孫 明，管虹翔

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

1 概述

隨著海上油氣田的開(kāi)發(fā)，海上天然氣生產(chǎn)油田逐漸增多，截止到2019年底，海上天然氣產(chǎn)量已超過(guò)到了海上油氣田產(chǎn)能的40%，并且隨著越來(lái)越多的海上大型天然氣田的逐漸投入開(kāi)發(fā)，天然氣產(chǎn)量在我國(guó)海上能源總產(chǎn)量中占的比例會(huì)逐年增多。

對(duì)于海上天然氣田，由于各氣源之間沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)，調(diào)峰能力弱，并且開(kāi)發(fā)投資高，天然氣井在穩(wěn)產(chǎn)期與產(chǎn)量遞減后期的產(chǎn)量往往存在巨大的差異，加大了油管尺寸的選擇難度。氣井的油管選擇，需要綜合考慮流程所需要的井口壓力、油管的沖蝕、生產(chǎn)后期攜液等因素，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行大量的計(jì)算及煩瑣的方案比較。同時(shí)，天然氣的體積、密度遵循氣體狀態(tài)方程，需要考慮壓力、溫度、水氣比的影響，其計(jì)算是煩瑣而復(fù)雜的。

《海上油氣田完井手冊(cè)》中的油管選擇圖表中僅考慮磨阻因素給出了不同油管適用的最大產(chǎn)液量與最大產(chǎn)氣量，對(duì)于氣井，因?yàn)樘烊粴獾目蓧嚎s性，其體積受壓力與溫度影響，因此不考慮壓力與溫度因素籠統(tǒng)地講最大產(chǎn)量是不科學(xué)的。

天然氣井的計(jì)算過(guò)程中，沖蝕因素影響的是氣井生產(chǎn)的最高產(chǎn)量，攜液因素影響的是氣井穩(wěn)定生產(chǎn)的最低產(chǎn)量。因此，本文在考率天然氣狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮沖蝕與攜液工況，繪制了海上天然氣井油管尺寸選擇速查圖版，以簡(jiǎn)化天然氣井的油管選擇計(jì)算，為天然氣田的快速評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)。

2 氣井油管適用的最大與最小產(chǎn)量

2.1 氣體狀態(tài)方程

由于氣體的可壓縮性，天然氣生產(chǎn)井沿井筒剖面各處其壓力、密度、流速是不相同的，增加了天然氣井計(jì)算的難度。天然氣的壓縮特性遵循氣體狀態(tài)方程，因此氣體狀態(tài)方程是天然氣井計(jì)算的基礎(chǔ)方程，其表達(dá)式為：

式中：

p1為標(biāo)況下的壓力，近似為0.1MPa；

V1為標(biāo)況下的氣體體積，m3；

T1為標(biāo)況下的大氣溫度，近似291K；

Z1為標(biāo)況下的天然氣壓縮因子，無(wú)量綱；

p2為計(jì)算工況下的壓力，MPa；

V2為計(jì)算工況下的氣體體積，m3；

T2為計(jì)算工況下的大氣溫度，K；

Z2為計(jì)算工況下的天然氣壓縮因子，無(wú)量綱；

n為物質(zhì)的量，mol；

R為氣體常數(shù)，為8.31J/（mol·K）。利用氣體狀態(tài)方程，可以根據(jù)標(biāo)況下的井口產(chǎn)氣量計(jì)算天然氣在不同工況下的體積與密度。

2.2 氣井油管適用最大產(chǎn)量計(jì)算

沖蝕流速是油管安全性的一個(gè)重要因素。對(duì)于天然氣井油管來(lái)講，其最大產(chǎn)量主要受制約于沖蝕，因此達(dá)到?jīng)_蝕臨界的產(chǎn)量也就是氣井油管所能適用的最大產(chǎn)量，沖蝕流速計(jì)算公式如下：

式中：

Ve為沖蝕流速，m/s；

ρho為流體混合密度，kg/m3；

K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，碳鋼推薦100，防腐管材可放寬至不超過(guò)200。

從式（2）可以看出，氣井的沖蝕流速僅與井筒流體的密度有關(guān)，流體的密度越大，所允許的流速越低。而天然氣井的井流物密度，與其所處位置壓力、溫度、水氣比均有關(guān)系，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，考慮氣井產(chǎn)水量后，氣井油管適用最大產(chǎn)量公式為：

