PIPESIM 的井下节流阀在沥青质沉积防治技术的应用

熊瑞颖，郭继香，童世俊，王俊芳，罗 强，许雪蓉

（1.中国石油大学（北京），非常规油气科学技术研究院，北京 102249；2.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000）

井下节流技术（Downhole Chock）对于改善储层性能、维持地层压力具有显著优势。通过向油井下入节流阀，使得流体流经节流阀前后产生焦耳-汤姆逊效应，实现井下温度-压力调节，达到控制流体速率、缓解地层出砂、消除水合物堵塞的目的，从而显著提高油井生产效率[1-3]。而生产过程中温度、压力、溶解气参数对分析原油稳定性至关重要，温度、压力的变化甚至会破坏原油胶体体系平衡，导致沥青质的絮凝沉积[4-5]，同时温度减小还存在原油析蜡的风险。这意味着井下节流技术对原油流体开采的影响是极其复杂的。本研究基于原油PVT 数据资料，采用PVTSIM 软件预测原油沥青质沉积状况并绘制沥青质沉积包络线，再通过PIPESIM 软件模拟油井井下节流阀，分别研究不同节流阀深度、开口尺寸下井筒温度场、压力场的分布规律，从而分析井下节流技术对沥青质沉积的影响。

1 原油性质参数及软件模型的设定

1.1 原油PVT 性质参数

原油取自塔里木油田TDH-1 油井分离器，分别采用GB/T 26981—2011、GB/T 13610—2014 测试分离器油/气组分，数据（见表1）。TDH-1 油井参数（见表2）。

表1 TDH-1 油井油/气组分分析Tab.1 Analysis of oil/gas components in TDH-1 well

表2 TDH-1 油井生产参数Tab.2 Production parameters of TDH-1 well

1.2 PVTSIM 模拟参数设置

分别采用“New Plus Fluid”和“New No-plus Fluid”定义油、气组成，由于原油中重组分主要来源于沥青质，而沥青质的相对分子质量分布范围为500～1 000[6]，因此将油组分的C26+定义为重组分，相对分子质量取值为700；采用“Recombine”将油气混合，并根据表2 输入原油参数性质；选择计算模型为PR78 Penelou[7]，假定原油组分与沥青质分子间作用力为0.001，预测TDH-1 油井沥青质沉积状况。

1.3 PIPESIM 模拟参数设置

在PIPESIM 中依次选择套管、油管部件构建油井模型，套管采用Csgan 管材，内径为242.82 mm，深度为5 904 m；油管采用TSn 管材，内径为92.46 mm，深度为5 700 m；完井深度设置为5 800 m，输入油藏温度96 ℃，油藏压力82 MPa；井下设备选择封隔器，深度为5 680 m；传热系数选择10。其余参数根据表2 输入[8]。

由井下设备添加节流阀，下入深度分别设计为1 000 m、1 300 m（TDH-1 井泡点压力对应深度1 253 m前后），每个安装位置下采用“系统分析”研究节流油嘴为22 mm、26 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm 时油井温度、压力、流速变化关系。

2 结果与讨论

2.1 沥青质沉积预测

根据TDH-1 井油气组分数据，由PVTSIM 模拟软件进行沥青质沉积预测，结果（见图1）。

图1 TDH-1 油井沥青质沉积特征Fig.1 Asphaltene deposition characteristics of TDH-1 well

由图1 可得，TDH-1 油井温压分布数据在沥青质沉积包络线相图内[9]，这表明油井生产过程井深在0～5 700 m 范围内均存在沥青质沉积的风险。根据压力对沥青质沉积的影响，当压力逐渐降低至泡点压力时，沥青质沉积速率/沉积量达到最大[10-11]。

2.2 井下节流阀对油井温度/压力场的影响

由PIPESIM 模拟软件构建TDH-1 油井，根据油井温压分布数据，分别设定油井进出口压力，并设定液体流量为变量，计算得到油井日产液量1 901.28 m3，泡点压力27.38 MPa，对应井深1 219.2 m，该拟合结果与PVTSIM 结论相近。假定日产液量不变，以油井输出压力为变量，采用PIPESIM 软件模拟油井分别在井深1 000 m、1 300 m 下入节流阀（TDH-1 井泡点压力前后）。

节流阀对原油流体具有一定保压作用，表现为TDH-1 井压降在地层至1 000 m 范围内下降缓慢，压力在节流阀前相比于未加节流阀增大1～2 MPa，同时泡点压力由27.64 MPa（1 253 m）转变为25.72 MPa（999 m）；相对应的，高含气原油流经节流阀后，压力突降，导致原油流体由单相流快速转换为段塞流，该现象随着节流阀油嘴的减小而尤为明显。将节流阀安装在泡点压力之前，同时原油相态变化也提前（见图2）。

图2 节流油嘴对原油流速的影响Fig.2 Influence of throttle nozzle on crude oil flow rate

由图2 可得，以1 000 m 节流阀为例，当节流阀油嘴为22 mm 时，原油流速相比于节流前提高1.5 倍；而当节流阀油嘴内径大于油管内径43.26%时（节流阀油嘴＞40 mm），节流效应越微弱。

2.3 井下节流阀对沥青质沉积的影响

对比节流阀安装位置为1 000 m、1 300 m，节流油嘴分别为22 mm、30 mm、40 mm 对沥青质沉积的影响，结果（见图3）。

图3 不同节流阀参数，TDH-1 井沥青质沉积特征Fig.3 Different chock valve parameters，asphaltene deposition characteristics in well TDH-1

由图3 可得，节流阀安装在泡点压力（1 000 m）之后，原油流经节流阀前由于压力降低至泡点，有大量的沥青质发生沉积，分析认为沉积的沥青质具有堵塞节流阀的风险；相比于节流阀安装在泡点压力（1 300 m）之前，受节流效应导致压力突降，使得TDH-1 井温压分布明显跨过泡点压力线，这有利于规避沥青质在泡点处的沉积风险。同时得益于节流效应后流体流速的快速增加，提升了原油对沥青质颗粒的携带运移能力，将沉积的沥青质颗粒携带出油井，从而减少油管堵塞。

3 结论

采用PVTSIM 预测了TDH-1 井沥青质沉积规律；并用PIPESIM 模拟了井下节流技术对油井温压分布场的影响，从而揭示该技术对沥青质沉积的作用机制。主要结论如下：

（1）节流油嘴越小，节流效应越明显，当节流油嘴内径大于油管内径的43.26%时，节流效应微弱；井下节流阀对油井具有一定保压作用，使油井压力增加1～2 MPa。

（2）将节流阀安装在泡点压力之前，原油流经节流阀后，流体压力突降，使得油井温压场快速降低至泡点以下，可规避沥青质大量沉积带来的油管堵塞风险。

（3）节流阀能加快流体相态转换，TDH-1 井高含气原油流经节流阀后，其流态由单相流快速转换为段塞流；同时在节流效应可提高原油流速1.4～1.5 倍，有利于原油携带沉积的沥青质运移出井口。