气井井下节流技术研究及应用

艾志鹏，张烈辉，何婷婷，黄琦

（1.西南石油大学“油气藏地质及开发工程国家重点实验室”，四川成都610500；2.中国石油西南油气田公司川中油气矿，四川南充629000；3.中国石油西南油气田公司采气工程研究院，四川广汉618300）

气井井下节流技术研究及应用

艾志鹏1，张烈辉1，何婷婷2，黄琦3

（1.西南石油大学“油气藏地质及开发工程国家重点实验室”，四川成都610500；2.中国石油西南油气田公司川中油气矿，四川南充629000；3.中国石油西南油气田公司采气工程研究院，四川广汉618300）

井下节流工艺技术经过近年来的不断研究和推广，目前已形成井下节流工具系列及其配套作业设备。本文结合川渝气田井下节流工艺技术现场作业资料，简述该工艺的原理，介绍了广泛应用的井下节流工具及其现场作业方式，并根据作业过程中产生的问题提出解决措施。井下节流工具和现场作业可靠性高，能够满足气田高效开发和气井快速投产的要求，经济效益和社会效益十分突出。

井下节流；工具；现场作业；应用效果

近年来国民经济的飞速发展，用户对天然气需求量逐年增大，需要新井能快速，较高配产投产，实现产能。气井传统开采方式是经过常规地面节流工艺节流后，通过水套炉加热等配套措施来防止防水物的生成。但高压气井地面节流有许多弊端，比如，采气井口和部分地面管线仍存在高压，容易在节流处生成水合物，造成冰堵。水合物的生成将堵塞井筒生产管柱和地面流程，给气井生产带来严重的危害。同时地面配套产能建设周期长，高配产井稳产时间短，不利于气井的科学管理，更造成了地面配套工艺建设的大量浪费［1］。

通过气井井下节流技术原理及应用的研究，取消地面节流、保温装置，实现气井井站无人值守，节省地面配套设施建设和人员成本费用，建立气井科学生产制度和科学管理。目前该工艺从工具研制到现场作业技术已较为成熟，在川渝、苏里格等气田广泛应用，实现了气藏的规模效益开发。

1　井下节流工艺技术研究

1.1井下节流工艺原理

气井井下节流工艺通过座放井下节流器于井筒适当位置，在井筒中实现降温降压，由于节流处地层温度大于水合物生成临界温度，从而实现井筒中水合物防治，取消地面节流、保温流程的一种采气工艺技术［2］。

井下节流嘴相当于截面突缩装置（见图1），天然气流经节流嘴时流速会迅速增加，压力明显下降。如果能通过节流降低天然气温度，使之高于此压力条件下天然气水合物形成临界温度，即可以实现节流降温而防止水合物的形成。

图1　节流示意图Fig.1 Schematic diagram of the throttle

1.2节流压降

节流前后的压力与其流量的关系为［3］：

式中：p1，p2为天然气节流前、后的压力，MPa；qsc为气体体积流量（标况），104m3/d；d为节流孔眼直径，mm；k为气体绝热指数；T1为节流前的温度，K；Z1为节流前气体的偏差系数；γg为天然气相对密度。

在井下节流设计时，确定天然气的流量，节流前的温度T1和压力p1，由式（1）变形迭代后可确定节流后的压力p2，压力降Δp=p2-p1。

1.3节流温降

对于单位质量气体稳定流动，能量守恒方程为［4］：

式中：h1、h2为节流前后气体的比焓，J/kg；v1、v2为节流前后气体的流速，m/s；z1、z2为节流前后气体的位置，m；q为气体与周围环境的热交换，J/kg；ws为气体所作的轴功，J/kg；g为重力加速度，m/s2。

天然气流经井下节流气嘴时，可作如下假设［5］：（1）气体的动能变化相对于焓值较小，可以忽略；（2）由于节流装置长度相对于井下管柱长度很小，节流前后的位能差近似为零；（3）天然气通过节流孔时流动率很高，基本无热交换，q等于零；（4）忽略气体作的轴功，式（2）可简化为：

上式只表明绝热节流前后焓值相等。其实，节流过程并不是等焓过程，节流前后焓前降后升。

已知天然气组成、节流前温度和压力，可求出节流前天然气的焓值h1。根据相平衡计算可求得节流后天然气的气相摩尔分率e、各组分的液相摩尔分数xi及气相摩尔分数yi。假设节流后的温度初值T2，可求得节流后混合物的焓h2，然后调整T2使h1、h2相等，通过迭代即可求出天然气节流后的温度。

1.4节流嘴参数计算

井下节流气嘴直径计算公式可对（1）式进行整理得到：

式中：p1、p2为天然气节流前、后的压力，MPa；qsc为气体体积流量（标况），104m3/d；d为节流孔眼直径，mm；k为气体绝热指数，一般为1.25～1.30；T1为节流前的温度，K；Z1为节流前气体的偏差系数；γg为天然气相对密度。

2　井下节流工具应用

井下节流工具目前已形成了包括固定式井下节流器和活动式井下节流器两大类。现场作业通过钢丝作业来完成井下节流器的投捞［6］。

2.1固定式节流器现场作业方法

目前已有满足节流压差达70 MPa的非抗硫、中高抗硫的固定式节流器。固定式节流器主要由打捞颈、本体、卡瓦、“V”型密封件、油嘴套、整体式气嘴等组成。

座放时先通过模拟通井规进行通井，通井至节流器工作筒位置，记录工作筒的深度，期间无卡阻为合格。投放时，通过两组销钉将投放工具与节流器连接。下放至工作筒位置后，向下震击剪断座放销钉使节流器卡瓦张开，节流器座放与工作筒内，随后向上慢提钢丝，确认节流器座放好后，向上震击剪断检验销钉，使投放工具和井下节流器脱手，完成节流器的座放。具体步骤如下：