式中：

ρgs為標(biāo)準(zhǔn)工況下天然氣密度，kg/m3；

ρl為地層水密度，kg/m3；

f為水氣比，m3/m3；

Qmax為氣井油管適用最大產(chǎn)氣量，m3/d；

r為油管內(nèi)徑，m。

2.3 氣井油管適用最小產(chǎn)量計(jì)算

隨著氣井產(chǎn)氣量的降低，氣井油管中氣體流速逐漸降低，隨之會(huì)發(fā)生積液現(xiàn)象，導(dǎo)致氣井因積液而停產(chǎn)。因此，氣井油管適用的最小產(chǎn)量要能夠滿(mǎn)足氣井的攜液需求，保證氣井不發(fā)生積液。

當(dāng)氣產(chǎn)量較低時(shí)，氣相流速不能使井筒中液體連續(xù)流出井口時(shí)，氣井中將出現(xiàn)積液，此時(shí)氣體的最低流速稱(chēng)氣井臨界攜液流速，對(duì)應(yīng)的流量稱(chēng)為氣井臨界攜液流量。

氣井?dāng)y液的理論基礎(chǔ)是液滴在流動(dòng)天然氣中的懸浮與受力，目前臨界攜液流速計(jì)算方法有很多，本文選用李閩模型進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

式中，

σ為界面張力N/m。

利用氣體狀態(tài)方程，可以根據(jù)標(biāo)況下的井口產(chǎn)氣量計(jì)算天然氣在不同工況下的密度，將其帶入公式，可得到氣井油管適用最小產(chǎn)量公式：

式中：

Qmin為氣井油管適用最小產(chǎn)氣量，m3/d；

ρg為計(jì)算工況下天然氣密度，kg/m3。

3 速查圖版的建立

利用公式（3）與公式（5）進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)一定的水氣比與溫度將曲線(xiàn)繪制在一張圖上，就可得到氣井油管尺寸速查圖版。如圖1～圖3所示。

4 速查圖版的應(yīng)用案例

海上油田某天然氣田某井，單井產(chǎn)氣量在2×104～70×104m3/d，井底壓力在5.246.7MPa，地層溫度133 ～142℃，水氣比0.00006m3/m3，該井產(chǎn)氣量及地層壓力變化范圍極大，油管尺寸選擇難度較大。利用傳統(tǒng)方法計(jì)算，需要建模綜合分析后方可做出選擇，工作量較大，而《海上油氣田完井手冊(cè)》中油管尺寸推薦表在該井這么大的變化范圍下，是無(wú)法進(jìn)行推薦的。

圖1 氣井油管尺寸速查圖版（K為100，氣水比10 000，溫度100℃）

圖2 氣井油管尺寸速查圖版（K為100，氣水比5 000，溫度100℃）

圖3 氣井油管尺寸速查圖版（K為150，氣水比10 000，溫度100℃）

因該為井組分含CO2，會(huì)選擇防腐管材，因此圖版選擇圖3所示圖版（K為150，氣水比10 000，溫度100℃）。

使用時(shí)，將配產(chǎn)中的逐年日產(chǎn)氣量、井底流壓繪制于圖版中（圖中紅色標(biāo)志點(diǎn)），從圖中可以看出滿(mǎn)足該井配產(chǎn)最低與最高產(chǎn)量的角度，推薦該井選用3-1/2”油管。

利用多相管流軟件進(jìn)行計(jì)算后，得到了該井的井口壓力數(shù)據(jù)，將其繪制于圖上（圖中黑色標(biāo)志點(diǎn)），可以看出經(jīng)過(guò)油管的摩擦降壓，在井口處因體積膨脹，選用2-7/8”油管在某些年份會(huì)發(fā)生沖蝕。而所選用的3-1/2”油管，在所有年份均在安全使用范圍以?xún)?nèi)，如圖4所示。

圖4 海上油田某氣井油管尺寸選擇案例

5 結(jié)論

1）因天然氣的可壓縮性，因此對(duì)于不同壓力系統(tǒng)下的氣井，應(yīng)考慮壓力對(duì)產(chǎn)量的影響。

2）天然氣井油管適用的最大與最小產(chǎn)氣量，均取決于實(shí)際流速，因此開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注流速的影響。

3）本文圖版是基于天然氣壓縮因子不變建立的，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，如需精確計(jì)算，可利用天然氣組分計(jì)算天然氣壓縮因子重新繪制圖版，增加精確性。

4）本文建立的氣井油管尺寸速查圖版，可以在給定條件下快速選擇氣井油管尺寸，可以用于天然氣井的初步設(shè)計(jì)。