大牛地水平井速度管排液技术应用及改进

周舰，张凌筱

（1.中国石化华北分公司工程技术研究院，河南郑州450006；2.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南郑州450046）

大牛地水平井速度管排液技术应用及改进

周舰1，张凌筱2

（1.中国石化华北分公司工程技术研究院，河南郑州450006；2.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南郑州450046）

大牛地气田水平井具有低压、低产、携液能力差的特点，需更换小直径油管来提高气流速度，预防井筒积液。更换常规小油管需压井作业，返排周期长且漏失量大，容易污染地层。根据气井携液理论和管流压降模型，优选出φ38.1mm速度管作为生产管柱进行排水采气。现场应用表明，速度管排水采气效果明显，解决了低压低产水平井排液难题。针对速度管施工过程中打掉堵塞器压力过高或堵塞器打不掉现象，降低密封圈压缩率至5.57%，实现密封圈与密封圈槽合理匹配，同时在速度管与堵塞器间设置承压能力低的剪切件，安装在密封圈下方，既保证堵塞器密封效果，又解决了堵塞器不易从速度管上脱离的问题，提高了施工作业和工艺一次成功率，满足现场生产要求。

大牛地气田；水平井；速度管；排水采气；堵塞器

大牛地气田累计探明储量4 545.63×108m3，已经动用2 316.44×108m3，未动用2 229.19×108m3，储量动用率仅为50.96%，未动用储量由于品质差，直井难以取得经济有效开发。通过前期探索，水平井已实现大牛地低品质气藏经济有效开发[1]。目前大牛地气田共有水平井269口，形成了日产天然气669.8× 104m3，建成了国内第一个十亿方产能建设水平井气田。

低品质气藏水平井普遍具有低压、低产、携液能力差的特点，导致气井携液效果不好，引起井底积液，严重时甚至导致水淹停产，给整个气田老区稳产和新区上产带来了极大的挑战。为了解决这一难题，确保低压低产气井正常生产，就需要提高生产管柱的气流速度，增强气井的携液能力，为此，需要更换小直径的油管来提高气流速度。当气流速度大于气井临界携液流速时，产出液就可以随气流带到地面。

更换小直径油管可分为常规小油管和速度管，更换常规小油管作业工序复杂、施工周期长，需要压井作业，压井时压井液漏失量大（平均漏失量35 m3），且压井液返排周期长（平均周期21天），容易污染地层，导致气井产能下降。而下入速度管可以实现带压作业，施工工序相对简单，施工周期短，还能避免压井过程中对储层的伤害，因此，速度管排水采气技术是具有广泛应用前景的适用于低压低产气井的排液采气技术。

1 速度管排液技术

速度管排水采气技术，是在不动原生产管柱的情况下，将小直径连续油管从原生产管柱内下入产层中部作为生产管柱，减小流体流动截面积，增大流体流速，提高气井携液能力，防止或减缓井筒积液。

1.1 速度管设备组成

速度管设备由速度管作业车、速度管悬挂密封装置、速度管堵塞器、速度管和其他配套工具组成[2-6]。速度管作业车作为速度管的运输工具和下入装置，悬挂密封装置用于对速度管悬挂和环形空间密封，速度管堵塞器用于下入速度管时封堵速度管底部，防止气体在施工中窜出，气井投入生产前需将堵塞器打掉。

