高凝油井井筒流动关键参数对井筒流动安全性的影响研究

刁欢

［中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南 海口 570100］

0 引言

深水高凝油井是指在海洋深水区域，石油开采过程中遇到的高度凝结的油，导致井筒内部的温度、压力、密度、黏度等参数发生变化，并且这种油的黏度很高，容易造成井筒流动不畅，甚至发生堵塞，对井下设备和作业人员的安全造成威胁。深水高凝油井井筒流动是油井生产中的重要环节，同时也是比较复杂的一个环节。在油井生产过程中，油井井筒流动不仅受到油井自身的影响，还受到井口变化、油管输送等因素的影响。为了保障深水高凝油井井筒流动的安全，需要对井筒流动的关键参数进行计算和分析，并建立相应的安全保障控制模型，以确保油井的正常生产。

1 深水高凝油井井筒流动的特性与关键参数

1.1 流动特性

深水高凝油井井筒流动的特性主要包括流态、流速、流量、流动压力等多个方面。在深水高凝油井中，由于油的高凝点和高黏度，其流态可能会发生变化，如从层流过渡到湍流，从单相流变为多相流等。此外，流速和流量也受到油的阻力和重力等因素的影响，需要进行计算分析。同时，流动压力也是影响深水高凝油井井筒流动安全的重要因素之一。当井底流速较小时，油液的流动阻力也会较小，流速较快。当井底流速较大时，油液就会受到较大的阻力，流速会变慢。

高凝油在井筒中的流动特性与低凝油有很大的区别。首先，高凝油的黏度较高，容易在井筒中形成“塞状物”，导致油井流量下降甚至完全中断。其次，高凝油的黏度随着温度的变化而变化，温度越低黏度越高，流动性越差。最后，高凝油的流动特性还受到井筒内部的摩擦力、重力和离心力等因素的影响。

1.2 关键参数

深水高凝油井井筒流动的关键参数主要包括井筒直径、井深、井筒壁面粗糙度、油井温度和压力等。其中，井筒直径和井深是影响井筒流动的主要因素，当井筒直径较小时，油液的流速较快，会产生较大的摩擦力，导致井筒内的油管受到较大的摩擦力，从而导致油管的磨损和腐蚀。当井筒直径较大时，油液的流动速度会较慢，流动阻力较小，油管的磨损和腐蚀也会减小。

井筒壁面粗糙度对井筒流动的影响较小，油井温度和压力则是影响油井井筒流动的关键因素，需要进行精确计算和分析。此外，油液的密度和黏度也是影响油井井筒流动的重要参数，油液的密度和黏度越大，油液在井筒内流动的阻力也会越大，流速越慢，井筒内的摩擦力也会受到一定的影响，从导致油管出现一定程度的磨损和腐蚀。

2 理论模型

在深水高凝油井井筒流动过程中，液体流动的速度、流量、压力、温度等参数受到多种因素的影响，如井深、井温、井压、油水比、黏度等。为了建立深水高凝油井井筒流动模型，需要采用Navier-Stokes 方程和K-BKR 模型，Navier-Stokes 方程描述了流体的运动和变形，其中包含质量守恒、动量守恒和能量守恒3 个方程，建立数学模型，该模型应该包括井筒直径、井深、井筒壁面粗糙度、油井温度和压力等关键参数的计算和分析，采用有限元法进行数值计算，以及相应的安全保障措施[1]。

在建立模型时，需要注意以下要点。

（1）对于井筒直径和井深等主要参数，需要进行精确计算和分析，以确保模型的准确性和可靠性。

（2）对于油井温度和压力等关键参数，需要进行实时监测和控制，以确保油井的安全稳定。

（3）在模型中，应该考虑井口变化、油管输送等因素对井筒流动的影响，并采取相应的安全保障措施。

（4）对油井井筒的几何形状、油井井筒内高凝油的黏度、油井井筒内的流动速度、井筒内的温度和压力变化等多个因素进行全方位考虑，通过计算与分析，得出相应的流动模型，以便更好地制定合理的流动安全保障措施。

3 案例分析

以某油田为例，孔隙砂岩油藏埋深为1525m，储层的温度为89℃，海底的温度为10.1℃，当深度越大，相应的地层温度也会随之增加，地温的梯度为每100m 变化5.5℃，属于高地温梯度油田。在该油田中，主要是采用了水下井口开发，水深为320m。该油田原油的年度、含硫量、气油比等都比较低，而凝点和含蜡量都比较高，水下井口开发在该油田中应用，海底的温度偏低，并且在生产前期，含水量比较低，产量也较低，所以使得井口温度比较低，为了保证井筒流动的安全，应在油田生产前期关注井筒的凝固风险。

3.1 稳态工况

针对该油田，选择其中凝固风险比较高的油井进行分析。油田储层温度一样时，当产液量处于较低情况时，油田井筒流动的速度也就变得非常低，相应地，流动的热量也就比较少，所以，井口温度不高。储层温度、地温梯度一样时，当油田井筒流动的总长越长那么，热量散失速度也就越快、越多。经过分析之后，选择该油田中的N 井研究其凝固风险。在稳态生产工况下，基于生产预测指标对N 井的水下井口温度、压力数值进行模拟计算，不同年份，预测值各不相同，2029 年水下井口压力、井口温度分别为25.6bar、88.2℃，2035 年井口压力、井口温度分别为26.2bar、88.2℃。通过模拟分析发现，在稳态生产期间，没有存在井筒凝管的风险[2]。

