钻油管钻完井条件下采气井口装置冲蚀及优化

陈 鹏,刘绘新,王春生,章景城,张 志,张 勇

(1.西南石油大学,成都610059;2.中石油塔里木油田,新疆 库尔勒841000)

钻油管钻完井条件下采气井口装置冲蚀及优化

陈 鹏1,刘绘新1,王春生2,章景城2,张 志2,张 勇1

(1.西南石油大学,成都610059;2.中石油塔里木油田,新疆 库尔勒841000)

氮气钻井技术已经从低压、低渗储层拓展到高产储层,为保障钻完井过程的井控安全,某油田采用了钻完井一体化井口装置以及钻油管技术。由于钻完井过程中气体流量大,容易导致采气井口装置被严重冲蚀,诱发事故。基于冲蚀损伤理论,确定气相临界速度冲蚀评价标准,采用CFD方法研究采气井口装置在高速气流下的冲蚀损伤情况,并通过风险评估,提出适合高产储层氮气钻井技术的钻完井一体化投产采气井口装置优化方案。研究表明:整体式Y型采油树受气体冲蚀的作用最小、采气能力最强,适用于高产气井;套管环空采气井口装置是在突遇高产气流或其他特殊工况下采用的一种应急装备。

气体钻井;采气井口装置;冲蚀作用;CFD

天然气是国民经济发展的特殊能源与战略资源之一[1]。我国已发现的天然气藏的地质特点和储层特性给天然气的开发与开采带来了很大的困难[2]。采气井口装置的服役环境恶劣、受力情况复杂,对安全性和可靠性的要求更高[3]。由于氮气钻井技术主要用于打开储层,为保证钻完井过程中的井控安全,某油田采用了钻完井一体化井口装置以及钻油管技术,不用更换油管、四通即可实现钻井、测试和采气等工况的转换。目前,氮气钻井技术已经从低压、低渗储层拓展到高产储层,由于钻完井过程中气体流量大,使采气井口装置严重冲蚀,诱发工程安全隐患,是氮气钻井技术应用中亟待解决的问题。本文采用CFD方法研究采气井口装置在高速气流下的冲蚀损伤情况,并提出了适合高产储层氮气钻井技术的钻完井一体化投产采气井口装置优化方案,为实现安全生产提供了必要的技术支撑。

1 采气井口

根据氮气钻井技术钻油管钻完井实际工况,采气井口装置的选择主要有3种方案:套管环空采气、常规采油树采气、整体式Y型采油树采气。

1.1 套管环空采气

套管环空采气井口装置是当突遇高产气流或其他特殊工况,来不及坐封钻油管的情况下,直接利用钻油管与井眼之间的环形空间,经多功能四通的旁通口采气,是一种应急措施。

1.1.1 模拟区域

多功能四通计算物理模型如图1所示,四通孔内放入直径为ø127 mm的钻杆,考虑气流在四通内部的实际流动状态及极限冲蚀范围,需增加其旁通道长度400 mm。考虑钻杆接头对冲蚀效果的影响,采气作业时出口2、出口3关闭,出口1打开。

1.2 钻油管采气

钻油管采气方式是在钻油管完井后,采用常规采油树和整体式Y型采油树。

1.2.1 常规采油树

常规采油树是采气作业时普遍使用的一种井口装置,其几何模型如图2所示。流道通径为ø78 mm,采气作业时出口2、出口3关闭,出口1打开。

图1 多功能四通物理模型

图2 常规采油树物理模型

1.2.2 整体式Y型采油树

整体式Y型采油树主要考虑在采气作业下对Y型采气通道内壁的冲蚀作用,结构如图3所示。通径为ø78 mm,采气作业时出口2关闭,出口1打开。

1.3 定解条件

进口边界条件为质量流量,压力为出口边界条件。采用壁面函数法处理壁面边界。根据无滑移条件,壁面上速度均为0。

图3 Y型采油树物理模型

2 冲蚀临界速度

鉴于高速气体在油管内流动时会对管壁和井下工具产生冲蚀,明显冲蚀作用时的流速称为冲蚀临界速度[5]。根据API RP14E标准,推荐采用的冲蚀临界速度为[6]:

