气井井下双节流油嘴设计方法.pdf

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1、第 2 7 卷第 1 O 期 天然气工业 气 井井下双节流油嘴设计方法 * 叶长青 刘建仪 吴革 生 胡世 强 ( 1 “ 油气藏地质及开发 工程 ” 国家重点实验室 西南石 油大学2 中国石 油长庆油田公司研究院 ) 叶长青等 气井井下双节流油嘴设计方 法 天然气工业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 7 3 7 4 摘要 安装 一个节流油嘴存在 的最大弊端是 节流前后压 差很 大， 造 成节流 油嘴 密封部件 很容 易失效 ， 这 就 是 目前 井下节流仅在 浅井中得到广泛应用 ， 而在 中深井 中应用 受到限制 的原 因之一 。为 了解决 此问题 ， 提 出 了安 装双

2、 节流 油嘴， 并建立 了双节流油嘴 的设计模 型。研 究结果表 明， 该模 型能真 实反映双 节流 油嘴井下 节流井 筒流 动动 态； 双节流油嘴可 以减少每个节流油嘴 的压差 ， 从而减少损坏 的可能性 ； 双节流油 嘴位 置必须 满足节流后 不生 成水合物 ， 较浅一个节流油嘴下入位置必须在较深那个 节流油嘴温降基本恢复的位置才能进行节流 。 主题词 完井 气井 水合物 节流 井下工具 井下 油嘴 井下 节流 工艺 技术 是近 年 来在 采 气 工 程 中新 兴 的 一种 工 艺 技 术 ， 井 下 节 流 工 艺 是将 地 面 气 嘴 移 到 井下 ， 将节流过程转移至井下， 降低节流

3、井 筒内压力 分布 。井下节流在井下实现节流降压 ， 并 可利 用地 层热量对节流后的降温气流进行加热升温， 可 以大 大降低节流下游压力 和井 口压力 ， 变高压集气为低 压集气 ， 有利于气井的安全生产 ， 防止井筒 内和集气 管线水合物 的形成 。目前在辽河、 四川 、 长庆、 华北 和大 庆等 油 气 田得 到 了 比较 成 功 的应 用 。但 是 ， 安 装一个节流油嘴存在的最大弊端是节流前后压差很 大 ， 造成 节 流油 嘴密 封部件 很 容 易损 坏 ， 从 而 造成 节 流 下游 压力 突然 升高 ， 节 流油 嘴 冲 出井 口 ， 破 坏 下游 设备。浅井井筒压力普遍较低 ，

4、 深井井筒压力较高 ， 这也是 目前井下节流在浅井 中得到广泛应用， 在 中 深 井应 用效 果受 到 限制 的原 因之 一 。 目前 对 于单 个 井 下 节 流油 嘴 研 究 比较 多 ， 对 于 下 人 双 节流 油 嘴 设 计 方法 的研究 较少 ， 笔 者从 井 下节 流 的机 理 人 手 ， 建 立 了双节 流 油 嘴 的设 计模 型 ， 提 出 了设 计 方 法 ， 为 井 下双节流 油嘴在 中深井 的推广应用 奠定 了理论 基础 。 一 、双节流油嘴设计模型 双节 流油 嘴的设 计 与单 个 节流 油 嘴存 在 很 大差 别， 双节流油嘴存在两次降压降温过程 ， 怎样分配两 个

5、 节流 油嘴 的压差 以及 确定 两 个 节流 油 嘴 的相 对 位 置是设 计 的关 键 。设 计 准则 ： 两 个 节 流 油 嘴 平 均 分配整个节流压差； 节流后都不生成水合物 ， 较浅 一 个节流油嘴下人位置必须在较深那个节流温降基 本恢 复 的位 置 。双节流 嘴 安装示 意 图见 图 1 ， 根据 以 上准 则 ， 双节 流嘴设 计模 型 如下 。 l 国 雕I 图 1双节流油嘴安装示意图 f 却 一I( P 一P 4 ) T2Th 1 J T 3 0 9 丁 g h z l 丁4 T 式中： A p 为较深那个节流油嘴 的压降 ， MP a ； T 为 较深 节 流 油嘴 节

6、流后 压 力 ( 。 ) 对 应 的水 合 物 温 度 ， ； T 。 为 较 浅 节 流 油 嘴 节 流 后 压 力 ( ) 对 应 的 水合物温度， ； T 曲 。 为井深 ( ) 地温梯度所对应的 温度 ， 。 计算过程 ： 假定两个节流油嘴位置分别为 h 、 h z ； 由井底 流压 ， 根据式( 4 ) 计算 h 处节流油嘴上 游压 力 ( ) 、 温 度 ( T ) ； 由井 口压力 ， 根 据式 ( 4 ) 计 *本文受 到国家 自然科学基 金项 目( 编号 ： 5 0 3 7 4 0 5 7 ) 的资助 。 作者简介 ： 叶长青 ， 1 9 7 6 年 生 ， 助理工程师 ，

