隔熱材料的油管導熱系數(shù)進行敏感性分析，對隔熱油管的應用進行試驗研究。

表2 東勝氣田X氣井基本參數(shù)表

2.1 導熱系數(shù)

假設(shè)氣井井下隔熱油管下入深度為1 500 m，計算隔熱油管導熱系數(shù)分別為0.08 W／（m·℃）、0.06 W／（m·℃）、0.04 W／（m·℃）、0.02 W／（m·℃）和0.006 W／（m·℃）條件下井筒流體溫度分布剖面，并與普通油管井筒流體溫度分布剖面進行對比，結(jié)果見圖2所示。氣井安裝井下隔熱油管后井筒流體保溫效果明顯，平均井口溫度升高30℃左右；且隔熱油管導熱系數(shù)越小，井筒熱損失越小，井口溫度越高，但不同導熱系數(shù)間差別不大。

圖2 不同導熱系數(shù)下井筒流體溫度變化曲線圖

2.2 下入深度

假設(shè)氣井井下隔熱油管導熱系數(shù)為0.006W／（m·℃），計算隔熱油管下入深度分別為500 m、800 m、1 000 m、1 200 m和1 500 m條件下井筒流體溫度分布剖面，結(jié)果見圖3所示。隔熱油管下入深度越大，井筒熱損失越小，井口溫度越高。隔熱油管下到1 500 m處比下到500 m處所獲得的井口流體溫度提高近20℃。

圖3 不同下入深度時井筒流體溫度變化曲線圖

3 現(xiàn)場試驗及保溫效果分析

3.1 試驗井基本情況

東勝氣田Y井是一口開發(fā)水平井，造斜點為2721 m，A點深度為3 200 m，水平段長度為800 m。該井采用裸眼完井，壓裂方式為多級管外封隔器分7段壓裂，目前管柱結(jié)構(gòu)自下而上分別為：回接插頭0.3 m、變扣0.13 m、外徑88.9 mm油管2 964.6 m、外徑88.9 mm油管短節(jié)0.52 m、油管掛0.39 m、大四通0.6 m?；亟庸苌疃葹? 965.34 m。

Y井于2015年11月27日采用6 mm油嘴控制一點法求產(chǎn)，在井口油壓（此時為試氣階段高壓放空點火油壓）為16.5 MPa、地層中部（垂深3057.83 m）流壓和流溫分別為23.980 MPa和95.085℃的條件下，日均穩(wěn)定產(chǎn)氣4.673 5×104m3、產(chǎn)水16.7 m3，無凝析油產(chǎn)出，計算無阻流量為27.824 5×104m3／d。

3.2 隔熱油管參數(shù)設(shè)計

1）尺寸選擇

根據(jù)氣井臨界攜液模型［8-9］，計算Y井不同管柱尺寸下的臨界攜液氣流量（表3）。Y井試氣階段油壓為16.5 MPa，外徑88.9 mm油管所需要的臨界攜液氣流量為4.6×104m3／d左右，接近實際穩(wěn)定產(chǎn)氣量46 735 m3／d，處于臨界攜液氣流量的邊界。隨著地層壓力逐漸衰竭，氣井產(chǎn)氣量不斷下降，一旦產(chǎn)氣量低于臨界攜液氣流量時，井筒存在積液風險，會影響氣井正常生產(chǎn)。因此，考慮氣井3年穩(wěn)產(chǎn)期，從表3中優(yōu)選出外管外徑88.9 mm（內(nèi)管內(nèi)徑50.7 mm）的隔熱油管作為生產(chǎn)油管，對應的臨界攜液氣流量降為2.05×104m3／d，可以滿足連續(xù)排液穩(wěn)定生產(chǎn)要求。

