分类：电子论文 时间：2021-11-18 热度：497
摘要：超音速喷管能使天然气产生超音速流动，从而将液体剪切和撕裂成微小液滴。喷管之后，流态发生了变化，成为雾状流。这样降低了气液两相的截面平均密度和流动阻力。即使在极低产气量情况下，依靠天然气自身的动能也能够把雾化的液体携带出井筒。为了提高超音速喷管雾化效果，对喷管结构进行了改进。2018年，对苏里格气田一些产气量低于 2000m3 /d气井进行了生产应用试验，试验超音速喷管雾化排水对这些气井的排水效果。通过长达几个月的生产应用，得到了一些重要的研究成果;超音速喷管雾化排水新方法对低压力、低产气井、乃至极低产气量气井排水有着很好的效果。产气量低到1000m3 /d时排水效果依然良好。超音速喷管设备成本低，可以长年连续使用而不维护。从排水效果和经济投入少来说，超音速喷管能够在气田大规模应用。
关键词：超音速喷管 雾化排水 低产气井 极低产气量 雾状流 苏里格气田
天然气井在生产过程中会产出水。当产气量比较大时，水能够被天然气携带出来。当气井产气量较低，无法携带液体时，井底就会产生积液，造成地层回压增大，使气层渗透率大大降低，会严重影响到气井的正常生产[1-3]。为了解决气井井筒内积液问题，国内外展开了较多的研究[4-6]。通常采用的排水采气技术有;泡沫排水、同心毛细管技术、涡流排水、连续油管排水、天然气连续循环、速度管柱排水、柱塞(球塞)气举、深抽排水、井间互联井筒激动排液、多级节流阀互助排液、注氮、小直径管采气等[7-9]。这些方法有的需要大型动力设备，有的运行费用高，有的排水效率低。而这些方法多数对于低产井的排水问题难以解决。长庆油田苏里格气田多数气井在开采后期属于低产低压井，积液问题比较普遍，尤其是产气量低于2000 m3 /d的气井，排水更加困难，更加需要采用新技术来解决这个问题[10-13]。
超音速喷管雾化排水新技术是在超音速状态下将液体变成微小液滴，井筒内的流态发生了改变，由段塞流变为雾状流。雾状流降低了气液混合物的截面平均密度，降低了排液的临界流量值。在较低的产气量下也易于将水排出。雾状流也能降低井筒内摩擦阻力，节省气层的压力能。这种超音速雾化排水方法，是气井排液非常有效的新方法和新技术[14]。
采气五厂自2013年以来，每年有几十口气井安装了超音速喷管排水，到目前为止，已有200多口气井安装了超音速喷管设备，实现雾化排水，使用效果良好。为了解决低产，以及极低产气量气井排液问题，最近在苏里格气田采气五厂对一些产气量低于2000m3 / d气井进行了生产应用试验，试验超音速喷管雾化排水新技术对这些极低产气量气井的排水效果。
1 超音速喷管的雾化
超音速喷管是使天然气产生超音速流动，使携带的水被强烈剪切和撕裂，达到完全雾化。喷管之后，流态发生了变化，水成了雾滴状，均匀弥漫在天然气中，成为雾状流。这样降低了井筒内气液两相混合物的平均截面密度，降低了气液两相的流动阻力。在同样的产气量条件下，能够把更多的液体雾化后携带出井筒。
根据李闽 ，Turner等液滴模型[15，16]，在井筒内，当气体流速大于临界流速时，液滴上升;气体流速低于临界流速时，液滴下降。那么，只要液滴直径小于临界直径，液滴就能够被带出。
产气量越低，能够被排出的液滴直径就越小，大于临界直径的液滴就无法被排出，需要依靠外部动力才能被排出。可以看到，很低的天然气产量要带出液体是非常困难的，因为不改变井筒内的流态，液体没有变为微小液滴，天然气自身的动能不足以带出液体。对于低产量的排水采气，只有雾化液滴极其微小，才有可能被带出。一个设计完善的喷嘴可以达到6倍以上的音速，这时雾化的液滴直径小于10μm。实验室模拟试验证实喷嘴可以产生液滴直径小于10μm的液滴[14]。只要液滴足够小，产气量即使小于1000 m3 /d，同样可以排出液体。
超音速喷管由喷嘴和固定支架二部分组成[14]。喷嘴结构见图1，喷嘴材料为氧化锆，硬度大，耐磨，放入井筒后，二年内不会磨损。本文根据数值模拟和实验室试验结果，为让喷嘴达到更高速度，在原有喷嘴结构上加以改进，即增大喷嘴直径和长度，内径d3 增大24%，长度L0增加12%，这样改变了喷嘴内孔型线。改进后的喷嘴可以达到6倍以上音速，雾化液滴更加微小，实验室试验效果见图2。
2 现场生产应用
从2013年9月开始，在长庆油田采气五厂进行了多年的排水采气现场生产试验，对200多口气井安装了超音速喷管。从天然气产量和油压、套压的变化数据中看到，气井套压缓慢下降，天然气产量基本稳定。安装超音速喷管后的排水效果是显著的。安装喷管后井筒内压力梯度大为降低，压力梯度由安装前的0.4 MPa/100m降低到0.03 MPa/100m。这表明井筒内的水经过雾化，气液两相流动变为雾状流动，减小了井筒内的摩擦阻力损耗，起到了节能效果[14]。
为了解决低产与极低产气量气井的排液问题，本文将改进后的喷嘴对一些产气量低于2000 m3 /d气井，最低产气量为1000 m3 /d的气井进行了现场应用试验，在几个月的时间段内，试验超音速喷管雾化排水对这些气井的排水效果。
2018年，我们选取5口气量(0.10~0.15)×104 m3 /d的气井开展现场试验，并选取5口生产情况相似的井作为对比井，便于深入分析措施效果，试验井及对比井的一些参数如表1所示。试验井及对比井参数。
