气井合理油管直径选择

王 云

摘要:以徐深气田xu-X井为例,采用敏感性分析方法,综合考虑气井产能、油管压降摩阻损失、携液能力及抗冲蚀能力等因素,优选出合理的油管直径,以满足气井长期安全、合理生产的需要。研究表明,油管内径越大,摩阻压降损失越低,越能发挥气井产能,但当油管内径大于某一值后,产量随内径增加而增加的幅度趋于平缓,压降摩阻损失随内径增加而降低的幅度也趋于平缓,进一步增加油管内径对增加产量、降低摩阻压降损失的意义不大;若选择油管内径过小,会限制气井产能的发挥,影响气井高效开发。xu-X井选用内径为76 mm的油管生产较为合理。

关键词:气井;生产系统分析;敏感性分析;油管直径

中图分类号:TE931文献标识码:A

前 言

油管是地层流体流出地面的通道,其直径是否合理,直接影响气井的安全、高效生产。气井生产管柱的直径选择应“由里向外”,即先根据气井的实际特征选择合理直径的油管,再以此为基础确定套管直径。若按照套管尺寸确定油管直径,将可能会出现2种情况:①套管直径过小,只能被迫选择小一级油管,限制了气井合理产能的发挥,且油管可能存在冲蚀风险,影响管柱寿命;②套管直径过大,势必增加钻井成本和套管成本,若按照套管直径选择大一级油管,对进一步发挥气井产能的意义不大,但增加了油管成本投资;在气田的开发后期,由于地层压力、气井产能降低,甚至可能出现气井无法携液的现象,导致气井过早停产。徐深气田是徐家围子断陷内最有利区带之一,深度为3 200～4 300 m,地层压力为35～45 MPa,地层温度为138～145℃,天然气中CO₂含量较高,腐蚀环境较为恶劣,且气水关系复杂。徐深气田合理选择气井油管直径,可以在合理发挥气井产能、安全生产的前提下,节约13Cr不锈钢防腐油管的投资,并尽可能延缓或避免气井发生积液的风险。

1 生产系统分析方法

气井生产系统分析是运用系统工程理论、优化分析气井生产系统的一种综合分析方法,以气井的单井整个开采系统为研究对象,根据流体在气层、井筒和地面管线的流动特征,以产量和压力变化为依据,科学地分析整个采气系统在不同条件下的工作状态,确定合理的产能和最佳工艺制度[1-4]。以井底作为目标节点进行分析,将地层向井底流动过程作为一个子系统,以垂直管流过程作为另一个子系统,以油管直径为敏感性参数,研究气井的合理油管直径[1]。

2 油管直径选择的原则

选择合理的油管直径,应考虑的主要因素包括:①相同的井口、地层压力条件下,气体膨胀能利用效率大,获得尽可能大的产气量,并保持较长的稳产期;②相同产量条件下,压降摩阻损失合理,在较长的生产过程中保证一定的井口压力,以满足地面集气的需要;③具有较强的携液能力,在正常的生产过程中避免井筒积液;④流速不能过高,防止对油管产生冲蚀。此外,还应考虑油管与生产套管、油管与井下工具的综合匹配性能;在含酸气井还要考虑H₂S、CO₂等腐蚀对油管内径的影响[5]。

3 合理油管直径的选择

以大庆徐深气田某井(xu-X井)为例,研究气井合理油管直径的选择方法。xu-X井的基本数据如下:地层压力为39 MPa,地层温度为153℃,油管下入深度为4 250 m,气井无阻流量为87.89×10⁴m³/d。

3.1 油管内径对气井产能的影响

利用节点分析软件(Schulumber公司的PIPESIM),计算井口压力为8 MPa时不同地层压力下不同内径油管的协调产量。计算结果表明,在一定的地层压力和井口条件下,油管内径越大,气井的产量越大,选择小内径油管会限制气井产能。图1为xu-X井不同地层压力和井口压力下油管内径对产量影响的关系曲线。

考虑到xu-X井的无阻流量为87.89×10⁴m³/d,其合理配产应为25×10⁴m³/d左右。由图1可知,配产为20×10⁴～30×10⁴m³/d,当油管内径小于62 mm时,气井产量随油管内径增加的幅度较大,表明油管内径应不小于62 mm;当油管内径大于88.29 mm时,产量的增幅逐渐趋于平缓,表明再增加油管内径对增加产量的作用较小。表1为不同内径在不同条件下的协调产量。

由表1可以看出,油管内径从62 mm增加到76 mm时,产量可增加约3.79×10⁴m³/d;从76 mm增加到88.29 mm时,产量只增加约1.43×10⁴m³/d。因此,xu-X井选择内径为76 mm的油管较为合理。

3.2 油管的摩阻损失

在相同地层压力和井口压力条件下,流体在不同内径油管内的流动过程中,其摩阻压降损失不同,内径越小,损失越大,到达井口的压力越低。若油管内径过小,随着气井的生产,气井的井口压力达不到集输压力要求,导致无法生产。根据现有气井的油管数据,分析研究了摩阻损失与油管内径的关系。

