高温高压气井井下多级节流技术应用摘要：针对高温高压气井开采过程中井口压力高、井筒平均温度较高可能导致环空带压的问题，开展井下多级节流技术研究
。建立了高温高压气井井筒温度压力预测模型，利用气井节点系统分析方法，以井下节流器为节点，将井筒压力温度计算模型与井下节流温降压降模
型相结合，建立了高温高压气井井下多级节流温度压力分布模型及环空温度分布模型。基于变分原理建立了节流器间油管横向振动模型，得到油管横
向振动频率与天然气临界流速计算方程。根据产量、井筒压力和温度分布、油管横向振动失稳的临界流速确定井下多级节流技术参数，对国内某深水
井进行了实例计算，计算结果表明采用井下多级节流技术可以显著降低井筒温度和井口压力，并有效降低环空带压风险。关键词：高温高压；气井；
井下节流；多级节流；油管；横向振动Hightemperatureandhighpressuregaswelldown
holemultistagechoketechnologyAbstract:Ashightemperatureand
highpressuregaswellhasthecharacteristicofhighpressurei
nwellheadandhighaveragetemperatureinwellboreintheproces
sofexploitation,whichmayleadtotheannularcasingpressure,
downholemultistagechoketechnologyresearchiscarriedout.By
usingthegaswellnodesystemanalysismethod,andwithdownhol
echokeasnode,combiningthewellborepressureandtemperature
calculationmodelwiththrottlingtemperatureandpressuredroppi
ngmodel,thewellboretemperatureandpressuredistributionmode
lofdownholemultistagethrottleisestablishedinHTHPgaswell
.Basedonthevibrationalprinciple,tubingtransversevibration
modelissetup,andtheequationoftubingtransversevibration
frequencyandcriticalflowvelocityofthegasisacquired.Wit
htheproduction,thedistributionofpressureandtemperaturein
wellbore,andthecriticalvelocityofthetransversevibration
buckling,wecancalculatethedownholemultistagechokeparamete
rs,thecalculationofawellinPinghuhasbeenconducted,andt
hecalculationresultsshowthatthedownholemultistagechokete
chnologycansignificantlyreducetheaveragetemperatureinwell
boreandpressureinwellhead.Keywords:HTHP;gaswell;downhole
choke;multistagethrottle;tubing;transversevibration天然气节流是一个
降温降压过程。常规的地面节流技术，在节流前需用地面加热保温装置对天然气加热，提高气流温度，以免形成水合物堵塞。然而井下节流是将节流
器安装于油管内适当位置，实现井筒内节流降压，同时可以利用地热对节流后的低温天然气进行加热，从而达到降低节流后的压力，降低水合物生成
温度，防止形成水合物堵塞，同时提高地面采气集输系统安全性，还可以达到节约地面管式水套炉设备和天然气消耗，减少站场建设，降低生产运行
成本的作用。在高温高压气井开采过程中，由于井口压力较高，通常采用地面多级节流降压保温生产，从而降低集气管线压力等级。然而，由于地面
作业空间小，尤其是海上平台空间有限，不便于安装地面多级节流装置。另一方面，在天然气开采过程中井筒流体温度过高，井口各层套管环空密闭
