气井涡流排水采气技术介绍(2012.4.19)

1、 随着苏里格气田开发的深入，气井压力的下降和产水量增加，气随着苏里格气田开发的深入，气井压力的下降和产水量增加，气 井严重积液甚至停产，排水采气工作的紧迫性日益突出。涡流工具可井严重积液甚至停产，排水采气工作的紧迫性日益突出。涡流工具可 以达到改变井筒内介质的流动形态，提高气井携液能力的作用，从而以达到改变井筒内介质的流动形态，提高气井携液能力的作用，从而 减少井底积液，减小油管内压降，提高气井产量。通过该试验观察、减少井底积液，减小油管内压降，提高气井产量。通过该试验观察、 验证涡流工具的排水采气效果，为苏里格气田排水采气工艺探索新的验证涡流工具的排水采气效果，为苏里格气田排水采气工艺探索新

2、的 技术途径。技术途径。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 二、投放施工二、投放施工 三涡流排水采气技术在国内外应用三涡流排水采气技术在国内外应用 四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验 汇汇 报报 提提 纲纲 涡流排水采气技术在油气田的应用，是美国能源部涡流排水采气技术在油气田的应用，是美国能源部 20012001年资助的研究项目，由年资助的研究项目，由NETLNETL组织实施、测试、验收。组织实施、测试、验收。 涡流排水采气技术改善气井生产状态、提高气井采涡流排水采气技术改善气井生产状态、提高气井采 收率，到目前已经用于北美、澳

3、大利亚数千口天然气井、收率，到目前已经用于北美、澳大利亚数千口天然气井、 煤层气井的生产优化。煤层气井的生产优化。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 1 1、涡流排水采气技术背景、涡流排水采气技术背景 截至截至20002000年，美国共有：年，美国共有： 产油井：产油井：411793411793口口 产气井：产气井：223707223707口。口。 这些井产量占美国这些井产量占美国17%17% 的原油和的原油和7%7%的天然气用量。对的天然气用量。对 美国能源安全只顾至关重要。拥有者均为独立的小业美国能源安全只顾至关重要。拥有者均为独立的小业 主，没有技术开发资金和

4、能力。主，没有技术开发资金和能力。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 20012001年，年， DOEDOE（美国能源部）通过（美国能源部）通过NETL(NETL(国家能源技术实国家能源技术实 验室），组建了验室），组建了SWCSWC（低产井协会）。（低产井协会）。 SWC SWC 致力于系列研究开发项的研发，涡流排水采气技术就致力于系列研究开发项的研发，涡流排水采气技术就 是其中之一。是其中之一。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 当气液流进入涡流工具，涡流工当气液流进入涡流工具，涡流工 具使流体快速旋转，加速度使得具使流体快速旋转，加

5、速度使得 较重的液体甩向管壁；流体沿工较重的液体甩向管壁；流体沿工 具向上运动，工具的结构、参数具向上运动，工具的结构、参数 使得流体的旋转达到一个非常有使得流体的旋转达到一个非常有 效的状态效的状态； 优化设计的涡流参数，可以使涡优化设计的涡流参数，可以使涡 流产生的涡旋上升环膜流态维持流产生的涡旋上升环膜流态维持 较长的距离。较长的距离。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 2 2、涡流排水采气技术原理、涡流排水采气技术原理 流体的运动原理象枪的膛线，即中心流体的运动原理象枪的膛线，即中心 流边缘的非流边界也在运动，这导流边缘的非流边界也在运动，这导 致主流体与外

6、流体间较低的差速；致主流体与外流体间较低的差速； 由于摩擦力的减小，从而降低了剪由于摩擦力的减小，从而降低了剪 切力和压降。切力和压降。 消除了流体、气流内小滴间的滑动。消除了流体、气流内小滴间的滑动。 从而减小了气体向上运动所必需的从而减小了气体向上运动所必需的 做功量、及油管总的压力损失。做功量、及油管总的压力损失。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 拆分开的部件拆分开的部件 组装好的工具组装好的工具 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 3 3、国内外涡流排水采气技术研究成果

