劉 凱，王玉斌，方惠軍，張曉明，劉中桂，馬 勇

(1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710068)

(2.北京金科龍石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 102200)

井下節(jié)流器的工程學(xué)價(jià)值是，在位于含氣地層和不含氣地層之間的采氣套管上布置一個(gè)頸縮裝置，保持產(chǎn)氣地層管道與回采系統(tǒng)之間的壓力差，確保天然氣排出過程的穩(wěn)定性和安全性。部分節(jié)流器設(shè)計(jì)為膨脹裝置，可以讓節(jié)流器與井壁形成密閉連接，以增加天然氣的產(chǎn)出效率[1]。

因?yàn)榈刭|(zhì)條件的不同，即便采氣套管內(nèi)通徑均采用59 mm，選用的節(jié)流器節(jié)嘴直徑也有所不同，一般在2～4 mm[2]。本文在仿真環(huán)境下，設(shè)定節(jié)嘴長(zhǎng)度為220 mm，研究不同的節(jié)嘴直徑、鉆孔深度、天然氣產(chǎn)出壓力、巖層溫度等地質(zhì)條件下節(jié)流器的工作狀態(tài)，以尋求在節(jié)流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中的技術(shù)突破途徑。

1 仿真環(huán)境及地質(zhì)條件設(shè)定

在MATLAB下加載SimuWorks組件設(shè)定仿真環(huán)境，設(shè)定開采模式為陸上天然氣開采，井深800～2 800 m，井筒直徑80 mm，采氣套管外徑73 mm，采氣套管內(nèi)通徑59 mm，井筒角度0°～26°。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)天然氣實(shí)地開采過程的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)[3-5]，設(shè)定巖層溫度為80～220 ℃，天然氣涌出量為每天15 000～38 000 m3，井壓為16～27 MPa。

參照相關(guān)文獻(xiàn)的研究路徑，將仿真分析分為3個(gè)階段[6-9]：

第一階段，仿真環(huán)境下，研究不同井壓、溫度條件下，不同節(jié)流器節(jié)嘴直徑與天然氣產(chǎn)出壓力和節(jié)流器內(nèi)外溫差的影響關(guān)系。

第二階段，仿真環(huán)境下，研究不同的井深與井筒角度與天然氣產(chǎn)出壓力和節(jié)流器內(nèi)外溫差的影響關(guān)系。

第三階段，分析節(jié)流器節(jié)嘴直徑對(duì)應(yīng)的相關(guān)性能曲線的外部影響規(guī)律，分析實(shí)際天然氣開采過程中節(jié)流器的選型依據(jù)。

2 節(jié)流器節(jié)嘴直徑對(duì)節(jié)流器兩側(cè)壓力、溫度的特征曲線仿真研究

2.1 節(jié)嘴直徑與節(jié)流器兩側(cè)壓力的關(guān)聯(lián)仿真分析

節(jié)流器的核心作用是通過細(xì)孔的減壓作用，使節(jié)流器外側(cè)壓力顯著低于內(nèi)側(cè)，使外部天然氣開采系統(tǒng)可以使用較低的壓力，一方面降低開采設(shè)備的采購(gòu)、安裝、維護(hù)成本，另一方面提升天然氣開采過程中的安全性、可靠性，且在地質(zhì)條件發(fā)生改變時(shí)，確保天然氣產(chǎn)量能穩(wěn)定在一定區(qū)間內(nèi)。常規(guī)的天然氣開采過程中，開采設(shè)備的額定壓力一般小于3.0 MPa，壓力過高會(huì)給開采設(shè)備帶來負(fù)擔(dān)，而壓力過低會(huì)影響到天然氣的產(chǎn)量。在前文所述的天然氣開采仿真環(huán)境中測(cè)得不同的節(jié)流器節(jié)嘴直徑和不同的地層天然氣產(chǎn)出壓力條件下的回采系統(tǒng)壓力，如圖1所示。

