摘要：在高含H₂S和CO₂共存的氣田深井中，為了既保證生產(chǎn)氣井井底不積水，又要保證氣井在生產(chǎn)過(guò)程中管柱不發(fā)生沖蝕；實(shí)現(xiàn)低成本高效地開(kāi)發(fā)酸性氣田，保證氣井安全生產(chǎn)，必須對(duì)氣井井下管柱進(jìn)行優(yōu)化。以徐深氣田氣井為例，在給定的生產(chǎn)條件下，采用Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱和Ø73.0mm單級(jí)油管柱都不會(huì)有天然氣水合物生成；采用組合油管柱比采用Ø73.0mm單級(jí)油管柱更不容易生成天然氣水合物，說(shuō)明采用兩級(jí)或兩級(jí)以上不同尺寸的組合油管柱在高含二氧化碳和高含硫化氫氣田氣井中具有更大的優(yōu)越性。該方法對(duì)低成本高效地開(kāi)發(fā)酸性氣田具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氣井；管柱；酸氣；安全；攜液流量；沖蝕；天然氣水合物

    目前，我國(guó)酸性氣田開(kāi)發(fā)所面臨的較大問(wèn)題就是安全開(kāi)發(fā)問(wèn)題，確保氣田安全開(kāi)發(fā)的一個(gè)非常重要的解決辦法就是采用高抗腐蝕的井下管材，但是，采用良好耐腐蝕的井下管材會(huì)大幅度地增加開(kāi)發(fā)成本。為了既降低酸性氣田的開(kāi)發(fā)成本，又確保氣田開(kāi)發(fā)的安全性，選擇合理的油管柱是非常重要的。酸性氣田氣井選用多級(jí)油管柱是合理選擇油管柱的一個(gè)重要方面。酸性氣田氣井采用多級(jí)油管柱生產(chǎn)的優(yōu)越性如下：①氣井安全生產(chǎn)性能高；②最大限度地減少鋼材用量，節(jié)省鋼材費(fèi)用，降低氣井一次性投資；③氣體攜液能力增強(qiáng)；④減少天然氣水合物的生成。下面就氣井安全性、防沖蝕、氣體攜液能力、防天然氣水合物生成以及降低投資成本等方面分別進(jìn)行分析。

    為了進(jìn)行井筒溫度、井筒壓力以及某些敏感性參數(shù)的分析，現(xiàn)以徐深氣田8區(qū)塊某生產(chǎn)井為例進(jìn)行計(jì)算，該井的基本參數(shù)：地層溫度為152℃；液體密度為1070kg/m³；油管下入深度為3730m；地層壓力為40MPa；最大配產(chǎn)氣量為18×10⁴m³/d；地面環(huán)境溫度為15℃；水氣比為5.6m³/10⁴m³；天然氣無(wú)阻流量為41.11×10⁴m³/d。為了適應(yīng)不同季節(jié)用氣量的要求，現(xiàn)設(shè)計(jì)配產(chǎn)氣量為6×10⁴m³/d、12×10⁴m³/d和18×10⁴m³/d(見(jiàn)表1)。為了論證采用多級(jí)油管的優(yōu)越性，下面對(duì)下列3種油管柱進(jìn)行對(duì)比研究，即：Ø73.0mm單級(jí)油管柱、Ø60.3mm單級(jí)油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m兩級(jí)油管柱。對(duì)于Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m兩級(jí)油管柱，溫度和壓力在井筒的分布(表1)。由表1可以看出：井越深，壓力越大，溫度越高；井深度一定，產(chǎn)氣量越大，井筒壓力越??；在井筒上部，產(chǎn)氣量越大，井筒溫度越高。

溫度(℃)			壓力(MPa)			井深度(m)
產(chǎn)氣量(6×104m3/d)	產(chǎn)氣量(12×104m3/d)	產(chǎn)氣量(18×104m3/d)	產(chǎn)氣量(6×104m3/d)	產(chǎn)氣量(12×104m3/d)	產(chǎn)氣量(18×104m3/d)
151.1	150.2	149.1	36.98	33.69	30.05	3730.0
138.9	142.1	141.5	33.06	29.37	25.16	2743.2
107.3	119.6	123.8	28.21	24.15	19.32	1524.0
84.4	102.9	109.7	25.49	21.30	16.17	850.0
50.8	76.2	87.6	22.24	18.23	13.19	0