式中:c为经验常数,对于气液两相连续流c取100,间断流c取125。对于气液固三相连续流c取150～200。对于气液固三相间断流c取250;ρm为气体介质的密度,kg/m3。

采气过程是连续投产过程,取c=100。气体的密度与压力、温度有关,在低温、高压下还与气体的压缩因子有关。气体在某压力、温度下的密度为:

式中:ρm为气体介质的密度,kg/m3;M为天然气的相对分子质量;Z为天然气的压缩系数;p为天然气的压力,k Pa(绝对);T为天然气绝对温度,K。

通过式(1)和(2)可以计算得出在井口压力为10 MPa、工况温度40℃、压缩因子1.1626,天然气的密度为5.28 kg/m3和临界冲蚀速度为43.5 m/s。当流体速度高于临界速度时冲蚀是高速流体作用于金属固体表面的普遍现象;当流速在20～30 m/s时,主要发生气蚀破坏;当流速高于30 m/s时,发生气蚀与冲蚀的复合磨损[7-8]。

3 数值计算方法

气井管道内流动属于低速粘性绕流问题,由于外形结构复杂,流场中存在各种复杂的流态,流动基本上都是湍流,因此,采用雷诺数平均的不可压缩Nvaier-Stkoes方程[9]进行数值模拟计算分析。根据某油田某气井拟采用的井口装置结构特点,建立了数值模拟模型,在采气工况流动状态下进行了数值计算,反映采气过程中天然气的流动状况,为分析讨论该气井井口装置冲刷的原因与拟采用的采气方式和完井井口装置的优化配置研究提供依据。

在进行数值计算时,首先要将空间区域进行离散,即把所计算的区域划分成互不重迭的子区域,即计算网格,然后确定每个子区域中的节点位置及该节点所代表的控制体积[10]。笔者采用有限体积法非结构网格离散计算区域,设置面网格尺寸6 mm,由面网格生成约136万个网格。

3.1 通用控制方程与方程的离散

当流体质点在运动过程中,密度发生较大变化时,需要考虑流体压缩性的影响。因此考虑在采气过程中天然气的可压缩性来研究天然气对井口装置冲蚀损坏机理。

不可压缩流体三维雷诺平均的N-S方程的一般形式为:

式中:φ为通用变量,可以代表u、v、w、T等求解变量;Γ为广义扩散系数;S为广义源项;代表瞬态项;div(ρuφ)代表对流项;div(Γgradφ)代表扩散项。

对于上式方程可以直接在时间域和控制体积上积分,可实现该控制方程的离散,并得出非结构网格上的离散方程[11]:

式中:αp分别表示u动量方程和v动量方程中的值,φp是变量φ在控制体积中心点P的值;下标nb表示相邻节点;αnb的表达式取决于所采用的离散格式。

3.2 求解算法

笔者采用SIMPLE数值模拟算法,即“求解压力耦合方程组的半隐式方法”。1972年由Patankar和Spaling提出了这种算法,是一种既可用于求解不可压流场的数值方法,也可用于求解可压流场[13]。它的核心是采用“猜测-修正”的过程,在交错网格的基础上来计算压力流场,从而达到求解动量方程(Navier-Stokes方程)的目的,基本思想是给定压力场,求解离散形式的动量方程,得出速度场。

3.3 湍流模型

气井采气是连续投产的过程,由于采气通道的改变,流场中任意一点(包括边界)的任何微小变化都会瞬时地影响全场,使得不稳定性大幅增加。对于低速绕流的雷诺数范围,流动通常是湍流,需采用适当的湍流模型[12]。

