文23储气库注采管柱冲蚀规律与极限注采气量分析*

何祖清，伊伟锴，李 军，孙 鹏，刘鹏林，蒋记伟

(1.中国石化石油工程技术研究院 北京 100101；2.中国石油大学(北京)石油工程学院 北京 102249；3.中国石油大学(北京)克拉玛依校区石油学院 新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

储气库作为保障国家城市能源供应的重要基础设施，其安全高效运行尤为重要[1-2]。储气库安全运行主要由套管的完整性、注采管柱的完整性及井口的完整性等三方面构成。常规储气库设计初期主要考虑套管及井口的完整性，对注采管柱冲蚀问题未引起足够重视。当前储气库井注采管柱设计服役年限为30～50年[3]，采用永久封隔器坐封，服役期间不能更换，若服役过程中发生损坏则会造成严重的损失。我国储气库建设自本世纪初开始，最长服役时间远未达到设计的服役年限，且均未饱和运行，注采管柱也不易发生严重的安全问题。但饱和运行或调峰时，随着注采管柱内流速的增大，冲蚀现象会对注采管柱安全产生很大影响。目前国外[4]关于储气库注采管柱冲蚀相关资料较少，国内气井管柱冲蚀研究[5-8]则主要集中在高压采气条件下的管柱冲蚀，不适用于储气库井注采管柱既注又采的特点。本文根据中石化在建的文23储气库注采井实际管柱结构，建立了储气库井注采管柱模型，分析了当前生产方式下的注采管柱冲蚀规律、极限注气量与采气最小井口压力。为文23储气库的工作制度设计和调峰能力提供了理论依据。

1 文23储气库基本情况

1.1 文23储气库概况

文23储气库项目是国家“十三五”重点建设工程，是我国在建的中东部地区最大的储气库。由文23气田枯竭砂岩气藏改建，主力注采层系为S43-6砂组。气库设计上限压力为原始地层压力38.6 MPa，气库总库容为104.21×108m3，一期设计地层压力下限为20 MPa，总设计下限压力为15.0 MPa，有效工作气量57.25×108m3。当前文23储气库设计单井注气量为(30～50)×104m3/d，单井采气量为(15～30)×104m3/d。文23储气库建成后，将与中国石化榆济线、中开线、鄂安沧管道实现互通，为多条长输管道的平稳运行提供服务和保障，将极大缓解华北地区乃至全国在冬季用气高峰期间的用气紧张局面。

1.2 文23储气库注采管柱结构

文23储气库注采管柱示意图如图1所示，其具体结构为：油管+循环滑套+坐落短节+封隔器+球座，注采井井斜角在10°～30°之间，注采管柱外径88.9 mm，内径76 mm，钢级为P110S13Cr。

图1 文23储气库注采井示意图

2 注采管柱冲蚀模型

2.1 注采管柱气体流动速度模型

计算管内实际的气体流速采用Hagedorn&Brown模型[9-10]，其方程为：

(1)

流量Q0与速度的换算关系为：

(2)

标准状态流量计算公式为：

(3)

2.2 注采管柱气体临界冲蚀流速模型

高速气体在管内流动会对管柱产生冲蚀作用，产生明显冲蚀作用的流速即为临界冲蚀流速。根据API RP14E标准[12]，其管柱气体冲蚀速率模型为：

(4)

其中，Ve为临界冲蚀流速，m/s；C为经验常数。为保证储气库注采井的安全运行，C值取模型最小值100。其他参数同上。

当管内实际流速v大于临界冲蚀流速Ve时，注采管柱内会发生冲蚀。

2.3 模型计算参数

文23储气库注采井多为定向井，井斜角在10°～30°之间，地层温度为120 ℃。设计井深3 000 m，油管下深2 750 m，造斜点深度为1 600 m。计算参数见表1。

表1 模型计算基本参数

3 结果分析

依据以上模型，以文23储气库注采井为例，对注气与采气两个工况的注采管柱冲蚀规律进行了分析。

3.1 注气对注采管柱冲蚀的影响

3.1.1 注气量的影响

图2为注气阶段管内实际流速与临界冲蚀流速关系图，图内虚线为管内实际流速，实线为临界冲蚀流速(下同)。由图可知，由于地温和压力对气体密度的耦合作用，管内实际流速和临界冲蚀流速随井深增加先增大后减小，在井深1 300 m左右实际流速达到最大值。管内实际流速随注气量增大而增大，注气量50×104m3/d时，管内实际流速在4.5 m/s左右，且临界冲蚀流速基本不随注气量变化而改变。