空间内流体温度和环空压力迅速增加，可能导致套管破裂或上顶井口[1]；同时，如果环空保护液性能较差，就更加剧了油套管的应力腐蚀。因此
，在高温高压气井井底附近采用井下多级节流技术能够显著降低开采过程中整个井筒的流体温度和井口压力，从而能够有效降低油套管破坏、环空带
压的风险，提高地面采气集输系统安全性。目前，气井井下节流技术已经在四川、胜利、中原、新疆、长庆等气田的多口气井成功应用，具有较好的
应用前景和推广价值[2]。然而，针对高温高压气井井下多级节流技术的研究还未见报导。因此，开展高温高压井下多级节流技术研究具有一定的
开创性和现实经济效益。1井筒压力场的建立井筒中压力的分布直接影响着完井管柱的受力和变形分析，但是在井的整个生产过程中，压力场并不
是一成不变的，其模型建立在如下假设之上：（1）气体在井筒中处于一维稳定流动；（2）垂向上仅有油管内流体换热；（3）在同一深度截面上
，流体物性参数处处相等。根据井筒内流体流动规律分析，流体总压力梯度由加速压力梯度、重力压力梯度和摩阻压力梯度三部分组成，即：（1-
1）其中，加速压力梯度：重力压力梯度：摩阻压力梯度：综合可得：（1-2）式中：p—井筒内压力，MPa；—油管内流体密度，g/cm3
；v—油管内流体速度，m/s；g—重力加速度，m/s2；z—油管长度，m；—井斜角，；f—摩阻系数，无量纲；dti—油管内径，m。
模型中流体密度可由气体状态方程推导得出：（1-3）式中：M—气体摩尔质量，Kg；Zg—气体压缩因子，无量纲；R—通用气体常数，MP
a·m3/（Kmol·K）；T—气体温度，K；γ—气体相对密度，无量纲。管内流体速度可表示为：（1-4）式中：B—气体体积系数，
无量纲；vst—标准状况下的气体流速，m/s；Qst—标准状况下的产量，m3/d。联立式（1-2）、（1-3）、（1-4），同时令
C1=5×10-9Qst/dti2，C2=3484.48γ，C3=ZgT/P，可得：（1-5）利用微元法思想，将井筒分成若干小段，
在每一段长为Δz的井筒内对式（1-5）进行积分求解，从而得到每一段出口处气体压力的计算公式：（1-6）2井筒温度场的建立在油气开
采过程中，高温流体流经油管，由于和周围地层存在温度差，必然会通过导热、对流以及辐射三种方式与周围地层发生热交换。在这个过程中，产量
、地层压力、埋藏深度、各材料导热系数等都会对温度分布产生影响，井筒中温度会沿井深呈非线性变化。一般认为，井筒中流体向周围地层传热主
要经过以下几个环节：（1）高温流体经对流把热量传给油管内壁；（2）通过导热把热量从油管内壁传到外壁；（3）以对流和辐射形式将热量从
油管外壁经油套环空传到套管内壁；（4）以导热形式把热量从套管内壁传到套管外壁；（5）通过导热把热量从套管外壁经水泥环传给地层。以井
筒第二接触面（水泥环与井壁结合处）为纽带，假设流体从油管内到第二接触面的传热为稳态传热，从第二接触面到井筒周围地层的传热为非稳态传
热，建立井筒温度分布的数学模型。模型假设如下：（1）井筒内流体为稳定单向流动；（2）井筒中的传热为稳态传热，井筒周围地层中的传热为
非稳态传热；（3）井筒及地层仅存在径向换热，不考虑沿井深方向的传热；（4）油套管同心。设井底为坐标原点，沿井深垂直向上为正方向，取
长度为dz的微元段进行分析。油管锚定并用封隔器坐封后，流体沿油管柱从井底向井口流动，易知单位时间内流入微元段的热量为：（2-1）
式中：Qin—流入微元段的热量，J/s；Cp—井筒流体定压比热，J/(kg·C)；Wq—流体质量流量，kg/s；WqCp—热流当
量，J/(s·C)；Tf-in—流入微元段的流体温度，C。同理，单位时间内流出微元段的热量为：（2-2）式中：Qout—流出微元段
的热量，J/s；Tf-out—流出微元段的流体温度，C。微元段内流体在温差的作用下会产生径向传热，由于所取dz较小，可以用井筒内流
体与第二接触面之间的温度差来计算微元的径向热传递，故微元段中，热量从高温流体至井壁的损失为：（2-3）式中：Qhe—流体向第二接触
面损失的径向热量，J/s；rto—油管外半径，m；Ut—总传热系数，J/(s·m2·C)；Th—第二接触面温度，C。同理，应用无因
次时间函数f(t)，可以得到从第二接触面至周围地层的径向传热量为：（2-4）式中：Qhe‘—第二接触面向周围地层损失的径向热量，J
/s；ke—地层导热系数，J/(s·m·C)；Te—地层温度，C；f(t)—瞬态传热函数，无量纲。根据能量守恒定律，对于微元段，进
