天然气井井下节流器研究现状及应用前景

2022-10-25李佳欣蔡家铁陈欣然杨双春

石油矿场机械 2022年5期

李佳欣，蔡家铁，陈欣然，杨双春，陈博

(辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001)

在天然气井的生产和作业过程中，水合物生成的问题层出不穷，极易造成井筒堵塞、油气减产，对井筒内精密结构造成损伤，严重时会导致气井停产。现有技术条件下，天然气井生产需要大量地面节流设备，其作用是降低天然气中的水合物。这些设备投资大，能耗高，对油气井的安全生产以及日常管理十分不利，同时也给环境保护带来挑战。近年来，随着井下节流器技术的发展，井上系统和天然气水合物生成的问题得到一定程度改善。本文针对现有的井下节流器技术进行分析总结，并对其未来的研究发展工作提出一些思路。

1 井下节流器原理及结构

井下节流工艺是运用井下节流嘴对井筒进行节流降压，并采取地层温度加热的方式，让经过节流的流体温度尽可能恢复至与深度地层温度相同，如图1所示。这样就降低了井筒内水合物形成所必须的初始温度，也就达到了防止水合物生成的目的。

1.1 井下节流工作原理

井下节流的工作原理是把井下节流器投放到井筒的适当位置，使其对井筒内的高温高压气体进行节流降压，如图2所示。这样就可以把地面节流过程转换到井筒里，采用地热对流体加热的方法，将地层中高温、高压流体的膨胀和吸热的过程在地层中实现，以保证气体温度和低压输气。经过这样节流操作的流体，其温度会比节流后压力条件下的水合物形成最高温度高，此时，井筒、井口和地面管线就不会形成水合物堵塞，从而达到节能降耗、安全、环保的效果[1]。

图1 井下节流温度分布理论分析曲线

图2 节流降压降温原理

井下节流器的主要功能如表1所示。

表1 井下节流器主要功能

1.2 井下节流器装置的结构

20世纪40年代，穆拉维也夫(MypaBbIeB)和克雷洛夫(A.n.KpbIJIOB)共同提出了1种在自喷井里选择井底节流嘴来解决油井激动间歇以及降低其程度的新思路。如果采用这种方法，更换节流嘴与更改油嘴尺寸时就必须打捞出整根油管，操作工序非常繁琐，因此并没有得到大范围的推广使用。直到20世纪80代，位于井下的节流嘴才再一次引起油气田开发者的重视。

国内外许多油气田都曾结合自身特点开展过井下节流器的试验研究。现有节流器的结构主要由承托筒、内筒、密封胶筒、卡瓦、气嘴等部件构成。例如苏里格气田、神木气田主要采取HFY-56型井下节流器。这种井下节流器的结构主要包括打捞颈、扶正器、卡瓦、密封胶筒、防砂罩等部分，如图3所示。

图3 HFY-56型井下节流器示意图

根据节流油嘴结构，井下节流器还可按照表2进行分类。

表2 井下节流器的分类

2 井下节流器种类

在实际生产中，井下节流器的应用已经相当广泛。目前，井下节流器主要被划分成固定型以及活动型2类。

2.1 固定型井下节流器

固定型井下节流器的结构如图4所示。这种型号节流器还被称为坐放式井下节流器，它的内部安装有1个工作筒，用于确定节流器的下入位置。

图4 固定型井下节流器示意图

祝心发、陈磊等[2]对苏里格南项目中的固定型井下节流器进行了研究，深入分析了固定型井下节流器在苏里格南项目实际应用中的优点和不足。

目前，固定型井下节流器在井内无油管生产的情况时，不能改变它坐落短节的位置。坐落短节的位置通常在3 500 ～4 000 m的深度，这个深度给节流器的工作效率和使用年限带来很大挑战。

随着近年来智能完井技术的发展，固定型井下节流器又有了新的变革。智能完井的井下监测系统就可以被看作1种固定型井下节流器，它可以对储层的压力、温度、流量等参数进行测量；它的决策系统则会根据这些井下参数发出控制命令，执行系统在得到命令后，节流器机械装置开始工作，节流器随即发挥作用，达到优化生产的目的[3]。这也推进了固定型井下节流器在新领域的应用。

2.2 活动型井下节流器

活动型井下节流器的结构如图5所示。与固定型井下节流器不同，在对气井进行节流作业时，活动型井下节流器可以不再压井和起下油管，只需要测试车把节流器投放到指定深度，坐封，就能够对井下流体进行节流降压。从井下取出节流器时，只需使用专门的设备，就能够成功起出节流器。