图2 注气量与实际流速和临界冲蚀流速的关系

当前注气方式下，管内实际流速均小于临界冲蚀流速，注采管柱不会发生冲蚀。同时，实际流速与临界冲蚀流速间有较大空间，调峰作业时可适当提高注气量。

3.1.2 极限注气量的确定

因压缩机功率限制等原因，注气压力在35～38 MPa波动。注气压力为35 MPa时的临界冲蚀流速约为8.5 m/s，38 MPa时约为8.3 m/s，临界冲蚀流速随注气压力增大而减小，如图3和图4所示。同时，如图3所示，在注气压力为35 MPa，注气量为100×104m3/d条件下，管内实际流速大于临界冲蚀流速，在注气量为95×104m3/d条件下，管内实际流速小于临界冲蚀流速。同理，由图4可得，注气压力为38 MPa，注气量为100×104m3/d时，管内实际流速小于临界冲蚀流速。故在实际作业中，注气压力不稳定，极限注气量不应高于95×104m3/d。

图3 注气压力35 MPa时注气量与临界冲蚀流速的关系

图4 注气压力38 MPa时注气量与临界冲蚀流速的关系

3.2 采气对注采管柱冲蚀的影响

3.2.1 采气量的影响

图5为定井口压力条件下的采气量与管内实际流速和临界冲蚀流速关系图。

图5 采气量与管内实际流速和临界冲蚀流速的关系

由图5可知，实际流速和临界冲蚀流速随井深增加先减小后增大，在 1 500 m左右达到最小值。实际流速随采气量增加而增加，采气量每增加5×104m3/d，实际流速增加约0.5 m/s。临界冲蚀流速在井筒中部随采气量增加而增加，采气量每增加5×104m3/d，临界冲蚀流速增加0.2 m/s左右。在当前采气量条件下，注采管柱实际流速小于临界冲蚀流速，不会发生冲蚀现象，调峰作业时可适当上调采气量。

3.2.2 最小井口压力的确定

采气时井口压力不同导致管内实际流速与临界冲蚀流速均会发生变化，分析了不同采气阶段注采管柱井口压力与实际流速和临界冲蚀流速的关系，如图6～图8所示。由图可知，管内实际流速与临界冲蚀流速均随井口压力减小而增大。

图6为采气初期(地层压力35 MPa)的管内实际流速与临界冲蚀流速关系图，由图可得，在井口压力为22 MPa时，井深1 000 m处管内实际流速超过临界冲蚀流速；井口压力为23 MPa时，管内实际流速各段均小于临界冲蚀流速。故采气初期，最小井口压力不应低于23 MPa，此时极限采气量为117×104m3/d。同理，由图7、图8可得，采气中期(地层压力25 MPa)最小井口压力不应低于15 MPa，极限采气量为94.7×104m3/d，采气末期(地层压力15 MPa)最小井口压力不应低于7 MPa，极限采气量为67.2×104m3/d。极限采气量随采气进行而逐渐降低。储气库采气调峰运行时，地层压力与最小井口压力呈正相关，不同采气阶段井口压力不应超过各阶段最小井口压力值。

图6 采气初期实际流速与临界冲蚀流速关系图

图7 采气中期实际流速与临界冲蚀流速关系图

图8 采气末期实际流速与临界冲蚀流速关系图

4 结 论

1)本文建立了文23储气库注采管柱模型，计算了注气与采气时的管内实际流速与临界冲蚀流速。注气时，随井深增大二者呈先增大后减小的规律。采气时，随井深增大二者呈先减小后增大的趋势。当前生产方式下，管内实际流速均小于临界冲蚀流速。

2)注采管柱临界冲蚀流速随注气压力增大而减小，极限注气量随注气压力增大而增加。Φ88.9 mm×6.45 mm注采管柱极限注气量不应超过95×104m3/d。

3)管内实际流速与临界冲蚀流速均随井口压力减小而增大，随采气量增大而增大。不同采气阶段井口压力不能低于该阶段最小井口压力。最小井口压力与极限采气量随地层压力减小而减小。