表3 不同管徑管柱臨界攜液流量表104m3·d-1

2）下入深度及隔熱等級選擇

東勝氣田冬季氣井井口最低溫度為-10℃左右，根據(jù)Y井不同壓力條件下水合物生成壓力／溫度關(guān)系（表4），當井口油壓為3.5 MPa（低壓集輸進站生產(chǎn)階段），要保證井口不生成水合物，井口溫度必須要達到14℃左右，即下入隔熱油管后，至少要保證井口溫度增加24℃左右，才能確保該井冬季井口不生成水合物。

圖4以Y井基本參數(shù)為依據(jù)，分別預測了不同隔熱油管下入深度和不同導熱系數(shù)條件下的井口流體溫度增加值。增加隔熱油管下入深度，降低隔熱油管導熱系數(shù)，井口流體升溫效果越明顯。因此考慮生產(chǎn)成本和工藝升溫效果，確定隔熱油管下入深度為1 200 m，導熱系數(shù)為0.006 W／（m·℃）（E級），能夠保證井口溫度增加近30℃，可滿足全井筒水合物防治要求。

表4 不同流體壓力條件下水合物生成溫度表

圖4 隔熱油管不同下入深度和導熱系數(shù)時井口流體溫度變化圖

3）隔熱油管管柱強度校核

按Y井生產(chǎn)油管最大下入深度為氣層中深上部50 m處，即3 150 m的位置，選擇生產(chǎn)管柱自上而下為外徑88.9 mm隔熱油管（1 200 m）和外徑60.3 mm普通油管（1 950 m）的組合。通過計算全井筒各管柱段受力情況（表5）和對比不同材質(zhì)管柱性能參數(shù)（表6），確定N80隔熱油管（外徑88.9 mm／內(nèi)徑50.7 mm）和N80普通油管（外徑60.3 mm）的管柱組合能夠滿足抗拉強度要求。

表5 Y井不同井段管柱受力參數(shù)表

表6 管柱性能參數(shù)表

3.3 試驗效果

Y井于2016年11月15-16日順利完成隔熱油管下入作業(yè)，井筒管柱自下而上依次為：外徑60.3 mm油管接箍（內(nèi)帶十字叉）0.12 m、外徑60.3 mm普通油管1949.78m、外徑88.9 mm隔熱油管1196.52m、雙公短節(jié)0.19 m、油管掛0.24 m、大四通0.6 m，接箍深度為3 146.25 m。

為了評價井下隔熱油管保溫效果，Y井分別于2016年11月9日（隔熱油管安裝前）和2016年12月30日（隔熱油管安裝后1個月左右）進行了流溫測試，其結(jié)果如圖5所示。Y井安裝隔熱油管前，井口流體溫度為9.34℃，低于水合物生成溫度13.43℃，井口生成水合物而造成氣井堵塞。Y井安裝隔熱油管后，井口流體溫度由之前的9.34℃提高至39.11℃，溫度增加了29.77℃，且井口溫度遠高于水合物生成溫度，氣井從未發(fā)生水合物堵塞現(xiàn)象，實現(xiàn)了氣井穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖5 Y井隔熱油管安裝前、后井筒流體溫度測試值對比圖

4 結(jié)論

1）針對產(chǎn)水氣井在高壓、低溫條件下易生成水合物而堵塞井筒和采氣管線的情況，研制出一種井下隔熱保溫油管，減少了地層能量沿井筒熱損失，可有效提高井口流體溫度，實現(xiàn)了防治水合物生成的目的，同時井下隔熱保溫油管與常規(guī)油管配合使用，可在一定程度上降低采氣成本。

2）對隔熱保溫油管的敏感性分析表明，井下隔熱保溫油管下入深度越大、導熱系數(shù)越小，井筒保溫效果越好，且井下隔熱油管下入深度對井筒溫度的影響要遠大于其導熱系數(shù)，為其應用提供了理論支撐。

3）對Y井進行現(xiàn)場隔熱油管保溫效果試驗，井口流體溫度由之前的9.34℃提高至39.11℃，升溫效果明顯，且有效防治水合物生成，為產(chǎn)水氣井提供了一種環(huán)保型水合物防治新方法。