圖1 節(jié)嘴直徑與回采系統(tǒng)壓力的關(guān)聯(lián)仿真分析結(jié)果

由圖可知，隨著節(jié)嘴直徑增加，井口回采系統(tǒng)壓力顯著增加。當(dāng)?shù)貙訅毫?7 MPa且節(jié)嘴直徑大于3.6 mm時(shí)，其回采系統(tǒng)壓力突破3.0 MPa，其余天然氣產(chǎn)出壓力條件下，雖然在節(jié)流器節(jié)嘴直徑在2.0～4.0 mm條件下回采系統(tǒng)壓力均未突破3.0 MPa，但為了確保系統(tǒng)的安全冗余度，應(yīng)將產(chǎn)氣壓力控制在2.0 MPa以內(nèi)[10]，此時(shí)地層中天然氣產(chǎn)出壓力為16 MPa，節(jié)流器節(jié)嘴直徑可以在2.0～4.0 mm范圍內(nèi)安全選型，而其余天然氣產(chǎn)出壓力條件下，27 MPa時(shí)節(jié)嘴直徑應(yīng)不超過3.3 mm，23 MPa時(shí)節(jié)嘴直徑不應(yīng)超過3.6 mm，19 MPa時(shí)節(jié)嘴直徑不應(yīng)超過3.8 mm。

2.2 節(jié)嘴直徑與節(jié)流器內(nèi)外溫度的關(guān)聯(lián)仿真分析

受到熱力學(xué)第二定律減壓作用的影響，高溫高壓天然氣通過節(jié)流器實(shí)現(xiàn)減壓后，因?yàn)閴毫Υ蠓陆?，所以?huì)在節(jié)流器節(jié)嘴后端出現(xiàn)顯著降溫現(xiàn)象，由此會(huì)造成長(zhǎng)烴鏈析出凝結(jié)，嚴(yán)重時(shí)可能阻塞天然氣開采管道[11]。因此，本文對(duì)不同巖層溫度和不同節(jié)嘴直徑條件下形成的節(jié)流器降溫現(xiàn)象進(jìn)行分析，得到如圖2所示結(jié)果。

圖2 節(jié)嘴直徑與節(jié)流器節(jié)嘴外端溫度的關(guān)聯(lián)仿真分析結(jié)果

由圖可知，不同巖層溫度條件下，隨著節(jié)流器節(jié)嘴直徑下降，節(jié)流器節(jié)嘴外端溫度急劇下降。以-40 ℃為安全界限[12]，巖層溫度為80 ℃時(shí)節(jié)嘴直徑應(yīng)不小于2.3 mm，120 ℃時(shí)節(jié)嘴直徑不應(yīng)小于2.8 mm，170 ℃時(shí)節(jié)嘴直徑不應(yīng)小于3.2 mm，220 ℃時(shí)節(jié)嘴直徑不應(yīng)小于3.6 mm。

2.3 溫度壓力特征區(qū)間仿真控制結(jié)果

對(duì)天然氣地表開采壓力的控制目標(biāo)決定了節(jié)流器節(jié)嘴直徑的上限，對(duì)節(jié)流器外端溫度的控制目標(biāo)決定了節(jié)流器節(jié)嘴直徑的下限，由此可得不同天然氣產(chǎn)出壓力、巖層溫度影響下節(jié)流器節(jié)嘴直徑的實(shí)際選型區(qū)間，見表1。

表1 節(jié)流器節(jié)嘴直徑選型區(qū)間仿真結(jié)果表 單位：mm

表1中，單純考察天然氣產(chǎn)出壓力和地層溫度的影響，當(dāng)天然氣產(chǎn)出壓力達(dá)到23 MPa且?guī)r層溫度達(dá)到220 ℃時(shí)，其選型區(qū)間達(dá)到臨界值，此時(shí)僅可選擇3.6 mm的節(jié)流器節(jié)嘴直徑才可以滿足設(shè)計(jì)需求，而當(dāng)天然氣產(chǎn)出壓力達(dá)到27 MPa且?guī)r層溫度達(dá)到220 ℃時(shí)，兩個(gè)控制目標(biāo)給出的可用節(jié)嘴直徑并無交叉，此時(shí)需要采用其他設(shè)計(jì)方案，如多段式節(jié)流器或變孔徑節(jié)流器等，才可以滿足設(shè)計(jì)需求。