7、、国内外涡流排水采气技术研究成果 （1 1）螺旋运动形成的原理：美国人螺旋运动形成的原理：美国人 MingaleevaMingaleeva以龙卷风为以龙卷风为 例研究流体螺旋运动形成原理。一股空气质量流被位于温暖例研究流体螺旋运动形成原理。一股空气质量流被位于温暖 的地面区域（的地面区域（a-ba-b）上水蒸气加热并饱和，因浮力的影响会）上水蒸气加热并饱和，因浮力的影响会 以空气柱的形式做上升运动。新的空气，来自地面附近的温以空气柱的形式做上升运动。新的空气，来自地面附近的温 度相对较低的环境，沿径向轨迹往低压的空区运动，到达度相对较低的环境，沿径向轨迹往低压的空区运动，到达a-a- b b区

8、域，被加热并且饱和蒸气，在气流区域，被加热并且饱和蒸气，在气流9090弯角处急剧上升。弯角处急剧上升。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 龙卷风的形态示意图龙卷风的形态示意图 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 但是这种将空气流由水平转向垂直运动在弯角但是这种将空气流由水平转向垂直运动在弯角9090 处会导致远大于摩擦阻力损失的水力阻力流动，此处会导致远大于摩擦阻力损失的水力阻力流动，此 时流体会自发转成螺旋式上升，因为螺旋式上升的时流体会自发转成螺旋式上升，因为螺旋式上升的 形式会使局部水力阻力损失大大减少，以摩擦阻力形式会使局部水力阻力

9、损失大大减少，以摩擦阻力 损失为主，损失为主，MingaleevaMingaleeva通过计算得出，螺旋上升相通过计算得出，螺旋上升相 比之下减少了能量的消耗。比之下减少了能量的消耗。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 当空气流上升高度为当空气流上升高度为H H时，克服水力阻力所消耗的能量：时，克服水力阻力所消耗的能量： 2 32323 sin2 r Hu NQ pQ Dag 222 0201020102010 ()()() 222 rr HuuuH NQppQCQC DgggD 其中：其中：N N是空气流运动所消耗的能量，是空气流运动所消耗的能量，Q Q是空气流动

10、的速度是空气流动的速度 ，P P是水力阻力，是水力阻力，u u是局部气体的速度，下标是局部气体的速度，下标0 0代表了代表了 垂直上升流，垂直上升流，1 1是局部阻力，是局部阻力，2 2是摩擦阻力，是摩擦阻力，3 3是螺旋流是螺旋流 动。动。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 通过直接观察得到龙卷风螺旋角通过直接观察得到龙卷风螺旋角a45a456565，典型摩擦，典型摩擦 阻力系数的值为：阻力系数的值为：20=0.01-0.120=0.01-0.1，23=0.03-0.1523=0.03-0.15（ 当当Re=10Re=103 3-10-106 6），），C10=0

11、.2-10C10=0.2-10。 螺旋流动所消耗的能量从公式中不含螺旋流动所消耗的能量从公式中不含C10C10，即螺旋流动，即螺旋流动 中主要是摩擦阻力损失，与垂直上升流相比，少了局部中主要是摩擦阻力损失，与垂直上升流相比，少了局部 阻力，能量消耗减少。阻力，能量消耗减少。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 （2 2）现场试验成果：现场试验成果：20042004年美国德州技术测试中心在水流动性年美国德州技术测试中心在水流动性 测试表明，涡流井下工具能够降低井底压力。测试表明，涡流井下工具能够降低井底压力。在相对短的距离上在相对短的距离上 涡流表面工具能够减少流体压降

12、涡流表面工具能够减少流体压降30-50 30-50 。流体经过涡流工具 后，确切的距离是与压力，管内径，流量和流速有关的函数确切的距离是与压力，管内径，流量和流速有关的函数 。 经多口井现场试验，得到：经多口井现场试验，得到：井下涡流工具平均有效作用深度井下涡流工具平均有效作用深度 2280m2280m（75007500英尺）。英尺）。在在20052005年年SWCSWC（美国低产井协会）的测试报（美国低产井协会）的测试报 告中称，测试数据表明，涡流工具可以降低告中称，测试数据表明，涡流工具可以降低临界举升流速临界举升流速25-25- 30%30% 。 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排