1.2 速度管作业过程

下入速度管时需带压作业，下入过程中通过注入头来密封速度管的外部，通过堵塞器来密封速度管的内部。速度管下入过程为：

1）关闭井口1#闸门，使速度管带着堵塞器穿过注入头、防喷器组、悬挂器，此时整个速度管内外是不带压的。

2）启动注入头中的密封装置，使之密封速度管外部，打开井口1#闸门，这时井筒中速度管外部有压力，而速度管内部没有压力；继续下放速度管到预定深度。

3）用悬挂器悬挂速度管并密封速度管外部，卸掉防喷器组，在合适位置切断速度管。

4）装好井口，采用氮气车向速度管内注入气体，加压将速度管内堵塞器打掉，使速度管与井筒连通。开井，从而实现速度管携液生产。

2 大牛地气田速度管排液技术应用

2.1 采气管柱优选

大牛地气田水平井普遍属于低压低产气井，平均油压6.83 MPa，套压7.95 MPa，产气量2.49×104m3/d，产液量4.17m3/d，液气比1.67m3/104m3，多采用φ89.0mm和φ60.3 mm管柱生产。根据水平井临界携液流量计算模型[7-12]和井筒管流压降理论[13]，可分别得到不同管柱下气井临界携液流量及井筒摩阻分布见表1。水平井携液能力呈三段分布，水平段最大，造斜段次之，垂直段最小。考虑到液柱回压影响，水平段液柱回压相对较小，对气井生产影响也最小。因此，解决水平井排液的核心问题就是保证水平井造斜段和直井段能够将积液连续携带出井口。从携液角度看，大牛地气田大部分水平井普遍积液，均不能正常携液生产。当生产管柱尺寸不超过φ50.8 mm，当前气井生产特征可满足携液要求。

表1 不同管径下气井最小携液流量关系Table 1 The minimum liquid carrying amount of gas wells with different pipe diameters

但是，气体流经不同规格油管时其压力损失大小不一样。产气量越大，油管中的压力损失越大；油管内径减小，压力损失增大。从表1可知，φ25.4 mm速度管摩阻为3.36 MPa，井筒压力损失过大。

因此，综合考虑气井生产中后期的产能、携液能力和成本等多个方面因素，合理优化管柱尺寸，初步选用φ38.1 mm速度管作为生产管柱可经济有效地满足大牛地气田中后期生产要求。

2.2 试验效果分析

目前大牛地气田速度管试验井60口，平均油压为7.17 MPa，套压为9.07 MPa，产气量为1.91×104m3/d，产水量为3.28 m3/d，液气比为1.72 m3/104m3。试验速度管后，气井生产时率提高了8.49%；平均压降速率由0.041 1 MPa/d降低到0.007 1 MPa/d。通过速度管排水采气，气井的自身携液能力增强了，在减少生产过程中降压带液频率和降低泡排频率及用量情况下，实现了气井连续自主携液，保证了低产气井平稳生产（图1）。

60口水平井速度管排液试验前后生产效果对比见表2。从表2可见，试验后气井的油压处于稳定或上升趋势，产气量处于稳定或上升趋势，产液量均出现下降趋势。这是由于试验前气井频繁采用泡排和降压带液措施来人为强制排出井筒积液，试验后气井靠自身携液能力正常带液生产，基本不需任何助排措施，排水采气效果明显，为低渗致密气藏水平井提供一种有效排液和稳产增产手段。

3 速度管排液技术改进

图1 速度管施工前后一个月助排措施量对比Fig.1 Cleanup measure amount comparison before and after a month of velocity tube construction

表2 大牛地气田水平井速度管试验情况对比Table 2 Testing condition comparison of velocity tube of horizontal wells in Daniudi gas field

图2 常规速度管堵塞器结构Fig.2 Blanking plug structure of conventional velocity tube

速度管下入过程中，堵塞器起着重要作用，若堵塞不严，将无法切管。常规速度管堵塞器见图2，它由速度管、堵头、密封圈等3部分组成。在打压堵塞器作业之前，速度管内部一直是没有压力的，为了防止堵塞器在速度管下入过程中脱落而发生失封现象，现有堵塞器都往往采用了过盈量偏大的密封圈，一方面密封圈过盈量太大会引起密封圈被剪切损坏，严重影响密封圈无泄漏密封寿命；另一方面密封圈过盈量太大会导致密封圈与密封槽尺寸不匹配，存在速度管与堵塞器间卡得过紧的问题。

