气井涡流排水采气新技术及其应用

杨涛 余淑明 杨桦 李隽 李楠 曹光强 王云

1.中国石油西南油气田公司采气工程研究院 2.中国石油长庆油田公司苏里格气田研究中心 3.中国石油勘探开发研究院

气井涡流排水采气新技术及其应用

杨涛1余淑明2杨桦3李隽3李楠3曹光强3王云3

1.中国石油西南油气田公司采气工程研究院 2.中国石油长庆油田公司苏里格气田研究中心 3.中国石油勘探开发研究院

涡流排水采气技术是一项由中国石油天然气集团公司于2011年率先引进的排水采气新技术，既可应用于气井井下，也可应用于地面集输系统。为此，在论述了气井井下涡流排水采气的工艺原理、技术优点，工具组成、下入操作程序的基础上，总结了该技术在松辽盆地、鄂尔多斯盆地所取得的主要成果、经验与认识，并进一步提出了深入进行科研、试验与攻关的可行性建议。结论认为：应在总结升1－1、苏36－4－3等井试验经验的基础上，针对我国有水气田开发的实际情况，加强涡流排水采气工艺的适应性、影响因素及关键技术的研究，並从选井原则的合理确定、优化设计与座封方式、优化组合等方面入手，学习国外成功经验，进一步加快该项工艺技术在我国的推广应用步伐。

气井 涡流 排水采气 新技术 工作原理 应用 松辽盆地 鄂尔多斯盆地

1 工艺基本原理

涡流排水采气技术是一项由中国石油天然气集团公司于2011年引进的创新技术，它既可应用于气井井下作业，也可应用于地面输气，是一项非常有发展前途的排水采气新技术（图1）［1］。

图1 国外公司进行涡流排水采气施工现场图

井下涡流排水采气的工艺原理是基于改变流体介质流体的运动方式，使原有的垂直向上紊流流态变为使流体流动截面积减小的螺旋状向上涡旋层流，这有效降低油管的流动摩阻与滑脱损失，充分依靠气体自身膨胀能量提高流体的携液举升能力（图2）。

图2 井下涡流排水采气示意图

井下工具的关键在于：由一个圆形的内实柱体和外面的螺旋形叶片，将进入内实柱体和油管间由螺旋形叶片分割的螺旋形空腔中的流体介质，使其沿着螺旋面进行加速，以实现改变流体介质的流动通道、流体流态、流体运动方式，并提高流速与携液举升功能。同时根据流体力学的经典理论，通过涡流工具螺旋状结构离心力的作用，可以实现将井管中的两相紊流流态介质，转换成涡旋状的两相分层流态。由于离心力的作用，密度大的在油管壁附近流动，密度小的在油管靠中心的位置流动（图3）［2－3］。

图3 井下涡流流动轨迹示意图

2 井下涡流工具主要组成及工具安装

2.1 井下涡流排水采气工具主要组成

井下涡流排水采气配套工具主要由涡流变速体、导向腔、座封器、接箍挡环、打捞头及打捞器等部件组成（图4、5）。

图4 井下涡流排水工具组成及结构图

图5 打捞器与结箍挡环结构图

井下涡流排水采气工具打捞头连接在绕流器上部，导流筒连接在绕流器下部，座封器的上端与导流筒下端螺纹连接。其特征为：绕流器的外壁表面固定有凸起的螺旋带，导流筒有中心孔，导流筒壁上均匀分布3个出气口，导流筒下端螺纹连接座封器，座封器为圆柱体形有中心空，座封器下端外壁有凸起的环形台阶；接箍挡环套在座封器外壁上，接箍挡环能在座封器外壁上滑动；接箍挡环由环形体和弹簧板组成，在环形体的一个端面连接有两个对称并垂直弹簧板。在其下端外壁，分别有采用钢丝弯成的带卡簧轴销的固定耳。卡簧的端部固定在卡簧销轴上，卡簧一端为圆形、一端为弯钩状。

2.2 工具安装程序

1）设计、核实井下涡流排水采气工具级数坐放、安置深度。正常运行的井下涡流排水工具，可将液位保持在近油管底部位置。单级井下涡流工具平均有效作用深度2 280 m，作业前应根据气井实际与井深优化设计井下涡流排水采气工具级数、工具在井中的设置位置，並将液位保持在适当高度。