3 井筒深度及井筒角度對(duì)節(jié)流器特征曲線的影響

3.1 井筒深度對(duì)節(jié)流器特征曲線的影響

根據(jù)相關(guān)研究可知，隨著井筒深度增加，巖層溫度有所升高，一般每下降1 000 m，溫度增加20～40 ℃，但受到火山活動(dòng)、地下水運(yùn)動(dòng)、地表溫度等條件影響，該規(guī)律僅在同一井筒內(nèi)有效，不同井筒的溫度-深度關(guān)系差異性巨大，如該研究統(tǒng)計(jì)中涉及到的9個(gè)井筒，其巖層溫度-巖層深度變化趨勢(shì)如圖3所示。

因?yàn)閳D3并不考察具體井筒的巖層溫度-巖層深度關(guān)系，所以并未對(duì)具體井筒數(shù)據(jù)做出差別標(biāo)注。但由圖3可以看出，在低溫井筒中，巖層深度3 000 m以上時(shí)，其巖層溫度也沒有達(dá)到60 ℃，而部分高溫井筒，在巖層深度為500 m時(shí)巖層溫度已經(jīng)達(dá)到了80 ℃。

圖3 巖層溫度-巖層深度關(guān)系特征圖

由此可知，影響節(jié)流器選型的因素是鉆井過程中實(shí)測(cè)的產(chǎn)氣地層的巖層溫度，而井筒深度與巖層溫度無直接關(guān)聯(lián)，也不能作為節(jié)流器選型的依據(jù)。在節(jié)流器選型過程中應(yīng)具體問題具體分析，依據(jù)巖層溫度對(duì)節(jié)流器節(jié)嘴直徑進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

3.2 井筒角度對(duì)節(jié)流器特征曲線的影響

仿真環(huán)境中，實(shí)測(cè)井筒角度的區(qū)間為0°～26°，即實(shí)測(cè)水平井筒與緩傾斜井筒的實(shí)際地層溫度、天然氣產(chǎn)出壓力變化情況，如圖4所示。圖中R2為回歸關(guān)聯(lián)性指數(shù)，R2值越大，說明數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，當(dāng)R2>0.995時(shí)，認(rèn)為數(shù)據(jù)存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4 井筒角度與實(shí)際地層溫度、天然氣產(chǎn)出壓力變化情況關(guān)聯(lián)性分析

由圖可知，井筒深度為1 000 m，巖層溫度和完井時(shí)含天然氣巖層的天然氣產(chǎn)出壓力，與井筒角度統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系不顯著。如：巖層溫度與井筒角度的線性回歸結(jié)果呈現(xiàn)緩上升趨勢(shì)，但R2=0.327<0.995，遠(yuǎn)未達(dá)到顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)的閾值；天然氣產(chǎn)出壓力與井筒角度的線性回歸結(jié)果呈現(xiàn)緩下降趨勢(shì)，但R2=0.219<0.995，遠(yuǎn)未達(dá)到顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)的閾值。

在特定井筒條件下，隨著井筒深度增加，井筒溫度有增加趨勢(shì)，但綜合不同井筒的數(shù)據(jù)，該關(guān)系并不顯著，而在仿真分析中，井筒角度與巖層溫度、天然氣產(chǎn)出壓力之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系，同時(shí)也沒有邏輯關(guān)系，因此井筒角度也無法作為節(jié)流器節(jié)嘴直徑選型的依據(jù)。但在節(jié)流器固定方式等其他輔助功能機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，井筒角度對(duì)其最終工作性能有一定影響，因?yàn)閮H針對(duì)節(jié)嘴直徑的設(shè)計(jì)要素，所以可以斷定無需針對(duì)井筒角度對(duì)節(jié)流器節(jié)嘴直徑選型設(shè)定控制目標(biāo)，而應(yīng)對(duì)開采層天然氣產(chǎn)出壓力和開采層巖層溫度進(jìn)行重點(diǎn)選型控制。