现场施工过程中速度管下到预定位置后，经常需要依靠较高压力的氮气才能打掉速度管底部的堵塞器，严重时甚至出现堵塞器打不掉现象发生。33口试验井打掉堵塞器时氮气压力超过了20 MPa，最高压力甚至达到42 MPa，超过了采气树装置标准试压范围。有2口井出现堵塞器打不掉现象，使速度管不能与井筒连通，天然气不能实现速度管内生产，导致施工作业失败。

3.1 堵塞器结构改进

为了解决速度管与堵塞器间卡得过紧的问题，对堵塞器结构进行改进，将原密封圈替换为过盈量较小的密封圈，同时在速度管与堵塞器间装配剪切件，通过剪切件可以将堵塞器固定于速度管上；当向速度管内输压时，剪切件被剪断，可轻松实现堵塞器与速度管的分离。

改装后的速度管堵塞装置（图3），包括速度管、堵头、密封圈、剪切件。

图3 改装后速度管堵塞装置结构Fig.3 Blanking plug structure of modified velocity tube

堵头是一种带密封槽的圆柱体，密封圈安装在密封槽内，与堵头一起装入速度管底部。在密封槽的下方，堵头与速度管在径向上开有一对小孔，小孔贯通，将剪切件穿过小孔，将堵头悬挂在速度管底端。

密封圈是一种橡胶筒，安装在密封槽内，起着密封作用。在插入剪切件前，堵头可较为轻松地从速度管内拔出。

剪切件主要为剪钉或针形销，具有安装方便，价格低廉，承压能力低等优点。当采用孔装配剪切件时，剪切件位于密封圈的下方，可以避免小孔对速度管的密封性造成影响，保证速度管良好的密封性。由于剪切件对堵塞器具有固定作用，可防止堵头从速度管内脱落，同时剪切件具有较低的剪切力，在较低压力下可以剪断，使堵头与速度管轻松分离，实现速度管畅通。

3.2 密封圈及密封圈槽参数合理选配

由于原密封圈替换为过盈量较小的密封圈，为了保证堵塞器堵塞效果，需要对密封圈及密封槽的相关参数进行合理选配，保证密封圈有足够的密封面接触压力和尽量小的摩擦力，避免密封圈的永久性变形，保证密封圈长期有效地工作。

表3 大牛地气田38.1 mm速度管配套密封圈及密封圈槽主要技术参数Table 3 The main technical parameters of matched seal ring and seal groove of 38.1 mm velocity tube in Daniudi gas field

密封圈密封属于挤压弹性体密封，因此，要保证密封效果，密封圈必须要有合理的预压缩率。结合大牛地气田水平井速度管特点，根据江汉石油管理局采油工艺研究院陈爱平[14]关于O形密封圈和密封圈槽选配方法，确定了大牛地气田38.1 mm速度管配套密封圈及密封圈槽的主要技术参数（表3）。

由3表可知，密封圈压缩率降低至5.57%，改进后的速度管堵塞装置既起到了良好的密封效果，又可防止速度管下入过程中堵头脱落；同时密封圈与密封圈槽的合理匹配避免了堵塞器与速度管之间出现卡得过紧的问题，打掉堵头容易，大大提高作业和工艺一次成功率，满足现场生产要求。

4 结论

1）根据水平井携液模型和管流压降理论，优选φ38.1 mm速度管作为生产管柱进行排水采气，在减小助排措施量条件下，实现了气井连续稳定携液生产，效果明显，为低渗致密气藏水平井提供一种有效排液和稳产增产手段。

2）针对速度管施工过程中堵塞器不易打掉问题，将堵塞器上原密封圈替换为过盈量较小的密封圈，同时在速度管与堵塞器中设置承压能力低的剪切件，剪切件安装在密封圈下方，解决了堵塞器不易从速度管上脱离的问题。

3）给出了大牛地气田38.1 mm速度管配套密封圈及密封圈槽主要技术参数，将密封圈压缩率降低至5.57%，实现了密封圈及密封圈槽的合理匹配，既保证了密封圈密封效果，又避免了堵塞器与速度管之间出现卡得过紧的问题。

[1]周舰，罗懿，刘岳龙，等.大牛地水平井速度管排液工艺研究与应用[J].石油机械，2013，41（12）：102-105.