2）为了确保油管柱清洁，并核实座节深度，运行井下涡流排水采气工具前，应使用通井规和刮管器通井，以保证油管内完全畅通，符合设计要求。

3）钢丝或测井电缆投放工具串连接在打捞头上部，井下涡流排水工具通过钢丝或测井电缆缓慢、平稳下入油管柱。

4）井下涡流排水采气工具可置于专用油管短节。

5）若先前未安装座节，安装工具时应考虑安装接箍挡环，施工前，用卡簧将接箍挡环下部的弹簧板卡住，使弹簧板下端部保持收紧状态。

6）当井下涡流排水采气工具下放到设计位置时，上提钢丝，卡簧弹开。下放钢丝，涡流排水采气工具沿油管下滑，接箍挡环在油管接箍处自动卡住（图6）。

图6 接箍挡环在油管接箍处自动卡住图

7）下击工具串，使接箍挡环在油管接箍处卡定牢固。

8）剪切钢丝或测井电缆投放工具串的销钉释放井下涡流排水采气工具。

9）上提钢丝或测井电缆，起出投放工具串，完成施工。

10）正常运行的井下涡流排水采气工具，可将液位保持在近油管底部位置。作业工程师应决定工具在井中的设置位置，将液位保持在适当高度。

3 国内外应用情况

3.1 国外应用情况

井下涡流工具排水采气技术目前已在BP、马拉松石油等多家公司试验并应用。美国目前拥有石油低产井39.3万口，天然气低产井26万口，美国能源部决定在65万口低产井上推广井下涡流排液工具等6项新技术，使美国国内石油产量提高15%，天然气产量提高8%。

2002—2006年，美国能源部主持了对这些工具的实验室和现场测试工作，这些试验包括：①在Marathon石油公司7口页岩气气井进行了井底涡流排水采气试验，试验表明井下涡流工具可以替代之前使用的螺杆泵和电潜泵而使气井自喷，节约了运营成本，而且可使气井在低于临界携液产量下自喷；②在Cabot油气公司11口井、Belden and Blake石油公司的22口井上进行了地面管线的试验，Belden and Blake公司气井产量提高1.65%～48%，Rocky Mountain石油公司18井次的地面管线试验表明涡流工具还可以降低井口压力、清蜡及防蜡。

3.2 国内应用情况

3.2.1 大庆徐深气田升1－1井的应用

大庆徐深气田2010年套压稳定在7.8～8.1 MPa，油压由8.3～8.6 MPa下降至4.0 MPa。并且开井后气井产量持续下降，油套压差逐渐增大至3.2 MPa，依靠定期放空或者间歇性关井才能维持生产，说明气层供气能力不足，井筒内积液严重。至试验前油压4.8 MPa，套压7.8 MPa，日产气量0.6×104m3，气液比1 000 m3／m3。

该井采用涡流排水采气后，改变流体流态，使原有的紊流形成涡旋分层流。从而使该井从依靠定期放空或者间歇性关井才能维持生产转化为连续带液生产，使流体的日携带能力由间歇性生产的日平均0.6 m3提高到连续带液生产的日平均5～6 m3，日平均采气量也相应由0.6×104m3提高到3×104～3.5×104m3（图7）。

图7 升1－1井试验前、后采气曲线图

3.2.2 长庆苏里格气田苏36－4－3井的应用

3.2.2.1 DXR涡流工具投放深度设计

苏36－4－3井设计下入DXR井下涡流工具两套，深度分别为3 348±10 m和1 668±10 m。

3.2.2.2 下入施工程序

1）通井。通井工具串自下而上为：通井规＋震击器＋加重杆（30 kg）＋绳帽。要注意通井规的遇阻情况，若有遇阻轻微上下活动，畅通后再下放，通至井底。

2）投放第一套井下涡流工具。通过钢丝缓慢平稳下投放工具串，工具串自下而上为：井下涡流工具＋投放工具＋震击器＋加重杆（30 kg）＋绳帽。下放到设计井深3 348±10 m位置时，观察悬重并做好记录后上提钢丝，井下涡流工具座封器弹簧弹开，下放钢丝涡流工具沿油管柱下滑，在油管接箍处自动卡住。下击使座封器卡定牢固后下击剪切投捞工具销钉，释放DXR涡流工具，然后上提钢丝，起出工具串完成施工。

3）投放第二套井下涡流工具。同第一套工具施工一样下放到设计井深1 600±10 m位置。

3.2.2.3 苏36－4－3井效果分析

苏36－4－3井试验前，采用“开二关五”的间歇生产制度，间隙性出液，平均套压6.4 MPa，日均产气量0.068 0×104m3，井积液相对严重。涡流工具排水采气效果分析：自涡流工具使用后，气井产液太大导致套压不断上升。采取泡排辅助措施，涡流工具使用45天，累积产气21.5×104m3，平均日产0.48×104m3，气井生产状况有所好转，需辅助泡排连续生产（图8）［4－6］。

图8 苏36－4－3井试验前、后采气曲线图

4 结论与建议

4.1 结论

用于气井的井下涡流排水采气技术将井筒内无规则的流动变成规则的螺旋形流动，增加气井的携带能力並具有以下显著优点：①试验的升1－1、汪3－13、苏36－4－3、苏6－16－25等4口井，通过带压不压井钢丝作业下入涡流排水采气工具，不仅操作方便，而且有效减少了常规起下压井作业对气井的严重伤害；②4口井的试验表明，涡流排水采气工具规则的螺旋形流动有效降低了气井临界携液气量，并能充分依靠气体自身膨胀能量，使流体的携液举升能力提高，试验气井一般提高了携液量12%，降低了摩擦损失15%；③组合工艺适用范围广，苏36－4－3等4口井与泡排技术相结合，显著减少了起泡剂的用量，也可与柱塞技术相结合，以提高柱塞举升效率；④工艺原理可靠，工具与设备简单，结构紧凑，无活动部件，施工方便，易于推广；⑤最早引进该项技术的徐深气田升1－1井，日平均采气量由0.6×104m3提高到3×104～3.5×104m3，不到半个月的增产气量价值即可回收井下涡流排水工具成本，经济效益显著。