研究表明,相同井口压力、地层压力条件下,油管内径越大,摩阻损失越小。对于xu-X井,在合理配产范围内,当内径大于76 mm时,摩阻损失随管径增大而减小的幅度逐渐趋于平稳,再增大管径来减小摩阻损失意义不大。相同油管内径和井口压力条件下,井底流压越大,摩阻损失越大;在相同油管内径和井底流压的条件下,井口压力越大,摩阻损失越大。因此,从气井的压降摩阻损失角度看,xu-X井选择内径为76 mm的油管较为合理。

3.3 油管的携液能力

气井在生产过程中,随着地层压力下降,将会有凝析水、隙间水或地层水等产出;若不能及时将水排出,将会造成井底积液,影响气井正常生产,甚至停产。气井在生产过程中的携液能力,与地层能量及气井能否提供充足的举升压力有关。因此,根据临界携液流量选择油管内径,保证气井具有较高的携液能力、井底不会产生积液对气井至关重要。表2分析计算了xu-X井在不同条件下油管内径和临界携液流量的关系。

由表2可知:①在相同油管内径条件下,临界携液流量随着地层压力的增加先增加后减小,但差别很小,临界携液流量随着井口压力的增加而增加;②在相同压力条件下,临界携液流量随着油管内径的增加而增加,在满足配产要求的前提下,尽可能选择小直径油管生产,提高油管的携液能力。

在地层压力为16 MPa,井口压力为8 MPa的条件下,计算了不同内径油管的协调产量与临界携液流量的关系(表3)。可以看出,选择内径为76 mm的油管,其临界携液流量为7.44×10⁴m³/d,协调产量为8.01×10⁴m³/d,临界携液流量低于协调产量,可以满足携液要求;选用88.29 mm的油管,其临界携液流量为10.18×10⁴m³/d,协调产量为8.12×10⁴m³/d,临界携液流量高于协调产量,则会产生井底积液。

3.4 油管的抗冲蚀能力

井筒内高速流动的气流将对油管造成冲蚀,影响生产管柱的使用寿命;气井的冲蚀流量与气井的流动压力及油管内径关系密切。可以用井口气流速对同冲蚀速率的比率来判断油管是否发生冲蚀。若冲蚀速率小于1,证明在此条件下,油管不会发生冲蚀;反之,油管存在冲蚀危害。分析计算了xu-X井在不同压力条件下井口流速与冲蚀速率的比率。研究表明:①在相同井口流压和地层压力条件下,井口气体流速与冲蚀速率比率随油管直径增大而减小;②选用大直径油管可以避免冲蚀危害的发生;③在相同井口流压和油管内径条件下,井口气体流速与冲蚀速率比率随地层压力增加而增加;④在相同地层压力和油管内径条件下,井口气体流速与冲蚀速率比率随井口流压增加而减小;⑤合理控制产量可以避免冲蚀危害的发生。表4为不同压力条件下油管内径与冲蚀速率的关系。

由表4可知,在协调配产的条件下,各个内径油管的气流速率与冲蚀速率的比率都小于1,不会发生冲蚀。

此外,油管发生冲蚀的临界流速还与气体中固体颗粒的含量和形状等因素有关。合理油管直径的选择,既要考虑气井的实际情况,最大限度的发挥气井产能,保持气井长期稳产,同时也要考虑后续工艺及经济性的要求。

4 结 论

(1) 合理选择气井油管内径要综合考虑气井的产能和油管的摩阻压降损失、携液能力、抗冲蚀能力等因素,保证气井高效生产。

(2) 研究表明,油管内径越大,摩阻压降损失越低,越能发挥气井产能,但当油管内径大于某一值后,产量随内径增加而增加的幅度趋于平缓,压降摩阻损失随内径增加而降低的幅度也趋于平缓,进一步增加油管内径对增加产量、降低摩阻压降损失的意义不大,增大油管内径将直接增加前期开发投入;相反,若选择油管内径过小,会限制气井产能的发挥,同时由于工具的配套性问题,将会对改造等后续工艺带来困难,无形中增加了开发成本,影响气井高效开发。

(3) 研究表明,xu-X井选用内径为76 mm的油管生产较为合理。

参考文献:

[1] 何志雄,孙雷,李铁军,等.气井合理管径的确定[J].西南石油大学学报:自然科学版,2008,30(4):104-106.

[2] 李颖川.气井无因次IPR方程的剖析[J].天然气工业,1995,15(6):48-52.

[3] 李颖川,杜志敏.气井无因次流入动态方程的特征函数[J].天然气工业,2002,22(1):67-69.

[4] 秦国伟,宫军.气井节点分析及其应用[J].新疆石油地质,2005,26(6):679-680.

[5] 金忠臣,等.采气工程[M].北京:石油工业出版社,2004:141.

编辑 王 昱