對(duì)于不同油管柱類型，井口溫度和井口壓力對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可以看出：產(chǎn)氣量一定，管柱尺寸越大，井口溫度越低，井口壓力越大；產(chǎn)氣量越大，井口溫度越大，井口壓力越??；組合油管柱介于兩種單級(jí)油管柱之間。不論何種情況，井口壓力都大于12MPa，能滿足地面集輸天然氣進(jìn)站的要求。

油管柱類型	井口溫度(℃)	井口壓力(MPa)	產(chǎn)氣量(104m3/d)
Ø73.0mm單級(jí)油管柱	49.0	22.9	6.0
Ø60.3mm單級(jí)油管柱	53.5	22.0
組合油管柱	50.8	22.2
Ø73.0mm單級(jí)油管柱	86.5	15.7	18.0
Ø60.3mm單級(jí)油管柱	88.9	12.3
組合油管柱	87.6	13.2

    考慮油管柱的重量、浮力、井壁摩擦力和加速度載荷，油管上部所承受的拉力用下式計(jì)算：

式中：L為油管長(zhǎng)度，m；q為每米油管在空氣中的重力，N/m。

    油管鋼材選用L-80 13Cr，對(duì)Ø73.0mm單級(jí)油管柱、Ø60.3mm單級(jí)油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m兩級(jí)油管柱分別進(jìn)行計(jì)算^[1～2]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

    由表3可以看出：按照API標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論是Ø60.3mm單級(jí)油管柱，還是Ø73.0mm單級(jí)油管柱，都不能滿足抗拉強(qiáng)度的要求，只有Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱才能滿足抗拉強(qiáng)度的要求，這說(shuō)明采用組合油管柱能夠提高氣井油管柱抗拉的安全性，從而使油管柱更能適應(yīng)深井的需求。

油管柱尺寸	Ø60.3mm	Ø73.0mm	Ø73.0mm和Ø60.3mm
安全系數(shù)	1.28	1.31	1.64和1.65
API標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)	1.60～2.00

    氣井井筒中發(fā)生沖蝕的流速與配產(chǎn)氣量有直接關(guān)系，只要在最大配產(chǎn)氣量的條件下氣井不發(fā)生沖蝕，較低的配產(chǎn)氣量條件下氣井也不會(huì)發(fā)生沖蝕。因此，在此只分析配產(chǎn)氣量為18×10⁴m³/d的情況。

    沖蝕流速比=實(shí)際流速/沖蝕流速。如果沖蝕流速比小于1，說(shuō)明不會(huì)發(fā)生沖蝕；如果沖蝕流速比大于1，說(shuō)明會(huì)發(fā)生沖蝕。在沖蝕計(jì)算時(shí)，采用API-RP-14E標(biāo)準(zhǔn)中的公式，公式中的常數(shù)C值取100。

對(duì)Ø73.0mm單級(jí)油管柱、Ø60.3mm單級(jí)油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m兩級(jí)油管柱分別進(jìn)行計(jì)算沖蝕流速比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

    由圖1可以看出，從沖蝕流速的角度考慮，當(dāng)配產(chǎn)氣量為18×10⁴m₃/d時(shí)，采用Ø60.3mm單級(jí)油管柱，在井口附近，沖蝕流速比大手1，會(huì)發(fā)生沖蝕，不能滿足防沖蝕要求。因此，不能選用Ø60.3mm單級(jí)油管柱。采用Ø73.0mm單級(jí)油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m兩級(jí)油管柱，在整個(gè)井筒中沖蝕流速比都小于1，不會(huì)發(fā)生沖蝕，能夠滿足防沖蝕要求，可以選用。