3.2 瞬态工况

针对瞬态工况热力水力学的分析，主要包括两个方面。

（1）计划关井。在台风或者其他因素的影响下，导致突然关井停产，在这样的情况下，不采取任何措施，关井之后，井筒内部的流体流动状态，以及流体冷却到凝点所需的时间，也就是非操作的时间。

（2）停产后热启动。主要是在关井之后的非操作时间之内对重启井产量的变化进行分析，并分析启井是否能够顺利进行。

3.2.1 短时间关井

从稳态工况开始分析，根据特定关井策略，展开相应的关井作业，顺利完成计划关井。在此期间，计划关井油气水的产量发生较大的变化，从0～0.8s 处于稳定不变的状态，从0.8～1.3s 呈直线下降，从1.3～1.7s 开始上升，之后处于平稳状态。关井之后，N 井水下采油树嘴上游温度发生变化，表1 为N 井计划关井之后井口温度数据。通过分析，考虑到流体的凝固风险，该井生产前期费操作时间大概是2.2h。

表1 N 井计划关井后的井口温度

3.2.2 启动油井

当N 井处于稳态生产之后，开始进行计划关井。在其冷却期间，应赶在非操作时间，也就是在2.2h 前开始进行热启动。在实际工况中，水下采油树油嘴上游温度和压力发生一定的变化，在标准条件下，不管时间发生怎样的变化，水量基本保持平稳状态，未发生较大的变化；在生产前3 个月，气量呈现波浪式上升的状态，随后开始下降，在5 个月以后，逐渐保持平稳；在生产前2个月，油量发生波浪式变动，油量逐渐持中，在2 个月之后保持平稳[3]。由此可见，在N 井的生产前期，能够成功热启动，并且还可以保持生产的稳定。

N 井生产早期热启动油嘴上游的温度与压力如表2所示，在这一工况期间，水下采油树油嘴上游的温度、压力全部处于凝点温度以上，没有出现井筒流动安全保障相关问题。

表2 N 井生产早期热启动油嘴上游的温度与压力

3.2.3 长时间关井

在长时间关井的情况下，油井井筒内部的流体会逐渐降温，慢慢降至地层的温度。该油田的凝点比较高，为43℃，在长时间关井的状况下，可能出现流体凝固状况，所以，在此期间就需要考虑采取措施，加强井筒管理，有效防止凝固。针对高凝油田，在井筒防凝方面，通常会挤柴油代替原油，采取这样的方式来防凝。油田地温梯度如表3 所示，为该油田的地温梯度，通过结合表格数据分析可知，环境温度是在凝固点（即43℃）位置，也就是泥线445m 左右。关井之后，向井下挤柴油，起到防凝的作用，并使用柴油代替泥线下到445m 之间的井流物，所需的柴油体积大概是9m3。

表3 油田地温梯度

3.3 模拟分析

在长期关井时，需要将井筒挤柴油防止凝固这一要点考虑进去，在这个过程中，通常会同时考虑正常工况和极端工况这两种情况，正常工况指的是油田在长时间保持稳定的生产状态，然后正常关井；极端工况则指的是在开井之后，短期内因突发情况而突然关井，这两种工况存在较大的区别，在正常工况情况下，井筒以及周围的储层岩石处于加热的状态，在关井之后，仍然可以使井筒保温[4]。

3.3.1 极端工况下的防凝措施

极端工况下，N 井保持稳态生产两天之后突然关井，在这样的情况下，井筒以及周边的储层岩石还未被加热，在这种工况下，N 井稳态生产期间，井口的压力、温度如表4 所示。通过对稳态生产期间井口压力、温度的数据信息进行分析，发现在稳态生产48h 内，压力处于稳定状态，不过，当井流物产出不断增加时，井筒和周围的地层岩石温度在被不断加温，温度也不断上升。关井之后，向井下挤一些柴油，防止井下的物体凝固。在挤柴油的期间，还应进行数值模拟，了解柴油和井流物之间的情况[5]。当挤压速度为2m3/h 时，柴油、井流物之间的界面温度超出凝固点，而挤注压力，则应超出6MPa。

表4 N 井稳态短期生产时的井口压力和温度

3.3.2 正常工况下的防凝措施

正常工况下，N 井是经过长时间稳态生产才关井，并且井筒、周围地层岩石已被加热。在稳态长时间生产过程中，海底井口温度为52℃，流动压力为48bar。正常工况下，模拟挤柴油这一过程，柴油温度和海底的泥线温度基本一样，大概是12.8℃，并计算挤注期间和井流物的界面温度。当挤柴油的速率不小于1m3/h 的时候，界面温度基本处于凝固点以上，而挤注的压力也不低于6MPa。

4 结语

深水高凝油井井筒的流动安全保障至关重要，需要采取多种措施进行保障，对井筒内的温度和压力进行监测是保障井筒流动安全的重要手段之一。通过上述计算表明，关井后井筒非操作时间大概是2.2h，在此期间可以重新热启井，没有流动安全问题。在长期关井状况下，挤柴油防凝，模拟发现，极端工况下挤压速率不能低于3m3/h，压力不低于6MPa；正常工况下挤压速率不低于1m3/h。