入其中的热量应该等于流出其中的热量与产生的径向热损失之和，即：（2-5）将式（2-1）、（2-2）、（2-3）带入，整理后得：（2
-6）同时，对于井筒-地层接触面而言，单位时间内进出的径向热量应该相当，即：（2-7）由式（2-3）、（2-4）可以得到：（2-
8）联立式（2-6）和式（2-8）消除井壁温度Th，可得热流梯度方程：（2-9）令，方程简化，得到井筒温降梯度方程：（2-10）假
设离井筒足够远处的地层中温度随深度线性变化，则任意深度处的地层温度可以表示为：（2-11）式中：Te-bo—井底处地层温度，C；G
t—地温梯度，C/m。根据井身结构、地质情况、管串组合等相关资料将整个井筒分成若干段，这样，在每一段内就可以将A、Ut、Cp视为常
量。解式（2-10）所示一阶线性微分方程，可得：（2-12）对每一段井筒分析，可知每段的入口处Tf=Tf-in，Te=Te-in，
将此边界条件带入上式，计算得：（2-13）式中：Te-in—计算段入口处对应的地层温度，C；Zin—计算段入口处深度，m。将C值带
入式（2-12），即得每段出口处的流体温度：（2-14）式中：Te-out—计算段出口处对应的地层温度，C。所以，整个井筒温度分布
的数学模型和初始条件为：（2-15）3环空温度计算模型基于深水井井身结构和井筒传热过程，推导出深水井环空温度计算模型。图1为典型
深水井井身结构及井筒热传递示意图，其中，环空A为油管与生产套管间环空，环空B为生产套管与技术套管间未被水泥浆封固段环空，环空C为技
术套管与表层套管间未被水泥浆封固段环空。图1深水井井身结构及井筒传热示意图以环空A为例，建立套管环空温度计算模型，环空B、环空C的
温度计算模型与环空A类似。参照文献[3]和文献[4]，假设从测试管柱至井筒水泥环外边缘的传热过程是稳态的，从井筒水泥环外边缘至地层
的传热过程是非稳态的。某一深度h处从测试管柱传递至井筒水泥环外边缘的热量与（2-3）相同：（3-1）其中式中：rti—油管内半
径，m；rci—套管内半径，m；rco—套管外半径，m；hf—油管内流体的传热系数，J/(s·m2·C)；hac—环空对流传热系数
，J/(s·m2·C)；har—环空辐射传热系数，J/(s·m2·C)；kt—油管导热系数，J/(s·m·C)；kc—套管导热系数
，J/(s·m·C)；km—水泥环导热系数，J/(s·m·C)。某一深度h处从井筒水泥环外边缘传递至地层的热量梯度为：（3-2）
根据能量守恒原理可得：（3-3）由式（3-1）、（3-2）可以得到：（3-4）则环空A的温度为：（3-5）式中：—井眼半径
，m；—生产套管外半径，m；—环空流体导热系数，J/(s·m·C)。4井下节流压降、温降模型4.1压降模型天然气流过井下节
流装置时，由于过流截面突缩，流速会突然增大，在节流器出口处，压力会显著降低[5]。根据气体嘴流的等熵原理，对于亚临界流状态，流量与
节流前后压力的关系为：(4-1)式中，为通过节流器的体积流量（标准状态下），；、为节流前、后压力，；为节流孔眼直径，；为节流前温
度，；为和条件下的气体偏差系数，无量纲；为天然气相对密度，无量纲；为绝热指数，无量纲。在已知天然气流量、节流前压力和温度的情况下，
就可以由式（4-1）计算得到节流器出口处压力，压降。4.2温降模型天然气经过井下多级节流后，气体温度会降低。为了防止水合物形成，
通过地温来加热天然气，从而保证节流后天然气温度高于节流后压力条件下生成水合物的初始温度。而节流后天然气的温度与节流前后压力比及井下
节流前的温度有关。天然气流过节流器时作等熵膨胀，节流前后的温度与压力有如下关系[6]：(4-2)式中，为节流后温度，；已知节流
前的压力、温度和节流后的压力，根据式（4-2）即可算得节流后温度，天然气通过节流器产生的温降。4.3流场分布任意流动状态下（、）
的天然气流速可表示为[5]：（4-3）5节流器安装位置及节流器间距的优化高温高压气井采用井下多级节流技术，将井下多级节流器安
装在井底附近，能够有效的降低整个井筒的温度，从而避免油套管损坏、环空带压的风险；同时，可以将井口压力降低到允许外输压力，或者只需经
过一次地面节流后井口压力即可达到允许外输压力，降低集气管线压力等级，提高采气集输系统安全性。5.1油管横向振动微分方程图2节流
器间油管横向振动Fig.2Thetransversevibrationoftubingbetweentwochok
