页岩气井合理油管直径和气嘴尺寸选择

徐 苗，许 辉，陈登亚，鲍永辉

（1.长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100；2.中海油天津分公司，天津300452）

引 言

页岩气是一种非常重要的非常规能源，近年来我国已经加大了对页岩气的开发力度。页岩储层压裂后，初期开采可以采用定产量生产的工作制度达到一定的稳产期限，针对页岩气井稳产期的生产特征有必要建立一套可操作性强的油管直径和气嘴尺寸的动态确定方法。气井生产系统分析又称为节点系统分析，是运用工程理论将地层流体的渗流、举升垂直流动和地面集输系统视为一个完整的采气生产系统，进行整体优化分析，使整个气井生产系统不仅在局部上合理，而且在整体上处于最优状态。采用节点系统分析方法，可以进行参数敏感性分析，并进一步确定合理的生产参数。

本文对涪陵地区某页岩储层水平气井 H1井在稳产期的三个阶段分别进行节点系统分析，优选了管径和气嘴。这一设计思路也适用于其它页岩气井，为页岩气井合理选择管径和气嘴提供了有力依据。H1井的基础数据如下：稳产期是1 170天，定产阶段的配产量为8×104m3／d，测深4 500m，水平段中深2 510m，地层压力35.88MPa，地层温度87.28℃。

1 油管直径和气嘴尺寸的选择原则

选择原则主要有以下几点：①整个开发过程中，油管不变；②所选尺寸的油管能保证不产生井底积液，抗冲蚀，不生成水合物；③以定产量生产时，用气嘴调节井口压力，保证气嘴处于临界流状态；④保证油管经济安全；⑤视现场实际情况选择油管和气嘴。

2 合理油管直径和气嘴尺寸的选择

对H1井，在定产时间段内，对不同的时间点进行分析，研究合理油管直径和气嘴尺寸的选择方法。

2.1 气井生产系统分析

以井口作为目标节点进行分析，将地层向井底流动过程和垂直管流过程作为一个子系统，做出流入动态曲线；以从井口经过气嘴、地面管线水平管流过程作为另一个子系统，做出流出动态曲线。两条曲线的交点即为气井生产系统的协调点，协调点的横坐标为气井日产量，纵坐标为井口压力。以油管直径和气嘴尺寸为敏感性参数，研究满足配产量时的页岩气井的合理油管直径和气嘴尺寸。

分析时间点为第1天，第520天，第1170天时的生产情况。用Pipesim软件做出了这三个时间点的节点分析（图1，2，3，表1）。

图1 稳产第1天时系统节点分析

图2 稳产第520天时系统节点分析

图3 稳产第1 170天时系统节点分析

表1 油管直径和气嘴尺寸选择

2.2 油管柱携液临界流量校核

气井开始积液时，井筒内气体的最低流速称为气井携液临界流速，对应的流量称为气井携液临界流量。气井携液临界流速（李闽模型）：

式中，uct－携液临界流速，m／s；σ－气水界面张力，N／m；ρ1－相应温度压力下的液体密度，kg／m3；ρg－相应温度压力下的气体密度，kg／m3。

相应温度压力下的气体密度：

式中，rg－气体相对密度；P－压力，MPa；T－温度，K；Z－气体偏差系数。

气井携液临界流量：

式中，qcr－气井携液临界流量，104m3／d；A－油管面积，m2。

为了提高气井产能，可采用大尺寸的油管，但是大尺寸的油管有可能不能连续携液，所以选择油管尺寸时还应考虑携液问题。不同时间点、不同油管内径下计算的临界携液流量见表1。

2.3 油管柱抗气体冲蚀性能校核

高速气体在管内流动时产生明显冲蚀作用的流速称为冲蚀流速。1984年，Beggs提出计算冲蚀流速的公式：

式中，ue－冲蚀流度，m／s；ρg－气体密度，kg／m3；C为常数，C＝122。

根据冲蚀流速确定的油管日通过能力为：

式中，qe－受冲蚀流速约束的油管通过能力，104m3／d。不同时间点、不同油管内径下计算的油管日通过能力见表1。

2.4 天然气水合物形成的预测

气井生产过程中，天然气从井底流向井口，温度逐渐降低，当下降到某一适宜的压力条件下在井筒中就可能形成水合物（图4）。

图4 天然气水合物生成预测

预测图中，形成水合物的PT曲线和水合物相图的交点所对应的温度就是水合物产生的位置的温度。以油管内径50.7mm、井口压力4.73MPa为例，水合物产生的位置的温度为21℃，低于此时的井口温度35.42℃，所以井筒内不生成水合物。不同时间点、不同油管内径下预测得到的结果见表1。

从以上图表可以得出以下结论：①在目前给定配产下，随着地层压力的下降，井口压力下降；②同一生产时间点，管径增大，井口压力增大；③油管内径越大，满足配产时，所需气嘴尺寸越小；④目前分析的地层压力下降过程中，内径35.8mm、41.9mm和50.7mm的油管都满足携液要求；⑤目前分析的地层压力下降过程中，4种内径的油管都满足抗气体冲蚀的要求；⑥目前分析的地层压力下降过程中，4种内径的油管在生产过程中都不生成水合物；⑦在分析的时间范围内，采用35.8mm和41.9mm的油管生产时井口压力偏小，在第三个时间点，出口压力为2MPa时，没有合适的气嘴，达不到临界流；⑧1 170天为稳产期，为防止后期产量下降产生积液，以及考虑到经济成本，建议选择50.7mm的油管及相应的气嘴；⑨后期以定井口压力4.73MPa生产时，产量下降，后期需要调小气嘴。

3 结论

1）合理选择页岩储层水平气井的油管内径和气嘴尺寸要综合考虑稳产期不同阶段的生产特征，考虑气井配产量、能否携液、是否抗冲蚀、是否生成水合物等因素，保证气井高效安全生产。

2）研究结果表明，涪陵地区某页岩储层水平气井H1井选用50.7mm的油管和相应尺寸的气嘴生产较为合理。

［1］王南，裴玲，雷丹凤，曾博.中国非常规天然气资源分布及开发现状［J］.油气地质与采收率，2015（01）：26－31.

［2］秦国伟，宫军.气井节点分析及其应用［J］.新疆石油地质，2005（06）：76－78.

［3］李晓平，李允.气井节点分析理论在排除气井凝析积液中的应用［J］.断块油气田，2003（02）：42－43，91－92.

［4］石庆，蒋建勋，李超，杨辉华.排水采气井合理管径的影响因素分析［J］.天然气勘探与开发，2005（03）：59－61.

［5］王云.气井合理油管直径选择［J］.特种油气藏，2010（01）：108－110，126.

［6］何志雄，孙雷，李铁军，刘志斌.气井合理管径的确定［J］.西南石油大学学报（自然科学版），2008（04）：104－106.

［7］李闽，郭平，谭光天.气井携液新观点［J］.石油勘探与开发，2001（05）：105－106.