图5 活动型井下节流器示意图

王锦生等[4]成功提出了井下节流器工艺技术，可以在气体保温条件下进行低压输气，从而降低能耗、安全环保；王晓荣、徐文龙等[5]设计了1种新型节流器。该型节流器运用活塞坐封，并安装有新型防砂筛管，能够有效防砂；肖述琴、于志刚等[6]设计了1种压缩卡瓦式井下节流器中心杆，并使其胶筒回缩的新型打捞工具，减少了节流器打捞时间，降低了操作成本；段宝玉、张桂迎等[7]研制了新型活动式井下节流器，这种节流器不仅拥有精准定位、稳定耐用的特征，还解决了老式节流器打捞操作复杂的弊端；蒋发光、梁政等[8]对井下节流器的胶筒系统进行了有限元分析，确定了胶筒膨胀端口部厚度、胶筒与锥套之间的配合夹角等相关参数；李国强、张跃等[9]设计了井下可调节防砂节流器模型，利用地面压力系统来实现地下气嘴大小的自动调节功能；段宝玉、刘力军等[10]研制了天然气井免钢丝投捞井下节流器及其配套工具，这种井下节流器体积小、质量轻，投捞时不用试井车，使用方法简便，减少节流器作业成本，也增加了采气工作效率；申鑫、吴孟人等[11]设计了1种新型可调式井下节流器，它利用气嘴的切换来实现气井配产与试井等切换工作制度；练章华、滕汶江等[12]研制了1种新型活动式井下节流器，具有长度短、投捞可靠、密封良好、使用寿命长等特点，实际作业效果显著，采气过程稳定安全；赵乃鹏、占赛等[13]研发了气井可调式井下节流器，减少了神木气田中节流器投捞次数，有效降低劳动强度及作业风险。也降低了气田的管理成本；尉晓文、王敏等[14]提出，对于气井井筒已经出现积液的情况，就必须把节流器打捞出井，进而才能选择有效的排液生产手段，这样才能让气井的产能稳步提升；王惠、惠徐宁等[15]研制了锁芯式井下节流器，这种节流器具有投捞稳定、坐封准确、密封良好的优点，根据现场数据，其1次打捞成功率高达90%；朱磊、王慧武等[16]设计了预置式全通径气嘴可退式节流器及其配套工具，对气嘴的内径和最小下入深度进行了计算。

总体来说，固定型井下节流器适用于新投产的气井，而对于已经投入生产作业一段时间的老井；活动型井下节流器的应用则更加广泛。经过对比不难

看出，相比于固定型井下节流器，活动型井下节流器操作更加简便快捷、成本更低、使用范围更广。

3 智能井下节流器

随着智能完井技术与智慧油田理念的发展[17]，在井下节流工艺的运用过程中，传统节流工艺技术由于受到诸多条件的限制而劣势明显。机械式的节流工艺不具备实时读出井下压力、温度等井下生产参数的能力，不能实施监督井下生产状态，也无法在第一时间掌握井下的安全状况，更无法根据井下复杂情况自动改变节流器工作方式，这就给气井的生产带来很多不便；传统井下节流器不能及时自动改变节流嘴径的尺寸，需进行此操作时，必须先关井，再使用绳索将节流器打捞出井，才能根据所要达到的不同等级的节流功能，由地面工作人员手动安装不同嘴径大小的节流嘴，这样无疑降低了生产效率，增大节流器损坏的风险，也缩短了节流器的使用寿命。

智能完井的井下节流器能够测量储层的压力、温度、流量等基本参数，在分析后发出下一步指令，在得到指令后，井筒内的执行装置开始运作，从而达到优化生产的效果[3]。应用智能完井技术可使油藏采收率提高10%[18]，这也推进了固定型井下节流器在新领域的应用。

何明格、林丽君等[19]开发了1套井下智能节流及智能节流器系统，如图6所示。该系统的节流嘴和节流阀座采用锥阀配合的形式，能够实现对井下信号实时动态监测和对井下节流器远程实时控制，也验证了井下智能节流方式是切实可行的。

图6 智能井下节流器结构示意图

随着智能井下节流器的逐步应用，其不足也开始显露。目前的智能井下节流器无法根据井下复杂情况变化及时自适应改变节流嘴径大小，且节流嘴径的变化自由度不高。部分智能节流器仍属于半机械控制，无法实现数字化的远程操控，在井下高温高压环境中经常出现智能系统故障等问题，还需在后续的研发工作中进一步优化。

4 发展建议

天然气井井下节流技术在油气田已经被广泛使用，但是，目前的井下节流器在油田生产中还有一些难题尚未觅得解决方法。在日后的研究工作中需要重点关注以下方面：

1) 当前井下节流器的智能化和数字化还远远不够，需要进一步开发能利用人工智能技术，实现远程精准控制，自动改变油嘴尺寸的高度智能化井下节流器；同时，新型的智能节流器还需要具备将井下温度、压力的数据等实时传递回地面的能力，使地面工作人员能够及时掌握井下复杂情况变化，便于调整节流器工作状态，也能够对智能节流器的工作效果进行及时监测。

2) 目前的井下节流器在投放的过程中，其坐封机构为机械式，易引起节流器误坐封。新一代的智能井下节流器需要利用人工智能技术，根据井下温度压力变化，准确判断坐封位置，达到远程精准控制节流器坐封的目的。

3) 在人工智能产品发展的历程中，可能会存在因灵敏度过高造成的困扰。因此，智能化井下节流器在根据不同井况改变节流嘴大小时，需要设定1个“变化区间”，只有当井下情况的变化超出这个“变化区间”时，节流器的节流嘴才会自动做出相应的调整。避免井况稍有变化时，节流器的节流嘴径就随即发生变化。