4 天然氣節(jié)流器節(jié)嘴直徑的選型方案

4.1 天然氣產(chǎn)出壓力、巖層溫度與節(jié)流器節(jié)嘴直徑的關(guān)系

仿真分析結(jié)果顯示：1)天然氣產(chǎn)出壓力越高，節(jié)嘴直徑越小，且節(jié)嘴直徑越小帶來的壓力控制能力越強(qiáng)；2)巖層溫度越低，節(jié)嘴直徑越大，節(jié)嘴直徑過小會(huì)導(dǎo)致減壓效應(yīng)，在節(jié)流器后端帶來危害性較強(qiáng)的低溫環(huán)境，造成長(zhǎng)鏈烴類的凝結(jié)。實(shí)際選型中，通過天然氣產(chǎn)出壓力控制節(jié)嘴直徑的上限，通過巖層溫度控制節(jié)嘴直徑的下限，而相關(guān)文獻(xiàn)的選型方式表明，選擇該區(qū)間的中位數(shù)可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，節(jié)流器節(jié)嘴直徑選型結(jié)果見表2。

表2 節(jié)流器節(jié)嘴直徑選型結(jié)果表 單位：mm

由表可知，最終選型結(jié)果表現(xiàn)出的規(guī)律為，天然氣產(chǎn)出壓力越小，節(jié)嘴直徑選型結(jié)果越大，巖層溫度越高，節(jié)嘴直徑的最終選型結(jié)果越大。在仿真分析中也發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)氣巖層的天然氣產(chǎn)出壓力與巖層溫度直接影響節(jié)流器節(jié)嘴直徑選型。

4.2 其他因素對(duì)選型結(jié)果產(chǎn)生的影響

針對(duì)特定井筒，隨著井筒深度增加，巖層溫度不斷升高，但不同巖層的地質(zhì)條件導(dǎo)致其升溫幅度不同、升溫起點(diǎn)不同，部分特殊巖層中隨著井筒深度增加,巖層溫度還有局部下降的趨勢(shì)。而節(jié)流器節(jié)嘴直徑選型的直接因素是巖層溫度而非井筒深度。

經(jīng)綜合分析，井筒深度、巖層結(jié)構(gòu)、地下水活動(dòng)、火山巖侵入等因素都可能影響巖層溫度和天然氣產(chǎn)出壓力，但因?yàn)槠溆绊憴C(jī)制較為復(fù)雜，且是各種因素綜合產(chǎn)生的影響，所以并沒有通過這些因素指導(dǎo)節(jié)流器節(jié)嘴直徑選型。影響節(jié)嘴選型結(jié)果的的直接因素僅有產(chǎn)氣巖層溫度和天然氣產(chǎn)出壓力。

5 結(jié)束語(yǔ)

在節(jié)流器設(shè)計(jì)過程中，通過較小直徑的節(jié)嘴部分，可使高溫高壓天然氣達(dá)到一定的減壓和降溫作用，且其降溫幅度不應(yīng)過大，以防止引起天然氣中較重鏈烴組分析出，進(jìn)而阻塞天然氣回采套管及節(jié)嘴部分。通過仿真分析，本文精確獲取了不同天然氣地層的天然氣產(chǎn)出壓力和巖層溫度條件對(duì)節(jié)流器節(jié)嘴直徑的影響特征，從而獲得了較為精確的節(jié)流器節(jié)嘴直徑選型結(jié)果。在極端條件下，該設(shè)計(jì)思路無法得到可用的節(jié)嘴直徑選型結(jié)果，即不同控制目標(biāo)下的可用區(qū)間并無交叉，此時(shí)就需要采用其他設(shè)計(jì)思路，如采用多段節(jié)流器或者變孔徑節(jié)流器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。