层级式孔板排水采气工艺设计及性能对比

王其伟 (中石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营257015 中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580)

天然气燃烧主要产生水及CO2，废气中粉尘及氮、硫含量低，随着能源绿色环保化，气代煤、气代油成为大势所趋，因此，天然气的生产显得日益重要。气井生产多数伴有地层水产出，严重影响气井的产量，出水严重时，产气量降低，甚至关井停产[1～6]。在气井生产过程中，排水采气是常用的有效手段。目前气井排出地层水、提高采气效果的方式主要包括氮气举排液、更换小直径油管、下连续油管、泡沫排液(加泡沫剂，投泡沫棒)、井下加排液泵[7～13]等方式，上述方式对某些类型的气井都有一定的效果，能够将井底积液部分排出，维持气井正常生产。但常用的加入泡沫剂的方式一方面增加生产成本，同时返排的泡沫剂对环境也会有一定的影响，气举有效期短，且成本较高，因此，新型排水采气工艺不断涌现。

井底积液的根本原因是气液两相流的非均质性，在井底压力的作用下，产出的天然气总是向上流动，当地层能量充足，气井产量较大时，气体流速较快，液体克服重力作用，随气体向上流动，从井口产出；但当气体流速较低时，向上运移的液体会沿井筒壁回流到井底，在井底积累，井底流压增大，影响气体的产出。气液两相沿着井筒向上流动与回流，受重力和气体流速的影响，会达到一个动态平衡状态[14～19]，气井液体回流的根本原因是气液两相密度不同、运移速度不同，受到的重力影响不同，如何克服井筒垂直状态下气液两相流的液体回流，是解决气井积液的根本方法。

1 层级式孔板排水采气工艺设计

图1 层级式孔板排水示意图 图2 漏斗式孔板示意图

在气井井筒内安装多个可以将积液泡雾化并能限制液体回流的孔板，形成功能组群的方式，对沿井筒向上运移的井底积液采用逐级泡沫化或雾化，利用气流动能将液体逐级上移，并且通过雾化装置的边沿部分限制液体的回流，从而将井底积液排出井筒。层级式孔板排水装置包括油管以及安装在油管内部的孔板，如图1所示。既能有效克服积液回流，又能减少化学剂的用量，节约成本。在光滑的井筒中，低速气流呈层流状态，井壁附近气体流速慢；在气流速度较快时，气体呈紊流状态，但井壁处的气体流速仍然较慢，液膜也较厚，无法阻止液体的回流，为液体沿筒壁向下流动创造了条件。加入孔板后，其上口较小，且上表面与井壁呈一定角度，液体不能沿着井壁向下，需要改变流动方向，经过气体流速较快的孔喉，被上升的气流托起，使气体携带液体旋转上升。该装置通过在井筒中有规律地添加多个阻止液体回流的孔板，将井筒单一均匀结构改为层级变径结构，改变气流形态和局部气流速度。同时，为了提高装置的排水效率，减少气体上升阻力，阻止液体回流，优化后的装置类似于倒置的漏斗，并且出口内表面带有可以使上升气体旋转的旋流槽，使气体呈涡流状运移，改变了气流的方向和流速，提升了气体的携液能力，如图2所示。

图3 井筒携液模拟装置示意图

该装置设计的孔板与节流阀不同，固定在井筒接箍处，进口直径与井筒相同，出口略小，上下孔连通，在阻止液体回流的同时，最大限度地减少孔板对气体流动的影响，尽可能保持气体在孔板两侧压力不损失。内表面沟槽或凸起形成导流线，雾化装置上部孔的上表面与油管管壁近似直角，对沿着管壁向下流动的液体起到阻挡和改变液流方向的作用，利于旋流而上的气液流将液体二次泡雾化携带向上运移。该装置的孔板出口界面改变了向下流动的液流方向，是目前改正油管均匀光滑、液体易回流的有效手段，其方法虽然简单，但是效果明显。

2 层级式排水采气方法性能评价

2.1 试验设备

试验所用模拟井筒是一个总长度为300cm的有机玻璃管，每段长50cm(外径50mm，内径44mm，壁厚3mm),由长度为10cm的短有机玻璃管(内径50mm、外径60mm)连接而成,如图3所示。试验所用气体为空气，由空气压缩机提供。试验用水为自来水。

2.2 试验方法

将有机玻璃管垂直固定在高3m的支架上，底部与进气管和进液管连接，上部出口通过橡胶管与液体收集量筒连接，2根有机玻璃管的连接处根据试验要求，可以安装限制液体回流的孔板，将水装入连接好的有机玻璃管中，按试验设计通入不同流量的气体，记录液体上升的高度，或不同时刻从出口排出的液量。