一般标准k-ε模型对时均应变率特别大的情形,有可能导致负的正应力。为使流动符合湍流的物理规律,需要对正应力进行某种数学约束。为保证这种约束的实现,认为湍流黏度计算式中的系数cμ不应是常数,而应与应变率联系起来。因此,采用Realizable k-ε模型,在Realizable k-ε模型中,关于k与ε的运输方程如下:

式中:σk=1.0,σε=1.2,C2=1.9,C1=max(0.43,);Gk是由层流速度梯度而产生的湍流动能;μt

为湍动黏度;ui为时均速度;k为湍动能;ε为耗散率。

4 数值模拟分析

4.1 基本假设

1) 通过分析,影响完井井口装置内壁冲蚀程度大小的主要因素与主要采气井口装置的内部结构等有关,例如多功能四通的通径,内部结构、流体的流速、流体成分等,而与井深无直接关系,所以在此分析过程中不考虑井深的影响。

2) 假设介质为纯净的天然气。

3) 忽略气体压缩过程中的热效应,假设温度恒定,且为常温(25°)。

4.2 计算参数

采用稳态计算,湍流模式使用Realizable k-epsilon模型,应用标准壁面函数。流体工作介质为天然气,密度0.717 kg/m3,黏度1.331×10-5Pa·s。计算中考虑气体压缩性。采用有限体积法离散流体控制方程,压力速度耦合方程使用SIMPLE算法。

4.3 计算工况

为研究多功能四通环空内部、整体式Y型采油树以及普通采油树内部工作介质及工作参数对其内流场的影响,分别以4种工况进行数值模拟,计算工况如表1所示。其中出口1～出口3的具体位置如图1～3所示,采气作业时,出口2与出口3为关闭状态,所以在计算中采用壁面函数法来控制。

表1 计算工况

4.4 完井井口装置冲蚀损坏数值模拟结果

4.4.1 多功能四通

多功能四通环空采气时,从四通的右旁通口采气,工作介质为纯天然气。数值计算结果如图4所示。不同天然气投产量的最大速度如表2所示。

图4 不同产气量下多功能四通速度云图

表2 多功能四通不同产气量的最大速度

从图4中可以得出,随着产气量的不断增大,气流对旁通口的冲蚀速度越大,冲蚀的区域也就越大,同时受冲蚀严重的关键部位位于旁通口直角拐弯处。

从表2中可以看出,当气井投产的出口压力10 MPa,产气量小于150万m3/d,气体最大速度在采气临界流速43.5 m/s范围内,因而属于正常工况。当产气量大于150万m3/d,已经超过了采气临界流速,属于非正常工况。

4.4.2 常规采油树

普通井口装置一般采用常规采油树,使用单翼采气通道进行投产,工作介质为天然气。数值模拟结果如图5所示,不同天然气投产量的最大速度如表3所示。

图5 不同产气量常规采油树速度云图

表3 常规采油树不同产气量的最大速度

从图5中可以看出,随着产气量的不断增大,气流对普通采油树旁通口的冲蚀速度越大,冲蚀效果越明显,且冲蚀的关键部位在流道发生变化的内上壁面。

从表3可见,当气井投产出口压力为10 MPa,产气量在100万m3/d时,气体最大速度为47.026 m/s,已经超出了采气开采临界流速。因此,在该工况条件下采用常规采油树采气时的投产量应小于100万m3/d。

4.4.3 整体式Y型采油树

图6为整体式采油树在不同产气量条件下的速度场,表4为不同采气量的最大速度。

图6 不同产气量整体式Y型采油树速度云图

表4 Y型采油树不同产气量的最大速度

由图6知,整体式Y型采气井口装置的最大气流速度为80.584 m/s,从整个整体式Y型采油树的速度分布云图上看,气体在Y型采气通道的速度流场分布比较均匀,冲蚀较严重的位置位于Y型内壁倒角处。