7、硕士研究生 ； 从事采气 工艺 及其天然气水合物研 究工作 。地 址 ： ( 6 1 0 0 5 0 ) 四j 省成都市新都大道 3 O号 。电话 ： ( 0 2 8 ) 6 6 8 9 2 8 8 4 。E - ma i l ： s wp i mO 4 0 2 4 y c q 1 6 3 c o rn 73 维普资讯 天然气工业 2 0 0 7 年 1 O月 算 h 处节流油嘴压力( p ) ； 以( p 一P ) 2为节流 压差 ， 根据式( 2 ) 、 ( 3 ) 进行 h 处节流油嘴尺寸设计 ， 计算下游压力( p ) 、 温度( T ) ； 由 P 计算水合物 温度 ( T h )

8、， 若 ， 则 调整 深 度 h 一h +5 0 ， 重 新进入 ； 由 P 、 T 根据式( 4 ) 计算较浅节流油嘴 上游 压力 ( p 。 ) 、 温 度 ( T 。 ) ， T 。 n 0 9 T h 2 ， 则 h z h z 一 5 O ， 则 重新 进入 ； 由 P 。与 P 根 据 式 ( 2 ) 、 ( 3 ) 计 算较浅节流油嘴尺寸及下游温度( ) ， 由 P 计算水 合物温度 ( T ) ， 若 T ， 则调整深度 h 一h 2 + 5 O ， 重 新进 入 。 二、 管流与嘴流模型 1 节流 压 降模型 天 然气 流过节 流 装置 时 ， 因过 流 截 面 突缩 ， 其

9、 流 速 会迅 速增 大 ， 造成局 部 阻力 增 大 ， 使其 压 力 显 著下 降， 节流前后的压力与其流量的关系为 ： 一 ( ) 。 。 ( ) T c 一 盖 l I J I J j 式 中 ： P ， P z为天 然 气节 流 前 、 后 的压 力 ， P a ； g 。 为 气 体体 积 流量 ， m。 d ； d为节 流孔 眼 直 径 ， mm； k为 气 体绝 热指 数 ； T 为节 流前 的温 度 ， K； Z 为节 流 前气 体 的偏差 系数 ； y 为天 然气 相对 密度 。 2 节 流温 降模型 对于单位质量气体稳定流动， 能量守恒方程为： ( i + + g z +

10、 q ) 一( z + 专 ； + g z z + W 。 ) 一0 ( 3) 式 中： i ， i 为节流前后气体的比焓 ， J k g ； ， 为节 流 前后气 体 的流速 ， m s ， z 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 k g ； W 为 气 体所 作 的轴功 ， J k g ； g为重 力加 速度 ， m s 。 3 井筒压 力 、 温度梯 度 的综 合数 学模型 f J d j d T j I p g sin 0 - 厂 ) ( 1 一 OU V sg ) n + 譬 + f p 笔 一 W U f ( t k c p rl

11、0 。 。 ) + L 式 中 ： P为 压力 ， P a ； T 为 温度 ， K； 厂为 摩 阻 系 数 ； 为气 体表 观流速 ， m s ； W 为总质 量 流量 ， k g s 。 三 、 实例计算 以苏里格的 S U一 3 9 1 4 2井为例进行计算 ， 气井 基本参 数如下 ： 井深为 3 3 1 6 m， 地层压力 为 3 O 8 O 74 MP a 、 地层 温度 为 1 0 5 、 产 气 量 为 3 3 2 8 3 r n 。 d 、 气 体 相对 密度 为 0 6 1 、 套管 2 4 4 5 5 0 0 6 m、 1 7 8 3 3 1 6 r n 、 油管内径为

12、6 2 mm。由前面的计算模型 及求解思路计算结果见表 1 、 图 2 4 。 表 1 两次节流与单次节流对 比表 压力对 比( MP a ) 温度对 比( ) 节流油嘴尺寸 上游 下游 差值 上游 下游 差值 一 个 ( 3 9 2 mm) 1 9 3 5 4 7 0 1 4 6 5 5 7 2 9 1 5 7 1 4 l I 5 8 两 个 ( 4 mm) 1 9 4 1 1 2 7 4 1 5 7 3 O 4 2 1 3 1 5 1 7 两 个 ( 5 mm) 1 1 3 6 4 3 3 7 O 3 4 1 7 2 1 5 3 9 2 6 3 3 O 1 0 0 0 2 0 0 0 3

13、0 0 0 O 一1 0 0 0 2 0 0 0 3 o o O O ， ：1 O o o 2 0 0 0 3 0 0 0 压力 ( 1V P a ) O 1 O 2 O 图 2 两次节流与单次节流压 力对 比图 温度 ( ) 图 3 单次节 流水 合物生成情况图 温度 ( ) 0 4 0 8 0 1 2 0 图 4 两次节流水合物生成情况 图 从 表 1 、 图 2可 以看 出 ， 两次 节 流 较 深 一个 节 流 油嘴未达到临界流动 ， 较浅一个节流油嘴达到 了临 界流动。两个节流油嘴与单个节流油嘴的总压降和 温降是差不多 的， 但是两个节流油嘴的每一个所承 受 的压差 要小 得 多 ，