es将节流器间的油管理想化为等截面的两端铰接的天然气输送管道，如图1所示。节流器间距为，油管单位长度质量。油管的弹性模量为，其截面
惯性矩为，管道内、外直径分别为、。天然气密度为，以恒定速度流过油管的横截面面积为，油管横向扰度为。运动方程的推导基于以下假设：(1
)油管横向振动满足小变形假设；(2)将油管视为伯努利-欧拉梁；(3)重力与材料阻尼忽略不计；(4)不考虑油套环空间流体的影响。根据
变分原理可以推出节流器间油管的横向振动方程：（5-1）其中，表示单位长度油管及其中天然气的质量。模型边界条件（
5-2）5.2油管横向振动频率本文建立的油管横向振动系统中有无限多个自由振型，而实际工程中主要关心的是较低阶的振型。现只需要求解
前2个主振型，由油管的横向振动方程和边界条件可以得到油管的横向振动频率为：（5-3）（5-4）当时，式（5-3）、（5-4）即
为油管的前2阶横向自由振动频率。5.3油管稳定性分析油管静态失稳时的临界流速为[7]：（5-5）由（5-3）可以看出，随着天然
气流速的增大，油管横向振动频率减小。当天然气流速时，油管的横向振动频率，即达到临界状态，油管将发生弓形弯曲而失稳。由（5-5）可知
，临界流速与节流器间距成反比关系。6井下多级节流计算模型应用气井节点系统分析方法，以井下节流器为节点，将井筒压力和温度分布计算模
型、井下节流温降压降模型和油管横向振动失稳模型相结合，建立了高温高压气井井筒多级节流温度和压力分布模型。该模型可用于井下节流过程压
力、温度、流速等动态参数的预测，为井下节流动态分析、井下节流器技术参数设计提供必要的技术手段[8]。本模型计算步骤为：①根据试井解
释和地面采气集输系统压力等级数据确定井下节流器个数；②根据井底（或节流器出口处）压力、温度和产量确定井底附近的天然气平均流速；③根
据油管横向振动稳定性分析确定1#节流器的下深；④根据井筒压力温度计算模型确定1#节流器入口处的温度和压力；⑤调用井下节流压降温降模
型计算得到1#节流器出口压力、温度；⑥重复步骤②～⑤，确定所有节流器的下深及井下多级节流的温度和压力分布；⑦若井口压力高于地面采气
集输系统的压力等级，则调整节流器个数或节流孔眼的直径，重复步骤①～⑥，直至满足地面采气集输系统要求。7应用实例国内某井井深510
0，井底温度为200C，井底压力为80，天然气相对密度为0.65，油管外径为88.9，油管内径为76，套管尺寸为177.8，地温梯
度为0.0341C/，产气量为70万方/天，封隔器下深4950，应用井下多级节流技术将井口压力降至约20。现采用井下三级节流技术设
计，根据已知参数及天然气流速方程可以计算井底的天然气平均流速5.4，由图3可知1#节流器的与封隔器间的距离应小于500，现将1#节
流器安装在4900。按照井下多级节流计算模型编制计算机程序，计算可知1#和2#、2#和3#节流器之间的间距应分别不大于460、42
0。为了最大限度的降低整个井筒的温度，将2#、3#节流器分别安装在4850、4800，即节流器间距为50。图3节流器间距与天然气
临界流速关系曲线Fig.3Thecriticalvelocitywithvariousdistancesoftwo
chokes三个节流器的安装位置、孔眼直径、节流压降和温降如表1所示。表1井下多级节流参数Table1Thedownho
lemultistagechokeparameters节流器编号安装位置/孔眼直径/压降/温降/C1#490010.4820
38.82#485011.501531.43#480012.931022.5图4～7是无井下节流装置和安装井下三级节流器的天然气井
筒内各物性参数的变化曲线对比图，图8是安装井下三级节流器后环空温度分布曲线图。由图4可知，高温高压气井采用井下多级节流技术可以显著
降低井筒的温度，井筒平均温度为110C，有效避免环空温度较高导致环空带压的风险。由图5可以看出，无井下节流时，井口压力为60.12
，而经过井下三级节流后井口压力降至20.59，两个井口压力差约40。这样在平台上只要经过一次地面节流，就能满足地面采气集输系统生产
需要，就大大节约了海上平台空间。图4全井段温度沿井深分布曲线Fig.4Thetemperaturedistribution
curveofnodesthroughaxis图5全井段压强沿井深分布曲线Fig.5Thepressuredi
stributioncurveofnodesthroughaxis图6全井段天然气密度沿井深分布曲线Fig.6Th
