陳 旭

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

許多學(xué)者在研究氣液兩相流在類似水平井的透明管內(nèi)流動(dòng)規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)管徑一定條件下，隨著氣流量逐漸降低，液相會(huì)首先在傾斜段聚集而出現(xiàn)積液[1-3]。那么對(duì)于天然氣水平井而言，隨著氣井壓力、產(chǎn)量不斷降低，傾斜段將先于垂直段出現(xiàn)積液情況，導(dǎo)致水平井自主攜液期較同規(guī)格生產(chǎn)管柱的直井大幅縮短。為了實(shí)現(xiàn)水平井全井筒協(xié)調(diào)攜液，延長(zhǎng)天然氣水平井自主攜液期，本研究以臨界攜液流量理論為基礎(chǔ)，通過(guò)論證設(shè)計(jì)了水平井組合管柱并在鄂北D氣田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，為天然氣水平井排水采氣工藝提供了新思路。

1 水平井臨界攜液流量規(guī)律

1.1 垂直段

垂直段臨界攜液氣流速模型有很多，應(yīng)用較多的主要有Turner[4]、Coleman[5]提出的的圓球模型，李閩[6]提出的橢球模型及王毅忠[7]等人提出的球帽模型。

根據(jù)鄂北D氣田氣井基本生產(chǎn)數(shù)據(jù)，適用的垂直段臨界攜液氣流速模型如下[8]：

(1)

式中，vc為垂直段臨界攜液氣流速，m/s；σ為界面張力，N/m；ρl為液體密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3。

1.2 傾斜段

傾斜段臨界攜液氣流速模型與井斜角θ相關(guān)。根據(jù)鄂北D氣田氣井基本生產(chǎn)數(shù)據(jù)，D氣田氣井適用的垂直段臨界攜液氣流速模型如下[9]：

(2)

根據(jù)式(2)計(jì)算了Φ60.3 mm油管不同井斜角條件下的臨界攜液流量(10 MPa，90 ℃)，見(jiàn)圖1。

由圖1可知，對(duì)于傾斜段而言，臨界攜液氣流速隨井斜角增加表現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì)，在井斜角為40°～60°時(shí)達(dá)到最大。因此，當(dāng)氣體流速大于傾斜段最大臨界攜液氣流速時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)傾斜段的攜液。故將傾斜段最大臨界攜液氣流速定義為水平井對(duì)應(yīng)的傾斜段臨界攜液氣流速。

1.3 垂直段與傾斜段臨界攜液流量對(duì)比

以臨界攜液氣流速為基礎(chǔ)，按照下式計(jì)算臨界攜液氣流量。

(3)

式中，qcc為臨界攜液期流量，m3/d；A為油管橫截面積，m2；p為流壓，MPa；Z為壓縮因子；T為溫度，K。

計(jì)算了生產(chǎn)管柱為Φ60.3 mm油管(內(nèi)徑50.7 mm)時(shí)水平井垂直段、傾斜段的臨界攜液流量并進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

由圖2可知，管徑一定時(shí)，傾斜段臨界攜液流量總是高于垂直段臨界攜液流量，傾斜段排液難度高于垂直段。

2 組合管柱排水采氣技術(shù)設(shè)計(jì)

由式(3)可知，管徑減小時(shí)，氣井臨界攜液流量減小。因此可通過(guò)縮小傾斜段生產(chǎn)管柱內(nèi)徑，降低傾斜段臨界攜液流量，實(shí)現(xiàn)水平井垂直段與傾斜段臨界攜液流量協(xié)調(diào)相近，延長(zhǎng)水平井自主攜液期。

2.1 組合管柱尺寸優(yōu)選

利用式(1)～(3)計(jì)算了不同管徑的市售標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格油管的傾斜段臨界攜液流量，并與Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖3。