14、 减 少 了损 坏 的可 能 性 。从 表 1 、 图 3 、 4可 以看出 ， 在节流位置处都存在一个大的温 降， 这是水合物的危险位置 ， 单次节流与两次节流总 的温降差不多 ， 但是两次节流对温降进行 了平分 ， 把 水合物 的危险位置移 到了较浅位置， 单次节流水合 物的危险位置在 1 5 0 0 m， 而两次节流水合的危 险位 置在第二个节流油嘴 1 0 0 0 m处。 ( 下转第 7 8页) 维普资讯 天然气工业 2 0 0 7 年1 O 月 缝相互干扰 ， 平均单缝宽度减少 ， 闭合应力增加 ， 则 净压增加 ， 流动阻力增加 ， 出现较高 的裂缝延伸净压 与泵压。比如在 3 O

15、 。 转 向角度 时， 在 6 mi n时， 一条 裂缝净压力为 1 4 MP a ， 而三条裂缝的延伸净压为 2 9 M Pa。 参 考 文 献 1 MAHR E R K D ， AUD W W ，HANS E N J TF a r - fi e l d h y d r a u l i c f r a c t u r e g e o me t r y ：A c h a n g i n g p a r a d i g m J SPE 36 4 41， 1 99 6 2 S A TO，K WR I GHT C A，I CHI KAWA MP o s t - f r a c a na l ys e

16、 s i ndi c a t i ng mul t i p l e f r a c t u r e s c r e a t e d i n a v ol c a ni c f o r ma t i o n J I n d i a O i l a n d G a s C o n f e r e n c e ， Ne w D e l h i ， SPE 39 5 13， 1 99 8： 1 0 1 2 3 WE UE R S L， WR 1 GHT C AS i mu l t a n e o u s p r o p a g a t i o n of mul t i p l e h y dr a u

17、l i c f r a c t u r e s e v i de nc e， i m p a c t a n d mo d e l i n g i mp l i c a t i o n s r J S P E 6 4 7 7 2 ， 2 0 0 0 4 黄 醒春 ， 顾隽超 ， 夏小 和 压 载条件 下裂纹 断裂扩 展的位 移不 连 续 数 值 分 析 J 上 海 交 通 大 学 学 报 ， 2 0 0 1 ， 3 5 ( 1 0 ) ： 1 4 8 6 1 4 9 O 5 王鸿勋 ， 张士诚 水力 压裂设计 数值 计算方法 I- M 北 京 ： 石 油工业出版社 ， 1 9 9 8 ： 1

18、7 8 1 8 4 I- 6 米 卡尔 J 埃克诺米德斯 ， 肯 尼斯 G 诺 尔特 油藏 增产措 施I- M 3版 张 保 平 ， 等 译 北 京 ： 石 油 工 业 出版 社 ， 20 02： 2 3 2 2 34 7 WE I J E R S L， WRI GHT C， e t a 1 S i mu l t a n e o u s P r o p a g a t i o n of M ul t i pl e Hydr a ul i c Fr a c t u r e s Evi de n c e，I mp a c t a n d Mo d e l i n g I mp l i c t i

19、o n s J S P E 6 4 7 7 2 ， 2 0 0 0 ( 收稿 E l 期2 0 0 7 0 5 0 7编辑钟水清 ) ( 上接 第 7 4页 ) 四 、 结 论 ( 1 ) 所建 立 的双 节 流 油 嘴 设 计 模 型 能 真 实 反 映 井 下 双节 流 油 嘴 的流 动 过程 ， 可 以指 导井 下 双 节 流 油 嘴 的设 计 。 ( 2 ) 两个节 流油嘴可减 少每个节 流油嘴 的压差 ， 从 而减少损坏 的可能性 ， 拓宽 了井下节流的应用范围。 ( 3 ) 双节 流 油 嘴 可 以把 水 合 物 的 生 成 位 置 移 到 了较 浅位 置 。 参 考 文 献 I-

20、 1 佘朝毅 井下 节流工艺 技术在 气 田开发 中的应用 J 钻 7 8 采工艺 ， 2 0 0 3 ， 2 6 ( 增 刊) ： 5 2 5 6 2 杨继盛 ， 刘建仪 采气实用计算I- M 北京 ： 石油工业 出版 社 ， 1 9 9 4 3 杨 继 盛 采气 工 艺 基 础 M 北 京 ： 石 油 工 业 出版 社 ， 1 99 4 4 李 士伦 天然气 工程 M 北京 ： 石 油工业出版社 ， 2 0 0 2 I s 刘鸿文 井下油嘴节流机理研究及应用 J 天然 气工业 ， 1 9 9 0 ， 1 0 ( 5 ) ： 5 7 6 2 6 P E R K I N S T KC r i t i c a l a n d s u b c r i t i c a l f l o w o f mu l t i p h a s e mi x t u r e t h r o u g h c h o k e s l- J S P E 2 0 6 3 3 7 段永 刚 ， 陈伟 ， 李允 ， 等 罗家寨 气藏非稳态产能预测新方 法研究I- J 3 西南石油大学学报， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 ) ： 6 4 6 6 ( 收稿 日期 2 0 0 7 0 5 0 9 编辑钟水清 ) 维普资讯