超高压气井地面测试安全控压技术

何恩鹏，潘 登

(中石油川庆钻探公司钻采工程技术研究院)

地面测试使用的分离计量设备一般为10 MPa或15 MPa的压力容器，若井口压力高于分离器的压力，则在进入分离器前需要降压，在低压井中使用一级节流可以满足安全作业要求，随着勘探开发的深入，超高压井地面测试施工作业越来越多，井口最高关井压力已达109.13 MPa，并且地面测试期间井筒排出的流体性质也越来越复杂，高压差时节流阀的节流部件容易损坏，造成节流失效，高压非法窜入低压区导致分离器等低压设备超压爆炸，是地面测试作业不可接受的风险，多级节流可以实现逐级降压，降低节流阀的压差，使节流阀运行平稳，保障地面测试安全作业。

节流装置以手动的方式操作，节流装置出现失效的情况下，容易对操作人员造成伤害，并且需要精确控制时人力控制很难达到控制要求。

一、节流装置失效现状

(1)地面测试过程中，井内排出的流体性质复杂，伴随着钻井期间漏失的钻井液材料、堵漏材料、完井射孔弹渣、地层岩屑等固相物质，固相物质的存在加剧了流体对节流部件冲蚀磨损的严重程度。

(2)施工过程中，节流阀会承受较高的压差，在高压差下连续运行，特别是节流部件疲劳程度较强时，容易被挤碎或剪切切断。

二、节流装置失效原因分析

1.流体冲蚀对节流部件损坏的影响

API RP 14E给出的预测流体冲蚀磨损计算临界冲蚀流速方程见式(1)：

Ve=C/(ρm)0.5

(1)

式中：ρm—混合物密度,g/cm3；C—常数，100～150，如果井筒流体很干净，不存在腐蚀和无固体颗粒情况下，C可取150[1]。

如果取ρm=0.6，可以得到Ve=129.1～193.65 m/s。根据临界流喷嘴的原理，流体经过节流部件后，p2≤0.546p1(p2为节流后的压力，p1为节流前的压力)时流体流速达到临界流速。不论节流前后压力如何变化，只要达到临界流速，在流道截面积最小处，流体的流速等于该温度下流体的音速(15℃时音速为340 m/s，温度每增加1℃，流体流速增加0.6 m/s[1])。

当流体的流速增大到临界冲蚀速率时，流体就会对节流部件造成冲蚀，并且流速越快，冲蚀越严重。

2.高压差对节流部件损坏的影响

节流阀工作时节流部件被高压力流体包裹，节流部件所能承受的压力和压差受节流部件结构、材质、疲劳程度等因素的影响，承受的压力越大、压差越大，时间越长，节流部件被损坏的机率越大。

3.节流气穴对节流部件损坏的影响

在(含液)流体中,由于压力降低而出现气泡的现象称为气穴现象。气穴中的气体可以是天然气或液体的蒸汽，管道局部收缩或扩张处会产生气穴(如图1中的B处)。当液体中的压力降低到该液体的分离压时,气体便从液体中分离出来形成气泡，气泡随流体运动到高压区后在周围压力作用下被压缩，体积迅速缩小至溃灭，从而在局部区域使压力及温度都达到相当高的数值，对管件造成严重的危害。它不仅会缩短管件的寿命而且还会引发气蚀现象，气蚀会使结构表面逐渐腐蚀，剥落成小坑，严重时会导致地面流程中弯头、管线、油嘴的刺漏。

图1 管道局部收缩节流

当流体在管中流动时，流动速度高的区域压力低，当压力低于工作温度下油液与空气分离的压力时，流体中原已溶解的气体将被分离出来，形成气泡。

一般可用节流气穴系数来描述气穴发生程度及性质。节流气穴系数δ可用式(2)表达。越小，越容易发生气穴，防止气穴发生的极限气穴系数为δmax=0.4。

(2)

(3)

由式(3)可得：p1/p2<3.5。

由式(2)可知，p1/p2决定了气穴系数的大小，p1/p2越大，δ越小，节流越容易发生气穴，也即节流压差越大，越容易发生节流气穴。控制节流后的压力大于节流前压力的0.285 7倍可防止气穴的发生。