13、水采气技术背景及原理 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 二、投放施工二、投放施工 三涡流排水采气技术在国内外应用三涡流排水采气技术在国内外应用 四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验 汇汇 报报 提提 纲纲 二、投放施工二、投放施工 涡流排水采气工具的投放、打捞与节涡流排水采气工具的投放、打捞与节 流器的投放施工相似。都是试井车流器的投放施工相似。都是试井车 绞车上的钢丝，通过联接在气井口绞车上的钢丝，通过联接在气井口 上的防喷管投放到设计位置以下上的防喷管投放到设计位置以下3-53-5 米，然后上投钢丝，使工具上的定米，然后上投钢

14、丝，使工具上的定 位卡瓜卡到油管接箍的接缝处。再位卡瓜卡到油管接箍的接缝处。再 上击切断投放工工具上的销钉，收上击切断投放工工具上的销钉，收 回投放工具。回投放工具。 二、投放施工二、投放施工 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 二、投放施工二、投放施工 三涡流排水采气技术在国内外应用三涡流排水采气技术在国内外应用 四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验 汇汇 报报 提提 纲纲 三、涡流排水采气技术在国内外应用三、涡流排水采气技术在国内外应用 应用实例一：应用实例一： 在新墨西哥州北部和科罗拉多州南部的圣胡安盆地， BP 公司已经在3

15、000英尺煤层气井中安装了井下涡流排水采 气工具。煤层气井井底有严重的积液问题（积水深度超 过300英尺，而储层压力已低于100 psi ）和产量已下降 到1.000MCF / d。安装井下涡流工具之后，产量上升至 2-2.200MCF / d且液位降低到 25英尺。而且高产时间超 过4个月。 二、涡流排水采气技术在国内外应用二、涡流排水采气技术在国内外应用 工工 具具 安安 装装 前前 工工 具具 安安 装装 后后 二、涡流排水采气技术在国内外应用二、涡流排水采气技术在国内外应用 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 20 20 20 20 20

16、 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 日产气、 日产水 油压、套压、 压差 油压（MPa）套压（MPa）压差（MPa）日产气（万方）日产水（方） 应用实例二：应用实例二： 大庆油田升大庆油田升1-11-1井试验井试验 一、涡流排水采气技术背景及原理一、涡流排水采气技术背景及原理 二、投放施工二、投放施工 三、涡流排水采气技术在国内外应用三、涡流排水采气技术在国内外应用 四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验 汇汇 报报 提提 纲纲 四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验四、涡流排水采气技术在

17、苏里格气的试验 工具参数：工具参数： 总长：总长：960mm 外径：外径：56mm 材质：材质：316L不锈钢不锈钢 打捞颈：打捞颈：39mm 应用实例一：应用实例一： 四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验 工工 具具 安安 装装 前前 工工 具具 安安 装装 后后 四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验 由该井8月26日至9月6日的生产曲线图中可以看出：投放工具后28日 套压下降0.2MPa，油压下降0.6MPa，产气量升至1.2104m3/d，之后 油套压及产量一直稳定至31日，说明工具投放后油管中的积液逐渐被 排出；3

18、1日套压由8.6MPa迅速降至4.1MPa，同时油压由1.6MPa升至 3.6MPa，且瞬时流量出现了5500m3/h的高峰，说明套管中积液排出； 8月31日至9月4日产气量在2.8-6.5104m3/d之间波动；9月4日套压 上升0.7MPa至5.7MPa，产气量最低降至2.0104m3/d，至9月6日套压 涨至6.31MPa，产气量3.2104m3/d，气井出现积液现象。 四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验 涡流工具现在苏14-11-38井试验，就已取得的试验数据分析： 苏14-11-38井投放的涡流工具实现了一定的排水采气作用：气井出水现象 明显，套

19、压由8.73MPa降至4.11MPa；产量较试验前大幅度提高，产气量从 0.7104m3/d涨至最高6.5104m3/d，目前稳定在3.2104m3/d。 应用实例二：应用实例二： 四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验四、涡流排水采气技术在苏里格气的试验 20112011年年1111月月1515日，采气三厂在苏日，采气三厂在苏14-1-0914-1-09投放两级涡流工具，投放两级涡流工具， 试验前：油套压试验前：油套压1.31/5.42MPa1.31/5.42MPa，日产气量，日产气量0.20.2104m3104m3，油套，油套 压差逐渐加大，在积液迹象；投放工具后油套压：压差逐渐加大，在积液迹象；投放工具后油套压： 1.04/4.54MPa1.04/4.54MPa，日产气量，日产气量