基于OLGA的水下采油树开启分析

刘飞龙

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

近年来,国内海上油气田采用水下生产系统开发越来越多, 水下采油树作为水下生产系统的重要工艺设施，其安全稳定的运行是油气田得以顺利生产的重要保障[1-7]。水下采油树主要由油管悬挂器、采油树帽、采油树本体、阀组、流动通道等组成[8]，为油气藏混合流体输送至海管/海上平台提供安全通道。通过对水下采油树的阀组进行操作，用于开启和关断水下井口，将水下井口和下游海管压力隔离。对于海上气田，水下井口压力高，下游海管/平台操作压力低，通过水下采油树油嘴进行降压，将井口压力降至适当的工艺系统压力需求。油气混合流体经油嘴节流降压后，在油嘴下游产生低温，可能超出水下采油树最低设计温度，同时引发油嘴下游水合物堵塞分析。因此，文章利用OLGA软件对水下采油树开启进行动态模拟分析，直观准确地反映开井过程中管道内流体运行参数，指导水下采油树安全开启。

1 气田概况

南海某气田有4口井，最大关井压力为27.73 MPa，环境温度为17.2 ℃，采用水下生产系统进行开发，井流物通过跨接管接入水下生产管汇，经由油气混输海底管道回接到中心平台，利用平台上的设施进行处理。水下采油树油嘴下游出油管线的设计低温为-35 ℃，海底软管的设计低温-15 ℃。

2 充压分析

水下生产系统和海管调试完成之后，启动水下井口。由于井口压力和油嘴下游压力相差较大，会产生节流降温效果。水下采油树开启过程中需考虑的流动保障问题包括：确保流体温度高于采油树、跨接管和海管的最低设计温度；确保管道内流体的操作条件(温度和压力)在水合物形成区域之外。

油嘴上游流体条件为最大关井压力和环境温度，为了确定采油树油嘴下游的最低压力，采用PR状态方程对井口流体的节流降温效应进行了计算分析，图1为井口流体油嘴下游压力和温度的关系。

图1 油嘴节流降温曲线Fig.1 Choke cooling curve of glib

从图1可知，油嘴下游压力为4 MPa时，油嘴下游的温度为-33.7 ℃，高于水下采油树的最低设计温度。因此，建议水下井口初始开启和再启动时，将海管至少充压至4 MPa，充压的流体需选用堕气，如氮气或平台处理后的干气，以确保井口流体经节流降压后流体温度不超过管线材质的设计低温要求。

3 开井分析

开井分析的目的是评估段塞流捕集器的能力，并确定各个位置(尤其是节流阀下游，跨接入口和海管入口)的最低温度。水下采油树开启模拟分析时，作如下假定：水下生产系统关断后，海管的平衡压力为1.95 MPa，此压力下水合物生成温度为8 ℃；水下生产系统关断前已达到稳定状态，关断后已冷却到最低环境温度。

由于焦耳—汤姆逊效应，长时间关断后再启动油嘴下游产生低温，为防止在油嘴下游生成水合物，再启动时需在油嘴上游注入甲醇。应用OLGA软件建立井筒、采油树、油嘴、出油管线、海管和相应的阀门，模拟开井时气藏物流经过井筒、油嘴和海管内介质的流动情况。

为避免水下采油树开启过程中油嘴后的流体温度超过管线材质的设计低温，采用以下措施针对水下采油树开启过程进行研究，确保水下采油树能顺利启动。

将海管充压，降低节流效应。根据油田实际操作情况，选用平台处理后的干气对海管进行充压，也可通过先开启井口压力较低的水下井口将海管的运行压力提高；水下采油树开启的前一段时间控制油嘴开度，小流量开井，利用甲醇热容大的特点，降低井口流体节流降温效果，使油嘴后流体温度顺速提高。

3.1 充压开井模拟结果

已知A1井口参数(井口压力为14.55 MPa，井口温度50.1 ℃)，油嘴下游压力为1.95 MPa，通过HYSYS软件计算，油嘴下游流体温度为7 ℃。当只有A1井启动，其油嘴后的温度一直稳定在7 ℃，低于水合物生成温度(8 ℃)。因此，利用平台上的干气反向为海管充压，将海管内的压力充压至4 MPa，同时在油嘴前需注入1.4 m3/h甲醇防止形成水合物。在此情况下，应用OLGA软件模拟水下井口再启动，模拟结果如图2。

图2 采用充压措施再启动A1井模拟结果Fig.2 Simulation results of restarting Well A1 with pressure charging measures

从图2看出，由于水下采油树关断后流体温度降至环境温度(17.2 ℃)，油嘴开启后的前一段时间流体温度比较低，油嘴后的最低温为-26 ℃，海管入口的最低温度为-2 ℃，随着开启时间的增长，井筒内的流体温度逐渐上升，开启后约25 h，油嘴后的温度超过8 ℃，高于水合物形成温度，此时油嘴下游不会形成水合物，可以停止在油嘴上游注入甲醇，至此，A1井启动完成。

3.2 小流量开井模拟结果

已知A3井口参数(关井压力为19.39 MPa，井口温度46.6 ℃)，油嘴下游压力为1.95 MPa，通过HYSYS软件计算，油嘴下游流体温度为-47 ℃，超出了油嘴下游管线低温限制(-35 ℃)。此时，采用小流量开井，利用甲醇提升油嘴下游温度。在模拟中考虑前1 h小流量开井，等流体温度升高后将开井气量提高到配产量。前1 h不同开井气流量的模拟的结果见图3。

图3 不同开井气量时油嘴下游温度曲线Fig.3 Temperature curve of downsteam of oil nozzle under different well opening gas volume

由图3和表1可知，为了控制油嘴下游流体温度不超过-35 ℃，建议前1 h控制油嘴开度，使开井的气量不超过4.0×104m3/d。开井1 h后，调节油嘴开度，使水下采油树流量达到配产要求，模拟结果如图4。

表1 不同开井气流量时油嘴下游流体最低温度Tab.1 Minimum temperature of fluid downstream of nozzle under different well opening gas flow

图4 采用小流量开井措施再启动A3井模拟结果Fig.4 Simulation results of restarting well A3 with small flow well opening measures

从图4可以看出，采用小流量开井措施，前一个小时控制流量为4.0×104Sm3/d，油嘴下游的最低温为-31 ℃，海管入口的最低温度为-14 ℃，随着开启时间的增长，井筒内的流体温度逐渐上升，开启后约3 h，油嘴后的温度为13 ℃，高于水合物形成温度(8 ℃)，此时可以停止在油嘴上游注入甲醇，至此，A3井启动完成。

4 结论

针对水下采油树启动时产生低温，通过充压或小流量开井可避免启动低温问题。当水下采油树启动时，为了避免油嘴下游温度低于管线设计低温，需将海管充压至4 MPa。当A1水下采油树关断后再启动时，首先采用平台处理的干气充压至4 MPa，然后开启A1井，开启25 h后油嘴后温度高于8 ℃。当A3水下采油树关断后再启动时，开启的前1 h控制气量不超过40 000 Sm3/d，油嘴下游最低温度为-31 ℃，海管入口的最低温度为-14 ℃，1 h后调整油嘴开度，逐渐使气量达到配产输气量，可确保水下采油安全开启。