由圖3可知，Φ48.26 mm、Φ42.16 mm、Φ33.4 mm油管傾斜段臨界攜液流量均小于Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量，即采用上述幾種標(biāo)準(zhǔn)油管作為傾斜段生產(chǎn)管柱時(shí)，當(dāng)氣井產(chǎn)氣量能夠滿足Φ60.3 mm油管垂直段攜液要求時(shí)，也必定能滿足傾斜段排液要求。

根據(jù)氣液兩相管流壓降規(guī)律，其他條件一定時(shí)，若管徑減小，摩阻系數(shù)增加，則對(duì)應(yīng)摩阻增大[1]。綜合考慮攜液及摩阻影響，當(dāng)垂直段生產(chǎn)管柱為Φ60.3 mm油管時(shí)，傾斜段生產(chǎn)管柱為Φ48.26 mm油管較為適宜。

2.2 變徑短節(jié)位置設(shè)計(jì)

垂直段Φ60.3 mm油管與傾斜段Φ48.26 mm油管應(yīng)采用變徑短節(jié)相連。如前所述，40°～60°為傾斜段臨界攜液流量最大區(qū)域，因此Φ48.26 mm油管分布范圍應(yīng)包含該區(qū)域，故變徑短節(jié)可設(shè)計(jì)在井斜角0°至40°范圍內(nèi)。此外，為使水平井傾斜段、垂直段臨界攜液流量協(xié)調(diào)相近，變徑短節(jié)處對(duì)應(yīng)的Φ60.3 mm油管臨界攜液流量應(yīng)不高于Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量。

利用式(2)、式(3)，反算出不同壓力下，當(dāng)Φ60.3 mm油管垂直段臨界攜液流量與傾斜段某處臨界攜液流量相等時(shí)，對(duì)應(yīng)的井斜角，見(jiàn)表1。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，結(jié)合圖1中的規(guī)律可知，當(dāng)井斜角大于15°左右時(shí)，Φ60.3 mm油管在此處的臨界攜液流量將大于其垂直段臨界攜液流量，造成變徑處攜液難度最大，不符合全井筒攜液的目標(biāo)。故變徑點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)在井斜角0°～15°范圍內(nèi)。

表1 不同壓力下，當(dāng)Φ60.3 mm油管垂直段與傾斜段的臨界攜液流量相等時(shí)對(duì)應(yīng)的井斜角

2.3 下入深度設(shè)計(jì)

如前所述，Φ48.26 mm油管分布范圍應(yīng)包含井斜角40°～60°部分。從提高整個(gè)傾斜段的攜液能力方面考慮，宜下至A靶點(diǎn)附近。同時(shí)綜合考慮氣井出砂帶來(lái)的管柱砂埋風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇A靶點(diǎn)以上50 m作為組合管柱下入深度。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2017年至2020年，鄂北D氣田共有43口水平井應(yīng)用組合管柱排水采氣技術(shù)。以A1井為例(見(jiàn)圖4)，2019年6月，A1井產(chǎn)氣量已經(jīng)低于Φ60.3 mm油管傾斜段臨界攜液流量，采用組合管柱仍持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)，延長(zhǎng)自主攜液期超過(guò)400 d。

4 結(jié)論

1)根據(jù)鄂北D氣田垂直段、傾斜段臨界攜液氣流速公式，明確管徑相同時(shí)，傾斜段最大臨界攜液流量總是高于垂直段臨界攜液流量。

2)以縮小傾斜段生產(chǎn)管柱內(nèi)徑為思路，優(yōu)選Φ48.26 mm油管作為傾斜段生產(chǎn)管柱。

3)基于臨界攜液流量與井斜角關(guān)系，明確變徑短節(jié)應(yīng)設(shè)置在井斜角0°～15°范圍內(nèi)；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定組合管柱下入深度為A點(diǎn)以上50 m。

4)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，組合管柱與原Φ60.3 mm油管相比，可提升氣井?dāng)y液能力，延長(zhǎng)水平井自主攜液期。