2018年11月17日至2018年12月24日，共完成现场4 口井的原节流器打捞和5口井的音速雾。化节流器投放工作，如表2所示。对5口安装超音速喷管的气井进行日生产动态跟踪，记录油套压、日产气量、日产水量及生产时间。
安装超音速喷管后，气井产气量保持稳定，排液稳定，不再出现井筒内积液现象。而没有安装超音速喷管，也没有采用其它排水措施的对比气井，由于井筒内积液无法排除，产气量急剧下降，即使采取间歇生产方式，也无法把液体排出。生产数据表明超音速喷管对低产和极低产量气井的排液效果显著，即使产气量降为1000 m3 /d时，依然能够排水，保持产气量的稳定。具体分析以下几组气井数据，更能清楚超音速喷管的排水效果。
说明;以下图中横坐标为日期。纵坐标从下到上为工作时间(h)、产气量 (104 m3 /d)、套压与油压 (MPa)
2.1 苏东61-29井
苏东61-29井于2018年9月13日投产，投产初期平均日产气量0.62×104 m3 /d，9月30日后降至0.15×104 m3 / d，间歇生产效果也不佳。2018年11月17日打捞出原节流器，2018年12月1日投放超音速喷管。
2018年9月30日至11月17日平均油压1.86MPa，套压21.55MPa，平均日产气量0.1301×104 m3 /d;目前平均油压1.18MPa，套压20.29MPa，平均日产气量 0.6326×104 m3 /d，较投放前套压下降1.26MPa，平均日增产气量0.5025×104 m3 /d，且生产较稳定，效果显著，见图3。
作为苏东61-29的对比井—苏东55-33C3井的生产曲线如图4所示。
苏东55-33C3井于2018年6月29日投产，投产初期平均日产气量0.69×104 m3 /d，7月22日后降至 0.37×104 m3 /d，间歇生产效果也不佳。套压持续上升，产量波动，目前平均日产气量已降至0.07×104 m3 / d，较苏东61-29运行情况差别大。
3.2 苏东14-47井
苏东14-47井于2011年3月16日投产。2018年 8月26日至11月26日(投放超音速喷管前3个月)平均油压2.06MPa，套压12.35MPa，平均日产气量 0.1068×104 m3 /d;2018年11月26日打捞原节流器， 2018年11月30日投放超音速喷管，目前平均油压 1.02MPa，套压持平为12.35MPa，平均日产气量 0.1079×104 m3 /d。能在冬季保持产量稳定，排水效果显著，见图5。
作为苏东14-47对比井——苏东27-57C4井的生产曲线如图6所示。
苏东27-57C4井于2010年9月21日投产，套压下降速率0.001MPa/d，由于产气量极低，致使无法排出积液，反过来，导致气量连续降低，即使采取间歇采气方式，也无济于事，最终停止产气。
3.3 苏东18-79井
苏东18-79井于2016年5月18日投产，套压呈上升趋势。2018年9月9日至12月9日(投放音速雾化器前 3个月)平均油压2.11MPa，套压12.79MPa，平均日产气量0.1363×104 m3 /d;2018年12月9日打捞节流器后开井排液，2018年12月25日投放音速雾化器，目前平均油压1.17MPa，套压12.71MPa，平均日产气量 0.1886×104 m3 /d，较投放前套压下降0.08MPa，平均日增产气量0.0523×104 m3 /d，综合对比苏东23-48，套压与产气量都趋于稳定，排水采气效果好，见图7。
作为苏东18-79对比井——苏东23-48井的生产曲线如图8所示。
苏东23-48井于2012年12月31日投产，套压下降速率0.001MPa/d。由于产气量极低，致使无法排出积液。反过来，导致气量连续降低，即使采用间歇生产方式也无济于事，最终停止产气。
上述生产数据表明，对低于2000 m3 /d的气井，应用超音速喷管排水是效果很好的方法，对产气量即使低到1000 m3 /d的气井也有着良好的排水效果。
通常，由于压力低，产气量低，使得天然气在井筒内的流速很低。对一些极低产气量气井来说，液滴容易凝聚在井筒壁面下落，在这种情况下，应用泡沫排水作为辅助方法配合超音速雾化可以增强排水效果。根据每口气井的情况选择几天到一个月泡排一次，会有更好的效果。
试验用的超音速喷管雾化装置成本低，雾化器安装简单，可以长年连续使用而不维护。从排水效果好与经济投入少来说，能够在气田大规模应用。
3 结束语
通过超音速雾化排水采气新方法的生产应用试验，得到了一些重要的研究成果;
超音速喷管雾化排水新方法对低压力、低产气量气井排水有着很好的效果。在极低产气量1000 m3 /d时依然效果良好。
超音速喷管雾化改变了井筒内的流态，把段塞流改变为雾状流，井筒内的摩擦压力降大幅度降低，起到了节能效果。
超音速喷管设备成本低，可以长年连续使用而不维护。从排水效果好与经济投入少来说，能够在气田大规模应用。——论文作者：刘鑫1 张刚2 郝洁3
本文来源于：《石化技术》(季刊)创刊于1980年，由北京燕山石油化工有限公司主办。设有：工业、生产、技术研究、勘探开发、科学管理等栏目。为生产与科研相结合，石油化工与精细化工并重，为石化行业科技人员服务。
文章名称：超音速喷管雾化排水技术在极低产气井的应用
