摘要: 川中金秋致密气田具有低渗透、低产能的特点，在气田开采及集输过程中，由于井口压力高，井口压力与管道输压压差大，地面易形成水合物，导致输气量减少，出现管线堵塞现象，严重影响气田生产的正常运行，为此开展井下节流技术的研究与应用具有重要的实际意义。为解决此类问题，同时为后续优化简化地面采输流程、提高开发经济效益，本研究针对川中致密气田气井生产特征和管柱特点，特别是致密气在生产过程中持续出砂，且砂粒很细，节流器的防砂工艺进行技术攻关，成功研制2 3/8in新型活动式井下节流器以及配套作业工具，并在致密气井开展井下节流工艺现场应用20余井次，同时持续跟踪气井生产情况，制定合理的维护制度。结果表明，安装了井下节流器的气井，改为井下节流工艺生产后实现井筒节流降压，有效避免水合物的生成，取消地面加热装置，优化简化地面建设和后期运行成本，实现致密气规模效益开发。
Abstract:
The Jinqiu tight gas field in central Sichuan is characterized by low permeability and low productivity. In the process of gas field exploitation and gathering and transportation, because of high wellhead pressure and large difference between wellhead pressure and pipeline pressure, hydrate is easy to form on the surface, therefore, the research and application of downhole throttling technology is of great practical significance. It will lead to the decrease of gas transmission and pipeline blockage. In order to solve these problems, and to optimize and simplify the surface production and transportation process and improve the economic benefits of development, this study aims at the production characteristics and string characteristics of gas wells in Chuanzhong tight gas field, in particular, the dense gas continuously sanded out in the production process, and the sand particles were very fine, the sand control technology of the throttles was studied, and a new type of downhole throttling device of 2 3/8in was successfully developed. The downhole throttling technology has been applied more than 20 times in the field of tight gas wells, at the same time, the production situation of gas wells has been continuously followed, and a reasonable maintenance system has been formulated. The results show that the downhole throttling process can effectively reduce the pressure and reduce the formation of hydrate and cancel the surface heating device in gas wells with downhole throttling, optimizing and simplifying the ground construction and later operation costs, to achieve tight gas scale benefit development.
1. 引言
