旋流雾化井下排水采气技术在榆林气田的研究与应用

2013-05-30解永刚李晓芸钟兴华

石油化工应用 2013年3期

解永刚，李晓芸，钟兴华，李耀，李丹，高亮

（中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西榆林 719000）

气藏经过试采阶段、稳产阶段进入到后期开采阶段的过程中，部分气井产量会开始全面递减。在后期气藏的开采中出现一个突出的问题就是气井井底积液，会对天然气生产造成很大的影响。榆林气田低产低效气井日趋增多，由于气井底层能量不足，携液能力差，经常导致井底积液等问题的发生，大大降低了气井的开井时率，影响气井产能发挥，解决好这34 %气井的稳产，成为目前急需解决的难题。通过开展排水采气新工艺新技术调研，应用旋流雾化井下排水采气工艺技术，能够有效增强产液气井的携液能力和稳产能力、提高气井开井时率。

1 旋流雾化井下排水采气工艺技术

快速有效地排液复产是保持气井产能、高效开发气田的关键。近年来，国内外各大油气田通过科研攻关已成功开发出一系列的排水采气工艺技术。在考虑充分利用地层能量维持气井正常生产的前提下，旋流雾化井下排水采气工具技术受到了青睐。

1.1 理论设计依据

在垂直管中气液两相流有泡流、段塞流、扰动流、环雾流四种流动形式。它们可同时存在于1 口井中，随着气流速度的增加，相应地出现泡流、段塞流、扰动流和携带液滴向上运动的环雾流。从环雾流到泡流气流速度降低，正是气井积液产生的过程。

图1 气液混合相在垂直管中的流态

决定各相在垂直管中向上运动的主要因素是气液流速度，液体的排出，或在井底的积聚，是由该速度值所决定的。根据Turner 液滴模型，最小携液速度就是足够移动可能存在油管内的最大液滴所需的最低流速。气井开始积液时，井筒内气体的最低流速称为气井携液临界流速，对应的流量称为气井携液临界流量。当井筒内气体实际流速小于临界流速时，气流就不能将井内液体全部排除井口。因此，满足气井不积液的条件为：qsc≥qmin

最小携液气量计算公式如下：

式中：A－油管截面积，m2；Pwf－油管终端流压，MPa；Twf－油管终端流温，K；Z－Pwf、Twf条件下的气体偏差因子。

气流速度与液滴直径大小关系如下：

式中：Vg－气流速度，m/s；g－重力加速度，m/s2；d－液滴直径，m；ρi－液体密度，kg/m3；ρg－气体密度，kg/m3。

由此可见：气流速度Vg和液滴直径的0.5 次方成正比，因此，如何将液滴雾化成直径为微米级的雾滴是关键。

1.2 工艺原理

旋流雾化井下排水采气技术是一种预防气井积液的新措施。通过在气井井筒中投放旋流雾化井下排水采气工具，充分利用井底气体和液体本身所具有的压力势能，经过双旋流雾化喷嘴内旋流气动作用，将积液雾化成微米级的雾滴并均匀分布在气流中，形成均匀的两相流，依靠气井自身能量将液体携带到地面，以提高气井的携液能力。

图2 旋流雾化井下排水采气工艺原理示意图

旋流雾化井下排水采气工艺主要应用了亥姆赫芝哨和双旋流气动雾化喷嘴两项关键技术，主要是通过改变井筒流体的运动状态，降低滑脱损失，增强气井携液能力，从而达到提高排液效率、延长气井稳产期的目的。

式中：c－声速；V－空腔体积；r－与腔连接管有关的系数。

图3 亥姆赫兹哨结构示意图

式中表达了“亥姆赫芝哨”发出的超声波频率与其尺寸之间的关系。可以看出，只要尺寸V 足够合适，在足够气流速度差驱动下，能够发出足够高频率的超声波，就能将液体击碎成微米级直径的液滴，此时只需要很低的气体流速就能够将井底积液携带出井筒，实现排水采气的目的。

1.2.2 综合机械、气动雾化的雾化方式为了能让“亥姆赫芝哨”在井下气液混合流动环境下能够发声，在流体流过“亥姆赫芝哨”之前采用了一个能够产生双旋流的分离装置将气液分离，使流过“亥姆赫芝哨”的流体为气体，且旋流分离装置也有一定破坏液体表面张力使液滴破碎的作用；最后分离后的气、液再经过雾化喷嘴（见图4、图5）再次雾化，三重作用使液体充分雾化。

图4 旋流雾化井下排水采气喷嘴示意图

图5 双旋流气动雾化喷嘴结构示意图

该装置在φ73 mm 油管中，能够在最低瞬时流量208 m3/h 时驱动，发出超声波；雾化后的液滴直径可达78～88 μm，液体雾化程度可达93.6 %。

1.3 旋流雾化井下排水采气工具结构优化

1.3.1 结构组成第一代旋流雾化井下排水采气工具采用卡钉器座封结构，该结构主要适用于EUE 扣型油管，而榆林气田南区90 %以上气井选用FOX 扣型油管，无法下入卡钉器结构的旋流雾化井下排水采气工具。针对这一问题，通过近几年来不断优化井下节流器结构，总结失效井下节流器打捞经验，并将井下节流器座封、密封原理应用于旋流雾化井下排水采气工具上，取得了良好的效果（见图6）。

图6 第一代旋流雾化井下排水采气工具示意图

优化后的旋流雾化井下排水采气工具主要有三部分组成：卡定装置、雾化装置、密封装置等三部分组成。其中卡定部分由卡瓦和投送、打捞接头组成；雾化部分包括超声雾化装置（亥姆赫芝哨）和双旋流气动超声雾化喷嘴等；密封装置包括胶筒、胶筒的压缩和解压装置等。

图7 优化后旋流雾化井下排水采气工具实物图

1.3.2 选井条件对井口压力6~15 MPa 的小产量气井，设定气量为1.5×104m3/d，井底温度为90 ℃，用李闽模型计算临界流量（见表1）。

表1 李闽模型临界携液流量计算

由表1 可知，当井底流压小于10 MPa 时，临界携液流量仍有1.9×104m3/d 之多，配产1.5×104m3/d 的气井均不能有效携液。但实际生产中，榆林气田许多配产1.0~1.5×104m3/d 生产气井，仍具有较好的携液能力和稳产能力。通过系数核算，初步以李闽模型的65 %作为合理计算值。

鉴于榆林气田产气量大于1.0×104m3/d 的气井，可通过提产带液结合泡排的方式进行排液，因此，选取气量在0.5~1.0×104m3/d 的Ⅲ类气井应用旋流雾化井下排水采气技术，选井条件如下。

下入深度：≤3 500 m，根据气井生产状况，结合测试的流压梯度测试数据，判断气井积液位置；下到不稳定流动段最深位置。

井底压力：≥8 MPa；日产气量：≥5 000 m3。