edensitydistributioncurveofnodesthroughaxis图7全井段天然气流速沿井深
分布曲线Fig.7Thevelocitydistributioncurveofnodesthroughaxis图8
环空A温度沿井深分布曲线Fig.8ThetemperaturedistributioncurveofannularA
throughaxis由图5和图6可以看出，天然气密度分布与压力分布相似，这与气体动力学基本理论相符。天然气经过节流器后，因压
力突降导致了天然气体积的膨胀，密度也突然降低。由图7可知，节流前（即在井底附近）天然气平均流速5.4，经过井下三级节流后，天然气流
速增大至6.84。随后，因为压力降低和油管的摩阻作用，天然气流速随着井深的减小而缓慢增大。由图8可知，采用井下多级节流技术可以有效
降低环空温度。无井下节流时，井口处套管环空温度为92.67C，而经过井下三级节流后井口处套管环空温度降低至77.66C。8结论（
1）高温高压气井采用井下多级节流技术可以显著降低井筒的温度及环空温度，有效降低油套管损坏和环空带压的风险。（2）采用井下多级节流技
术后，气井井口压力将降至允许外输压力，这样在平台上无需地面节流设备（或只要经过一次地面节流），就能满足采气集输系统压力等级，节约了
海上平台的空间。（3）高温高压气井井下多级节流技术降低了井口和地面管线的压力，延长了气井井口及地面设备的使用寿命，有利于气井的安全
生产。（4）井下多级节流技术有利于防止地层激动，降低建设成本，可大大降低地面建设和运行费用。参考文献杨进,唐海雄,刘正礼,等.深水
油气井套管环空压力预测模型[J].石油勘探与开发,2013,(05):616-619.Yangjin,TangHaixion
g,LiuZhengli,YangLiping,HuangXiaolong,YanDe,TianRuirui.
Predictionmodelofcasingannuluspressurefordeepwaterwelldr
illingandcompletionoperation[J].PetroleumExplorationAndDev
elopment,2013,(05):616-619.雷群.井下节流技术在长庆气田的应用[J].天然气工业,2003,23(1):
81-83.LeiQun.ApplicationofdownholechoketechniqueinChangqi
nggasfield[J].GasIndustry,2003,23(1):81-83.HasanAR,IzgecB
,KabirCS.Ensuringsustainedproductionbymanagingannular-pr
essurebuildup[R].SPE121754,2009.RameyHJ.Wellboreheattran
smission[J].JournalofPetroleumTechnology,1962,14(4):427-43
5.李仕伦.天然气工程[M].北京:石油工业出版社,2008:114.LiShilun.Naturalgasengineering[M].Beijing:PetroleumIndustryPress,2008:114.刘鸿文,刘德平.井下油嘴节流机理研究及应用[J].天然气工业,1990,10(05):57-62.LiuHongwen,LiuDepin.Researchandapplicationofmechanismofdownholechoke[J].GasIndustry,1990,10(05):57-62.R.D.Blevins.流体诱发振动[M].吴恕三,译.北京:机械工业出版社,1983:296.R.D.Blevins.Flow-inducedvibration[M].WuShusan,translate.Beijing:ChinaMachinePress,1983:296.李远超,张国玉,吴丽烽.井下节流温压分布模型及水合物的预防[J].中国石油和化工,2007,(14):43-46.LiYuanchao,ZhangGuoyu,WuLifeng.Temperatureandpressuredistributionmodelofdownholechokeandhydrateprevention[J].ChinaPetroleumAndChemicalIndustry,2007,(14):43-46. |
|