    因?yàn)?span>Ø60.3mm單級(jí)油管柱不能滿足沖蝕要求，所以在下面的攜液能力分析中只對(duì)Ø73.0mm單級(jí)油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱進(jìn)行對(duì)比分析。

    以產(chǎn)氣量為12×10⁴m³/d時(shí)預(yù)測(cè)的井筒溫度和壓力分布為基礎(chǔ)，采用turner計(jì)算最小攜液流量的方法^[2]，預(yù)測(cè)的最小攜液流量結(jié)果見(jiàn)圖1，由圖1可以看出：采用Ø73.0mm× 850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱時(shí)的最小攜液流量小于采用Ø73.0mm單級(jí)油管柱時(shí)的最小攜液流量。

    在給定天然氣組分、預(yù)測(cè)井口溫度和井口壓力條件下，采用常用的生成天然氣水合物預(yù)測(cè)的兩種方法，即：波諾馬列夫方法和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法，預(yù)測(cè)井口是否有水合物生成^[3～4]。在給定的生產(chǎn)條件下，采用Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱和Ø73.0mm單級(jí)油管柱都不會(huì)有天然氣水合物生成；采用組合油管柱比采用Ø73.0mm單級(jí)油管柱更不容易生成天然氣水合物。

    氣井的一次性投資成本主要包括油管、采氣井口、井下工具、安全系統(tǒng)等費(fèi)用，油管費(fèi)用是氣井一次性投資成本的重要組成部分。酸性氣田氣井的油管柱費(fèi)用主要與所選用的油管材質(zhì)和所采用的油管重量有關(guān)系。高含CO₂氣井所用油管比不含CO₂氣井所用油管的價(jià)格要高出8～10倍，高含H₂S氣井所用油管比不含H₂S氣井所用油管的價(jià)格要高出40～50倍。當(dāng)油管材質(zhì)一定時(shí)，所采用的油管重量就是決定油管費(fèi)用的主要因素。在滿足氣井安全性、攜液能力、防沖蝕和防水合物的條件下，采用組合油管柱，能較大幅度地降低油管重量，從而能大大降低所采用油管的費(fèi)用。下面以徐深氣田8區(qū)塊某生產(chǎn)井為例來(lái)分析所采用油管的費(fèi)用。

    由上面的分析可知，對(duì)于徐深氣田8區(qū)塊某生產(chǎn)井，在滿足配產(chǎn)需求的條件下，Ø60.3mm單級(jí)油管柱不能滿足防沖蝕的要求。因此，下面只對(duì)Ø73.0mm單級(jí)油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱的費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比。因.為徐深氣田8區(qū)塊某生產(chǎn)井為高含CO₂氣井，采用13Cr油管比較安全，假設(shè)13Cr油管價(jià)格為100元/艇，則：采用Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱比采用Ø73.0mm單級(jí)油管柱能節(jié)省72.6萬(wàn)元。

    推論：假設(shè)一口氣井，除了高含H₂S并且中含CO₂外，其他情況與以上實(shí)例相同，需要采用合金鋼油管，并假設(shè)合金鋼油管的價(jià)格為450元/kg，則采用Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱比采用Ø73.0mm單級(jí)油管柱能節(jié)省326.6萬(wàn)元。

    采用組合油管柱能夠提高氣井油管柱抗拉的安全性，從而使油管柱更能適應(yīng)深井的需求；能使產(chǎn)氣量在小于沖蝕流量，大于最小攜液流量之間的范圍內(nèi)；在一定程度上減緩天然氣水合物的生成；減少鋼材用量，能大幅度地降低酸性氣田氣井的油管柱投資。

[1] 采油技術(shù)手冊(cè)編寫組.采油技術(shù)手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1977.

[2] 伊克庫(kù)C U.天然氣開(kāi)采工程[M].岡秦麟，譯.北京：石油工業(yè)出版社，1990.

[3] 貝克CⅢ.氣體水合物[M].王夢(mèng)舜，譯.北京：石油工業(yè)出版社，1987.

[4] 廖銳全.采氣工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003.

 

(本文作者：周廣厚 李文魁 王云 劉翔 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院)