[2]钟晓瑜，颜光宗，黄艳，等.连续油管深井排水采气技术[J].天然气工业，2005，25（1）：111-113.

[3]王海涛，李相方.气井CT速度管柱完井技术理论研究[J].石油钻采工艺，2009，31（3）：41-45.

[4]曹和平，张书平，白晓弘，等.速度管柱系统研制与应用[J].石油机械，2011，39（10）：113-115.

[5]杨山，杨松枫.速度管装置及配套工具在油田的应用[J].石油钻采工艺，1995，17（5）：70-75.

[6]冯定，符达良.连续油管作业机的应用及发展方向[J].石油机械，1994，22（8）：47-49.

[7]Turner R G,Hubbard M G,Dukler A E.Analysis and prediction of minimum flow rate for the continuous removal of liquids from gas wells[J].JPT,1969,21(9)：1475-1481.

[8]Li Ming.New view on continuous removal liquids from gas wells [C]//SEP Permian Basin OiL and Gas Recovery Conference,Mid⁃land,Texas,SPE 70016,2001.

[9]王毅忠，刘庆文.计算气井最小携液临界流量的新方法[J].大庆石油地质与开发，2007，26（6）：82-85.

[10]雷登生，杜志敏，单高军，等.气藏水平井携液临界流量计算[J].石油学报，2010，31（4）：637-639.

[11]王志彬，李颖川.气井连续携液机理[J].石油学报，2012，33（4）：681-686.

[12]周瑞立，周舰，罗懿，等.低渗产水气藏携液模型研究与应用[J].岩性油气藏，2013，25（4）：123-128.

[13]Mukherjee H,Brill J P.Pressure drop correlations for inclined two-phase flow[J].Journal of Energy Resources Technology, 1985,107(4)：549-554.

[14]陈爱平，周忠亚.O形密封圈和密封圈槽的选配及应用[J].石油机械，2000，28（5）：49-51.

（编辑：尹淑容）

Application and improvement of velocity string drainage technology of horizontal wells in Daniudi gas field

Zhou Jian1and Zhang Lingxiao2
（1.Engineering and Technology Research Institute,North China Company,SINOPEC,Zhengzhou,Henan 450006,China; 2.Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Zhengzhou,Henan 457001,China）

Having the characteristics of low pressure,low production and bad liquid carrying capacity,the horizontal wells in Dani⁃udi gas field need small diameter tubing to increase gas velocity and prevent wellbore liquid loading.The replacement of conven⁃tional small tubing needs well kill operation and long flowback time,in addition,the large leakage damages formation.According to gas well liquid carrying theory and conduit flow drawdown model,velocity tube ofφ38.1mm was selected out and regarded as pro⁃duction string,which was applied in drainage and gas production.Field applications show that the drainage and gas production ef⁃fects are obvious,which can resolve drainage problems of horizontal wells with low pressure and low production.According to the hardness of knocking off blanking plug,compressibility of seal ring decreased to 5.57%,which could realize reasonable matching of seal ring and seal groove.Shear units with low loading capacity were installed under seal ring,which were between velocity tube and blanking plug,thereby ensuring its seal effect and resolving the knocking off problem.In this way,one time success rate of con⁃struction operation and technology is enhanced to meet the demands for field production.

Daniudi gas field,horizontal well,velocity tube,drainage and gas production,blanking plug

TE377

A

2015-08-04。

周舰（1989—），男，工程师，采油、采气工艺研究。

国家重大专项“鄂尔多斯盆地大牛地致密低渗气田开发示范工程”（2011ZX05045）。