金秋致密气田沙溪庙组气藏，埋深1800~2400 m，温度65.12℃~72.79℃，压力系数0.43~1.18，属低压~常压气藏。6、8、9号砂组压力系数0.72~1.17，地层压力在14~26 MPa之间，低压~常压气藏；7号砂组，压力系数0.46~0.47，低压气藏。天然气甲烷含量90%左右，不含硫化氢，低含二氧化碳(0.016%~0.059%)，微含凝析油。在致密气开采中，由于井口压力高，井口压力与管道输压压差大，地面易形成水合物，导致输气量减少，出现管线堵塞现象，严重影响气田生产的正常运行 [1] 。井下节流工艺即是把井下油嘴及其配套工具通过绳索作业方式座放在油管中设计位置，气井生产时，天然气经过井下油嘴节流后，压力、温度降低，而降温降压后的天然气又会在井筒中充分吸收地热，使其温度重新升高，破坏水合物生成条件 [2] 。当到达井口时，天然气温度较高，压力较低，地面无需再节流，也无需水套炉加热生产即可实现水合物的有效防治。针对致密气气井研制出一种适合金秋致密气田沙溪庙组气藏的井下节流器，通过地温对节流后的天然气加热，使节流后气流温度高于该压力条件下的水合物形成温度，同时降低地面管线压力，避免水合物的生成 [3] 。通过井下节流技术有效降低井口及输气管线压力，提高管线的安全系数，改善水合物形成条件，实现水合物的有效预防，节约地面加热装置，简化地面流程，最终实现快速安全投产，可实现无人值守，节省人力物力成本 [4] 。
2. 地面集输系统现状
2.1. 地面集输方式
气藏主要采用气液混输、集中脱水脱烃模式生产(见图1)。各节流、输送环节存在水合物形成风险，目前主要采用地面加热，水套炉(见图2)或者电加热装置(见图3)，并辅助水合物抑制剂加注、调整增压机工况降低管网压力等措施，保障正常生产运行。
Figure 1. Structure diagram of solid bubble row device
图1. 金浅5H集气站集输管网图
2.2. 工艺局限性
为抑制水合物生成，主要使用电加热和水套炉两种加热装置。传统工艺局限性：(1) 未能有效防止水合物堵塞：致密气区块场站在冬季运行中，由于环境温度低、电加热装置功率不够，地面易出现冰堵，特别是临时排采流程，无地面加热装置，地面冰堵更为严重，带来一系列制约生产的问题，如车配合进行解堵工作，耗时耗力；常采用两端放空解堵，外输管线中的放空气量大；冰堵未解决前，采取关井措施，影响气井产能发挥。(2) 投入及运行成本高，测算目前两种加热模式两年“设备 + 运行”费用：电加热两年费用约98.66万元，水套炉两年费用约119.7万元。(3) 管理难度大，井站人力资源紧张，日常运维管理工作较多，法有效预判是否冰堵，管理带来不确定性，置冰堵需到现场放空拖液，安排车辆转运油水，耗费大量时间、人力 [5] 。
3. 节流器研制
3.1. 工艺原理
井下节流工艺通过井下节流器把配产油嘴投放到一定深度的井下油管内，高温高压的天然气流体经过节流效应后压力和温度有了明显的下降，实现井筒中节流降压，同时充分利用地热能量天然气到达井口后高于水合物形成温度，有效防止了水合物的产生，从而取消井口加热装置，实现气井安全、平稳生产(见图4)。
Figure 4. Schematic diagram of downhole throttling technology
图4. 井下节流工艺示意图
3.2. 设计及试验
3.2.1. 设计方案
致密气造以“段内多簇 + 大排量 + 变粘滑溜水 + 高强度连续加砂”为特色的水平井体积压裂技术，撑剂选用70/140目石英砂 + 40/70目覆膜石英砂组合，返排砂主要为70/200目石英砂。排率差异较大，分布在1.03%~59.28%之间，整体返排率较低(见表1)。设计的难点在于致密气在生产过程中持续出砂，且砂粒很细，节流器的防砂工艺技术。
针对川中致密气完井管柱未预置节流工作筒，产凝析油和水，投产初期出砂等特点，设计了2 3/8in新型活动式井下节流器，在防砂工艺方面创新设计偏心油嘴，油嘴底座侧面开设进气孔，改变进气方式，同时增加防砂网目数，有效抵挡返排砂，避免砂粒沉积在节流器上部造成打捞困难。节流器本体材质40CrNiMoA高强度合金钢，在同尺寸规格的前提下，抗拉性能和抗扭性能更好,屈服强度更高，材料硬度也更高，密封胶筒部件采用氟橡胶，抗凝析油效果好，防砂部件采用YG8硬质合金钢，具有高硬度和良好的耐磨性能，抗冲蚀效果好。
Table 1. Reconstruction parameters of tight gas reservoir
表1. 致密气储层改造参数
3.2.2. 性能试验
试验环境：机械厂工房，50.64 mm油管短节，液压泵(见图5)。
工具反复进行投捞试验、密封承压测试以及整体功能性测试，确保投捞正常、承压可靠；
座封：3~4次振击，剪断铜销钉，顺利完成丢手，座封可靠；
密封：分别10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa稳压5分钟(见图6)，均能封得住；
打捞：打捞器能顺利的抓住节流器打捞颈，并且将卡瓦回收。
试验结论：满足下得去、锚得住、封的可靠、捞得出的性能。厂内测试各项性能指标满足设计要求，具备了入井现场试验条件。