2.3 试验条件

试验温度：室温；气体流速：315mL/min(压缩机供气)；孔板内径：15mm。

2.4 试验结果

管筒没有孔板时，在315mL/min的气体流速下，液体可以到达240cm的高度，但不能到达出口，随着时间的延长，情况没有变化。当添加孔板限制液体回流后，水可以从出口排除，进入收集液体的管筒。从表1数据可以看出，随着时间的增长，安装孔板时，排液量逐渐增多，当充气40min后，液体平均排液量达到600mL，并且剩余液体都集中在管筒的最上一级孔板处，底部的几节孔板没有水积存。从试验现象也可以看出，液体是从底部逐级向上运移的，类似于给液体装上了向上攀登的阶梯，可以逐级向上传递，达到比较理想的排液效果。液体逐级上升的方式对于井筒较深、气体流量较小的气井，具有良好的辅助排液的功能。

表1 孔板对携液能力的影响

3 排水采气方法对比

当气体流速小、油管直径较大时，液体很难被携带到地面[20]，加入泡沫剂提高携液能力，是目前比较常用的措施之一。在气体流速很小、油管直径较大的井筒中，即使加入孔板阻止液体回流，也很难使液体上升到井口，达到排出积液的效果。目前层级式孔板排液技术还不能完全取代泡沫排水等常规工艺，将泡沫排液与层级式孔板相结合，可以更加有效地提高泡沫排液的效果。室内利用有机玻璃管，验证了有泡沫剂存在时，层级式孔板排水装置对排液效果的影响。

采用图3所示试验装置，室温；在两段50cm长的管子之间加装下口内径44mm、上口内径35mm、高20mm的喇叭口式立体孔板作为减少液体回流的装置，共5片；气体由压缩机提供； XG-1泡沫剂，由陕西广贸石油工程有限公司提供。

表2 孔板对泡沫剂携液能力的影响

试验方法：在有机玻璃管内加入1000mL水或质量分数为0.5%泡沫溶液。按2.2试验方法进行试验，对比加入孔板前后的气液运移特点和充气10min后排出的液体量，可以看出加入孔板对泡沫剂携液能力的效果，结果见表2。

由表2可以看出，泡沫剂存在时，有孔板，相同的排液时间，3个气体流速下，排液量都比不加孔板的排液量大，管筒中残余液量明显低于无孔板的量，说明加入限制液体回流的孔板可以增加气体对泡沫的携液能力，减少回流量，加入多级孔板可以明显提高井筒的排液能力。但从表1与表2中数据对比可以看出，有孔板、没有泡沫剂时，10min平均排液量仅为150mL，排液速度要低于有泡沫剂、无孔板装置10min排液900mL的速度。因此，孔板排水技术目前的排液效率还不是十分理想，有必要在孔板装置的形状及排液机理上进一步研究，提高装置的排液效率，使之高效发挥排液功能。但加入泡沫剂在实际气田排水效率也与室内试验相差较大，试验用有机玻璃管仅3m高，新生成的泡沫致密，携液能力强，泡沫性能在有机玻璃管中几乎没有变化，而实际管柱中，井筒通常数千米长，泡沫的性能不断衰减，泡沫稳定性差，随着向上运移时间的增长，泡沫的稳定性及携液能力会随之大幅下降。从有孔板并加泡沫剂的试验可以看出，孔板和泡沫剂同时存在，具有协同作用，其效果好于单独的2种方式。

该方法与在井筒安装排液泵及气动排水采气装置有相同点，都是通过在井筒添加装置辅助排液，但存在根本性的差别，其工作原理、设备结构都不同。安装排液泵需从地面连接电缆，消耗动力；气动排水装置是采用射流泵原理来排液，在射流泵上下两端有压差损失，损耗了地层的能量；层级式孔板排水是采用孔板排水装置来提高排水效率，中间的通孔可以允许小型井底设备通过，与气井管柱结合形成有效的功能体，其特点是进口尽可能消除或减少对气液流体的阻力。

柱塞气举排水采气法是一种间歇性的排水采气技术，通过在油管中安装一个上下运动的柱塞，人为地在产出液与举升气(包括地层气和注入气)之间形成一个机械界面，以减少滑脱损失，提高举升效率。柱塞气举的能量主要来源于地层。缺点是地层气体流量不能太低，产液量不能太高，且不能连续生产，每天开井几次，每次生产一段时间[21，22]。

层级式孔板排水与其他的排水采气工艺及技术相比，优点是结构简单，性能稳定，不需要外加动力和日常维护，一次投入，后续费用低。缺点是安装该装置时老井需要进行作业施工，费用高；新井安装该装置，对于后续作业造成一定影响，需要更换匹配的小直径入井设备。

4 结论

1)加入孔板后，能够提高气体的携液能力，阻止液体在井筒中的回流，提高气体排液效率。层级式孔板排水装置用于气井增产的方法和原理是成立的、有效的。

2)孔板排水装置能够提高气体及泡沫携液效果；但从排液效率来看，层级式孔板排水装置排液效率还不理想，试验中与加泡沫剂还有一定的差距，该项研究只是起到了开拓的作用，距离工业应用还有较长的路要走；同时，层级式孔板排液技术与其他排液方式也并不矛盾，可以共同发挥彼此的协同作用。

3)试验条件与实际的井筒条件相差较大，试验结果只能证明层级式孔板排水装置可以明显提高气体排液效果，但在实际生产中气体流量和装置的匹配性、装置的最优化设计，还有待于在现场的试验中进一步验证和提高，不断完善成熟。