4.2 建议

气井涡流排水采气技术是一项非常有发展前途的排水采气新技术。该技术在国外已成功推广应用；在国内，大庆徐深气田升1－1、汪3－13井试验的增产成效显著，被誉为“‘涡流排水’破解深层气井开发难题”［7］外，但在苏里格气田试验的苏36－4－3、苏6－16－25井，其试验效果还难尽人意，试验总体尚处于起步的初级阶段。

为加快气井涡流排水采气引进创新、应用力度，建议应在认真、深入总结升1－1等井试验的基本经验的基础上，针对我国有水气田气开实际，进一步加强涡流排水采气工艺的适应性、影响因素及关键技术的研究，並从选井原则的合理确定，优化设计与坐放方式，优化组合工艺方式，优化工艺的一体化等多方面入手，深入学习国外成功经验，以进一步加快该项工艺在我国的推广、应用步伐，从而提高我国排水采气工艺技术水平。

［1］ALI AHSAN J，SCOTT STUART L，FEHN BRAD.Investigation of a new tool to unload liquids from stripper gas wells［J］.SPE Production ＆Facilities，2005，20（4）：306－316.

［2］SURENDRA MEHER，FALCONE GIOIA，TEODORIU CATALIN.Investigation of swirl flows applied to the oil and gas industry［C］∥paper 115938－MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，21－24 September 2008，Denver，Colorado，USA.New York：SPE，2008.

［3］SIMPSON D A.Vortex flow technology finding new applications［J］.The Rocky Mountain Oil Journal，2003，83（45）.

［4］陈启文，董瑜，王飞，等.苏里格气田水平井开发技术优化［J］.天然气工业，2012，32（6）：39－42.

［5］杨桦，杨川东.优选管柱排水采气工艺的理论研究［J］.西南石油学院学报，1994，16（4）：56－65.

［6］黎菁，赵峰，刘鹏.苏里格气田东区致密砂岩气藏储层物性下限值的确定［J］.天然气工业，2012，32（6）：31－35.

［7］王志田，朱恒瑞.“涡流排水”破解深层气井开发难题［N］.中国石油报，2011－03－25（1）.

A new technology of vortex dewatering gas recovery in gas wells and its application

Yang Tao1，Yu Shuming2，Yang Hua3，Li Juan3，Li Nan3，Cao Guangqiang3，Wang Yun3
（1.Research Institute of Gas Production Engineering，Southwest Oil ＆Gasfield Company，PetroChina，Guanghan，Sichuan 618300，China；2.Sulige Research Institute of Changqing Oilfield Company，PetroChina，Xi＇an，Shaanxi 710021，China；3.Petroleum Exploration ＆Development Research Institute，PetroChina，Beijing 100083，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 8，pp.63－66，8／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Vortex dewatering gas recovery is a new dewatering gas recovery technology first introduced by China National Petroleum Corporation in 2011.It is applicable to both the downhole system of a gas well and the surface gathering system at a field.Hereby，this paper first describes this technology＇s working principles，technical advantages，component tools，and tripping－in operation in gas wells；then summarizes the achievements，experience，and knowledge gained from the application of this technology in the Songliao and Ordos basins.On this basis，this paper also offers feasible proposals on the further research and test related to this technology.It is concluded that，based on the experience from the pilot tests of Sheng 1－1 and Su 36－4－3 wells，the adaptability，influencing factors，and the key technology of vortex dewatering gas recovery should be further studied under the actual situation of water gas field development.Moreover，the application of the technology should be extended through reasonable well selection，design optimization and setting methods，and optimal combination as well as the study of successful experience from foreign countries.

gas well，vortex，dewatering gas recovery，new technology，working principles，application，Songliao Basin，Ordos Basin

杨涛等.气井涡流排水采气新技术及其应用.天然气工业，2012，32（8）：63－66.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.013

杨涛，1973年生，工程师，硕士；现从事完井工程研究工作。地址：（618300）四川省广汉市中山大道南二段。电话：15892883926。E－mail：yangtao＠petrochina.com.cn

2012－03－13 编辑 韩晓渝）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.08.013

Yang Tao，engineer，born in 1973，is studying for an M.Sc.degree and is mainly engaged in research of development engineering of oil and gas reservoirs.

Add：South Sec.2，Zhongshan Rd.，Guanghan，Sichuan 618300，P.R.China

E－mail：yang tao＠petrochina.com.cn