从表4可以看出,当气井投产的出口压力10 MPa,产气量在100～150万m3/d,气体最大速度在采气临界流速43.5 m/s范围内,属于正常工况。

5 采气井口优化配置方案

为研究套油管环空采气中使用的关键井口装置(多功能四通)以及钻油管采气使用的整体式Y型采油树和常规采油树在复杂恶劣的工况条件下的冲蚀损坏程度,对比每种采气方式的最大速度和变化趋势,通过对采油树类型和采气方式进行井控风险评估,提出完井井口装置优化配套方案。图7为不同采气方式的井口装置内部流场分布云图。图8为不同采气方式的速度分布曲线。

图7 产气量250万m3/d时不同采气方式的速度云图

图8 不同采气方式的速度曲线

从图7中可以看出,在4种采气工况下,Y型采油树采气内部流场优于其他两种采气方式,内部流场最差的是普通采油树采气。从图8所示的曲线可得出,采用普通采油树的井控风险明显高于多功能四通和整体式Y型采油树,因此就冲蚀安全而言,整体式Y型采油树的采气方式更安全。

6 结论

1) 氮气钻井技术已经从低压低渗储层拓展到高产储层,由于钻完井过程中气体流量大,容易导致采气井口装置的严重冲蚀,诱发工程安全隐患,是氮气钻井技术应用中亟待解决的问题。

2) 可以基于冲蚀损伤理论,确定气相临界速度冲蚀评价标准,采用CFD方法研究采气井口装置在高速气流下的冲蚀损伤,并通过对风险评估,提出适合高产储层氮气钻井技术的钻完井一体化投产采气井口装置优化配置方案。

3) 气井管道内流动属于低速黏性绕流问题,由于外形结构复杂,流场中存在各种复杂的流态,流动基本上都是湍流,因此,采用雷诺数平均的不可压缩Nvaier-Stkoes方程进行数值模拟分析。首先要将空间区域进行离散,即把所计算的区域划分成互不重迭的子区域,即计算网格,然后确定每个子区域中的节点位置及该节点所代表的控制体积。分别以4种工况进行数值模拟,数值模拟结果具有很好的代表性。

4) 对3种采气井口装置进行了风险分析,整体式Y型采油树受气体冲蚀的作用最小、采气能力最强的。对于高产气井,整体式Y型采油树更适合,为实现安全生产提供了必要的技术支撑。

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Research on Optimization Allocation of Gas Wellhead Under the Condition of Gas Drilling and Drilling-Tubing Completion

CHEN Peng1,LIU Hui-xin1,WANG Chun-sheng2,ZHANG Jing-cheng2,ZHANG Zhi2,ZHANG Yong1
(1.Southwest Petroleum University,Chengdu 610059,China;2.PetroChina Tarim Oilfield Company,Korla 841000,China)

Nitrogen drilling technology has expanded from low pressure and low permeability reservoir to high pressure and high permeability reservoirs.In order to ensure the security of well control in the process of drilling and completion,the integration of drilling and completion of the wellhead and drill-tubing were used in an oil field.The large gas flow in the process of drilling and completion easily leads to serious erosion of gas extraction wellhead,inducing engineering potential safety hazard.In this paper,based on the theory of erosion damage,the erosion evaluation standard for gas phase critical velocity was determined;gas extraction wellhead erosion damage under the high speed gas flow was studied by using CFD method.Through the risk assessment,the gas extraction wellhead optimized configuration scheme was proposed,which was suitable for high production reservoir nitrogen drilling technology drilling and well completion production integration.It shows that the gas erosion to integral type Y tree is the smallest and its gas production capacity is the strongest.Mostly it is suitable for high yield gas well.Casing annulus gas extraction wellhead is an emergency measure using in some high airflow or other special conditions.

gas drilling;gas producing wellhead;washing action;CFD

TE931.102

A

1001-3482(2014)02-0055-06

2013-08-16

中石油重点科技项目“工艺安全与钻完井工程基础研究”子课题“井口装置”(TLMYT-2011-GC-007)

陈 鹏(1989-),男,四川仪陇人,硕士研究生,研究方向为油气装备计算机仿真分析,E-mail:chenpewon@163.com。