Figure 6. The performance test pressed 35 MPa
图6. 性能试验打压35 MPa
3.3. 研制成果
节流器型号：HWX47-35 (见图7)；
承压：35 MPa；
耐温：120℃；
材质：40CrNiMoA；
适用油管规格：2 3/8in (内径50.64 mm)；
最大刚体外径：47 mm；
卡瓦张开外径：53 mm；
密封胶筒外径：47 mm；
密封胶筒硬度：SH85 ± 5；
防砂滤网目数：120 (致密气返出砂为70/200目石英砂)。
Figure 7. Schematic diagram of downhole throttle
图7. 井下节流器示意图
4. 技术应用效果
4.1. 选井原则
管柱类型：考虑到连续油管管柱内有焊接缝，影响节流器密封，目前分公司范围内暂无连续油管下入井下节流器的应用，因此连续油管生产井暂不考虑井下节流工艺，选择金属油管完井进行井下节流工艺试验。
斜/井深：通过对致密气井井况模拟计算及经验综合考虑，井下节流器下深位置在1400~1800 m；考虑钢丝作业条件，井斜要小于30˚。
实际工况极限节流压差预计20 MPa，目前活动式井下节流器能承受最大压差35 MPa，工具性能满足致密气井应用条件。
产量情况：2寸3节流器中心杆通径为8 mm，节流器前压力大概在15~16 MPa左右，最大产气量在15万方左右 [6] 。
井口压力：目前致密气井输压在3.5~5 MPa之间，井口压力高于输压4 MPa以上节流易产生水合物，井口压力选择8 MPa以上的气井 [7] 。
4.2. 现场实施情况
实施准备中，对井下节流工艺设计参数优化、施工作业组织等方面进行多轮论证，制定了详细的井下节流工艺实施方案。
施工过程中，致密油气项目部提前沟通联系，积极协调施工队伍入场时间、开关井等事宜，尽量缩短关井时间，确保施工过程严格按照方案设计进行。
生产运行中，成立致密气井下节流工作小组，运行周报及施工计划，跟踪评价井下节流器入井实施效果。
截至目前，已完成25口井34井次的节流器投放及维护作业，现场施工投放及打捞作业成功率达100%。
4.3. 实施效果及经验
4.3.1. 工艺效果
致密气已应用活动式井下节流工艺的25口井，油整体上产量稳定，节流后套压递减呈线性递减规律，套压递减速度分布在0.1~1.1 MPa/Mon，平均递减速度0.36 MPa/Mon。气藏25口井下节流工艺气井生产平稳，有效避免井口冬季发生水合物堵塞情况，验证了致密气生产采用井下节流工艺适应性，达到了井下节流现场试验的预期效果 [8] 。
4.3.2. 秋林20H试验效果
投产初期出现冰堵现象，改为井下节流工艺后实现井筒节流降压，避免水合物的生成，生产效果好，并有效节约能耗，降低生产成本。
秋林20H井未下入节流器之前生产波动较大，输气管线多次出现冰堵，日产气从1.5至4.5 × 104 m3不等，3月15日采用井下节流工艺后，油嘴4.7 mm，生产平稳，日产气稳定在4.4 × 104 m3左右。5月17日维护改为5.3 mm油嘴后，日产量在5.2 × 104 m3，生产稳定(见图8)。
Figure 8. Qqiulin20H gas production curve diagram
图8. 秋林20H采气曲线图
4.3.3. 工具适应性分析
金浅12-6-H1口井生产6个月，起出验证井下节流器适应性。
该井2022年12月23日首次下入活动式节流器(见图9)，嘴径7.0 mm，定产8万/天，采用井下节流工艺后，生产油压4.5 MPa，日产气量9万方/天，生产平稳。
2023年6月28日，顺利完成节流器维护，起出节流器胶筒完好，无明显变形，卡瓦无明显磨损(见图10)，工具适应好，现场试验表明，新型活动井下节流器座放可靠，顺利维护，满足金秋气田致密气藏应用需求。
Figure 9. Drop downhole throttle of Jinqian12-6-H1
图9. 金浅12-6-H1入井节流器
Figure 10. Remove downhole throttle of Jinqian12-6-H1
图10. 金浅12-6-H1捞出节流器
5. 结论
(1) 金秋气田沙二气藏开发方案推荐采用地面节流工艺并开展井下节流试验，主体采用地面工艺防治水合物生成，在开井初期采用稳定产量及注乙二醇方式防治水合物。通过现场试验，井下节流工艺适应致密气井生产，建议致密气井推广应用井下节流工艺，简化地面工艺流程、降低后期运行成本，推动致密气规模效益开发。
(2) 摸索维护周期，降低井下节流工艺成本，分区块优选典型井按不同入井应用时间，起出节流器检查节流器工况。根据2个月、4个月、6个月的周期维护情况，井下节流器使用工况良好，可适当将维护周期延长至8~9个月，通过延长节流器井下工作周期，降低维护频次，削减维护费用。
(3) 持续开展技术攻关，提高井下节流工艺应用水平，攻关井下节流工艺井生产动态管理技术，掌握气藏的生产动态，制定科学的生产制度，提高气藏的采收率。