水平井涡流排水采气技术优化

贾俊敏

中国石油辽河油田分公司（辽宁 盘锦 124010）

涡流排水采气是21世纪出现的一种新工艺技术，最早由美国研发和应用，是美国能源部资助的低产油田新技术研究项目之一.2005年技术成熟并投入商业化应用，后续主要在美国和澳大利亚进行了现场推广应用，收到良好经济效益。国内对于该技术进行了引进和实验，但处于研究阶段，还没有形成具有自主产权的工艺和技术。中国石化华北油田分公司、西南油气田及塔里木气田等在引进该技术的基础上进行了现场试验，取得了一定效果[1-3]。在选井参数及单井优化设计方面国内还没有成熟的模型，还在进一步优化论证阶段，通过分析研究可为现场工艺实施提供一定借鉴。

1 涡流排水采气基本原理

涡流排水采气的基本原理是当无规则的气液两相紊流混合物经过涡流工具时，螺旋通道使流体快速旋转，在井筒中建立气液两相涡旋上升环膜流态，由于离心作用使得较重的液体甩向管壁流动，较轻的气体则居管子中间流动，这样流态就改变成阻力小的层流，并向上传播和维持较长的距离，减少了流动摩阻从而可以携带更多的液体，提高排水采气能力[4-5]。涡旋上升环膜流主要参数包括环膜螺旋角、环膜厚度、环膜宽度。这些参数决定了涡旋上升环膜流流态沿井筒变化、携水率及摩阻损失特性。根据不同气井积液程度、水气比等，确定涡流参数优化方向。涡流技术可以提高气体排液效率，提高累计气产量，但不能改变产量自然递减趋势，所以在排水采气过程中只起到一定的辅助作用，不适宜大规模排水。

2 涡流工具结构设计

井下涡流工具主要由投捞头、涡流变速体等组成（图1），投捞鱼头用于钢丝绳或电缆投捞作业时与投捞器连接。涡旋变速体由一个圆柱形或圆锥形的内实体和外螺旋叶型片构成，主要作用是改变多相流体的运动方向和流速。通过离心力的作用,密度大的介质在井管管壁附近流动，密度小的在井管中心的位置流动。导向腔导引流体方向，把垂直流向变为侧流，导向口数量、截面构造影响涡旋上升环膜流的形成和参数[6-7]。坐封器用于油管接箍坐封，通过钢丝绳作业，把井下涡流工具坐封在油管接箍处。

图1 涡流工具结构简图

3 技术特点及适应范围

该技术适用于自喷低产气井，井底及井筒内已积液，气产量低于最小临界携液流量（间开井）或气产量下降快有接近临界携液流量趋势。具体数据指标是携液流速比介于0.3～1，地层压力系数大于0.6，水气比小于150 m3/104m3。同时该技术也用于自喷高产但水量大的气井。对已知储层含水的气井，为了预防及延缓井筒积水，也可前期下入该工具。该工具参数见表1。

表1 涡流工具技术参数

该工艺施工简便，不需要动用修井设备、不关井、不压井；能够减缓结蜡、结垢，降低冰堵；初期投入费用低（10万元以内/井次），后期无费用发生；无运动件，工作可靠，使用周期可长达半年以上。

该技术可通过钢丝绞车完成作业（图2），主要工艺步骤包括安装井口防喷盒、通管、下涡流工具、座封与解脱、起出钢丝及投入工具、涡流排液采气生产等工序；如需打捞，则下捞取工具即可。

4 单井优化设计

4.1 气井基本情况

和田河气田××井为一口水平井，该井2013年—2017年自喷生产。初期产量为20×104m3/d，生产一段时间后，关井，然后又生产了数周。2017年生产数据显示，随着油压降低，油气产量得以提高，油压从14.5 MPa降低到11.0 MPa后，日产气量由8×104m3提高到10.5×104m3，这说明随着井周流体被举升出井口，日产气量得以提高。

图2 涡流作业流程示意图

该井177.8 mm生产套管下深2 116.73 m，6只裸眼膨胀封隔器完井，88.9 mm油管下深2 203.37 m，油管流压14.1 MPa，井底温度97.3℃，计算产量高于临界产量。生产管柱如图3所示，为油管+177.8 mm套管悬挂封隔器+88.9 mm BG110SE（壁厚6.45 mm）油管+压裂滑套+88.9 mm油管+遇油膨胀封隔器（若干套）+油管+压裂滑套+油管+浮阀2只+88.9 mm筛管+88.9 mm盲堵圆头引鞋。

图3 和田河××井管柱图

4.2 优化论证及应用效果

该井目前产量10×104m3/d，高于临界值，计算临界产量为8.56×104m3/d。由于斜井段气体从液体中滑脱后积聚在管柱顶部，预计该井直井段底部至井口没有流体流动，而液体沉积在斜井段管柱底部，这样就在斜井段某区域形成段塞流，阻碍了油气产出。另外，由于该井是裸眼完井，油管缺少尾管保护，导致了油管内气体流速逐渐降低，水滞留在油管内。

实验中，分别将涡流工具及标准油管放在30.48 m长的管道内。在油管内循环时，标准段塞流持续了30 s，压差（红线）34.5 kPa。通过涡流工具循环时，压差（黑线）很低（10.3 kPa)，段塞流持续时间很短,这说明通过涡流工具可以极低的压差移除管内积聚流体。图4显示了气体在流体中的滑脱现象，说明斜井段油管内的段塞流阻挡了气产出。该井使用了涡流工具后，在无需其他干预的情况下，临界产量将提高80%，设计将涡流工具下到88.9 mm油管2 165 m处压裂滑套上部，这样可以将斜井段油管内积液排出井口。使用涡流工具后，该井油压降低，生产周期延长，表明该工艺达到了预期效果。

图4 滑脱分析

5 结论及建议

1）涡流工具可以改变气液两相流的流动形态，有效提高气井携液能力，从而避免气井井底积液，延长气井带水生产周期。

2）水平井井筒积液时，由于斜井段气体从液体中滑脱后积聚在管柱顶部，直井段底部至井口部分没有流体流动，液体沉积在斜井段管柱底部，在斜井段某区域形成了段塞流，阻碍了油气产出。

3）涡流工具改变了两相流流态，段塞流持续时间短,可以用极低的压差移除管内积聚流体。

4）使用涡流工具后，该井油压降低，生产周期延长。