（1）以不大于50 m/min的速度匀速下放到节流器工作筒深度，记录静止悬重。

（2）快速向下震击，剪断座放销钉，随后多次快速向下震击，使节流器卡瓦张开，座放与工作筒内。

（3）慢速上提钢丝，观察到悬重上升15 kg以上时，表明节流器已经座放在工作筒内，确定节流器座放好后，在震击器释放情况下快速上提钢丝，依靠震击器的震击力瞬间剪断检验销钉。

（4）起出投放工具，恢复井口，完成施工。

打捞时，下入专用的打捞工具，抓住节流器打捞颈后上提钢丝，使节流器卡瓦收回后，将节流器提出工作筒，上起钢丝至井口，完成打捞施工。

2.2活动式节流器现场作业方法

活动式节流器投放时，投放工具、节流器心杆及外筒通过销钉连接，下行时卡瓦在油管壁作用下，处于收回状态。到达预定位置后，快速上提座放工具串，使节流器卡瓦片张开卡在油管壁上，继续向上震击剪断投放工具与节流器连接销钉，限位弹簧上推使密封胶筒膨胀，节流器座放成功。随后起出投放工具，完成座放。

打捞时，下入专用的打捞工具，抓住节流器打捞颈后向下震击，使节流器胶筒解封，随后上提起出节流器，完成打捞施工。

2.3实例分析

以安岳区某井为例，进行井下节流分析。该井是安岳气藏须善段一口井，井深2 688 m，油管尺寸27/8in，油压26.2 MPa，套压27.4 MPa，地层压力26.018 MPa，温度74.205℃，温度梯度0.833℃/100m，测试产气量33.297 3×104m3/d，产油80 m3/d。准备利用井下节流工艺控制井口压力5 MPa～7 MPa，配产天然气量4×104m3/d，油8 t/d。

根据井下节流动态分析，采用3.4 mm直径气嘴。经过节流后节流器下游温度降低，但是由于地温加热作用，使节流后井筒气流温度高于该压力下的水合物形成温度，从而达到降低地面管线压力及防治水合物形成的目的。该井自2014年6月下入固定式节流器后开井生产，井口油压稳定，产量平稳，一直未发生井筒水合物堵塞现象。

3　结论及建议

3.1结论

（1）井下节流技术可对水合物的形成有效的预防，缩短开井时间，达到稳产的目的。

（2）通过井下节流技术的广泛应用，简化了地面流程，提高了自动化管理水平，节约地面建设投资和井站管理人员成本。

（3）目前井下节流工具及其配套工具的研制日趋成熟，但23/8in及31/2in油管适用的井下节流器仍处于空白阶段。

（4）井下节流工艺现场作业可靠性高，通过在安岳气田超过100口井的现场作业统计表明，节流器一次座放成功率达到98%，一次打捞成功率达到90%。

3.2建议

（1）当初期获得的测试数据产水量较大时，计算所得井下节流嘴可能出现偏差，需要研究该情况下的井下节流嘴直径计算修正系数。

（2）当节流器座放位置以上具有较大井斜时，建议井下节流工具座放及打捞时在工具串上连接扶正器和万向短接，可以减少工具串在起下过程中出现阻卡。

（3）对于进行过储层加砂压裂的井，井下节流器在井下生产时间超过规定的维护时间过长后，陶粒可能对节流器产生严重的冲蚀，导致节流器打捞颈缺损，加大了打捞的难度，甚至导致节流器无法打捞。同时，大量出砂可能将打捞颈掩埋，导致打捞失败。因此，井下节流器应按照气井井下节流操作规程进行维护。

［1］张凤琼，况雪梅，游建国，张奎，朱英杰.井下节流技术在川东地区含硫气井应用初探［J］.天然气勘探与开发，2012，35（4）：74-76.

［2］佘朝毅，李川东，雷振中，周朝定，李志敏.井下节流工艺技术在气田开发中的应用［J］.钻采工艺，2003，26（Z1）：52-56.

［3］曾敏，等.井下节流技术在苏中区块的运用［J］.天然气勘探与开发，2013，36（3）：77-80.

［4］李士伦.天然气工程（第善版）［M］.北京：石油工业出版社，2008：250-259.

［5］李颖川，胡顺渠，郭春秋.天然气节流温降机理模型［J］.天然气工业，2003，23（3）：70-72.

［6］叶长青，李大鹏，贺茂国，等.气井井下节流技术发展与应用［J］.天然气工程，2012，32（增刊）：1-3.

Downhole throttle technology research and application

AI Zhipeng1，ZHANG Liehui1，HE Tingting2，HUANG Qi3
（1.The Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2.China Southwest Oil and Gas Field Company，Chuanzhong Oil&Gas Mines，Nanchong Sichuan 629000，China；3.China Southwest Oil and Gas Field Company，Gas Production Engineering Research Institute，Guanghan Sichuan 618300，China）

Downhole throttle technology through constant research and promotion in recent years，has formed a series of downhole throttle tools and supporting operation equipment.In this paper，combined with the Sichuan gas field operation records of downhole throttle technology，introduces the widely application and job mode of downhole throttle tools，and then，puts forward the solving measures according to the problems in the process of generating operation.Downhole throttle tools in the field operation are high reliability，the can meet the efficient development of gas fields and rapid gas production requirements，economic benefit and social benefit is very prominent.

downhole throttle；tools；field operation；application effect

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.005

TE377

A

1673-5285（2015）02-0017-04

2014－11-23

艾志鹏（1990-），西南石油大学油气田开发工程专业在读硕士，研究方向为采油气理论与工程技术，邮箱：aizp@petrochina.com.cn。