三、安全控压技术

通过节流装置失效原因的分析，不管是冲蚀效应还是节流气穴效应，均是由节流装置节流压降过大的原因导致的，所以降低节流压差是减小节流装置损坏风险最直接的控制措施。

超高压气井地面测试中使用一级节流，节流阀承受的压差大，节流阀易损坏，采用串联二个或多个节流阀，共同分担节流阀两端的压差，使每个节流阀两端的压差减小，从而降低流体流速、减缓冲蚀磨损效应、减少气穴产生，延缓节流装置损坏速度，保障地面测试安全作业。

1.多级节流压差分配原则

节流后的流速低于临界冲蚀速率。

2.多级节流压差分配计算方法

2.1 节流压降计算

根据亚临界流速原理，节流后压力与节流前压力比值大于临界流速压力比时，流速会降低，对于亚临界流，流量与节流前后的压力的关系为：

式中：Q—通过节流装置的体积流量(标准状态下)，104m3/d；p1、p2—节流前、后压力，MPa；d—节流孔眼直径，mm；T1—节流前温度，K；Z1—p1和T1条件下的气体压缩系数，无量纲；γ—天然气相对密度，无量纲。

2.2 节流温降计算

(5)

式中：T2—节流后温度，K；k—绝热指数，无量纲，k取1.3。

图2 压缩系数图版a

2.3 节流后流速计算[3]

(6)

式中：ν2—节流后流速,m/s；Z2—T2和p2条件下的气体压缩系数，无量纲。

2.4 气体压缩系数计算

根据气体的对比压力pr和对比温度Tr查压缩系数版图(图2、图3)可以得到气体的压缩系数。

(7)

(8)

式中：p—气体的绝对工作压力，MPa；pC—气体的临界压力，MPa ；T—气体的绝对工作温度，K；TC—气体的临界温度，K。

图3 压缩系数图版b

2.5 气体密度计算方法[4]

(9)

式中：ρ2—节流后气体密度,kg/m3。

3.节流压降计算实例

已知γ=0.6，pc=4.628 MPa，Tc=191.5K，p1=120 MPa，T1=303 K，Q=30×104m3/d，p2=90 MPa，计算可得V2=233.96 m/s，Ve=236.76 m/s,V2

4.多级节流压差控制表

根据多级节流压差控制计算方法，可以计算得到推荐压差控制表如表1。

表1推荐压差控制表

井口流动压力/MPa节流后压力/MPa一级节流后压力二级节流后压力三级节流后压力四级节流后压力90～12060～9035～6025～356～860～9035～6025～356～8-35～6025～356～8--35以下6～8---

5.节流装置选择

根据压差控制表1可以看出，一级节流的压力和压降都最大，所以一级节流装置选择动力油嘴等高抗冲蚀节流阀，并且尽可能将一级节流阀安装位置靠近井口，缩短一级高压的管线长度，二级节流阀后的节流阀可以选择针型节流阀或笼套式节流阀。

6.智能控制

节流装置可采用电动远程精细化智能控制，实现高压区无人操作，增加人员操作的安全性。通过电动执行器和智能软件配合，实现各级节流的精确控压，即设定目标压力值后，根据实时监测的压力自动调节节流阀开度，保持目标压力值，并且节流阀调节精度为1%，可以实现精细化稳压调节。智能控制原理图见图4。

图4 电动远程智能控制原理图

四、现场应用实例

XX 1井，最高关井压力109.13 MPa，放喷测试期间井口最高流动压力96 MPa，采用四级节流降压工艺，前三级节流阀采用高抗冲蚀的动力油嘴，第四级节流阀采用针型可调节流阀。一级节流后压力65.3 MPa(理论计算值65 MPa)，二级节流后压力39.1 MPa(理论计算值40 MPa)，三级节流后压力27.4 MPa(理论计算值27 MPa)，四级节流后压力6.5 MPa，整个测试期间各级节流阀工作平稳可靠，未发生节流部件被冲蚀和损坏的情况。

五、结论

(1)本文提出了超高压气井地面测试多级节流控压的计算方法，为超高压气井安全控压节流级数选择提供了理论依据。

(2)本文的计算方法仅适用于流体为纯气体情况下的计算。

(3)当p2>0.546p1进行多级节流压差控制，有效避免气穴现象，杜绝节流阀被气蚀损坏，并且可以有效降低节流后流速，减缓流体冲蚀效应。

(4)采用电动远程精细化智能控制，不但可以进行稳压模式调节，而且相比人力操作，更安全，调节精度更高。

(5)根据理场实际操作经验，井口流动压力低于35 MPa使用一级节流降压时，虽然气体流速达到了临界流速，但基本上未发生节流阀失效的情况，所以最后一级节流达到临界流速满足安全控压要求。