摘要：在高含H₂S和CO₂共存的氣田深井中，為了既保證生產氣井井底不積水，又要保證氣井在生產過程中管柱不發生沖蝕；實現低成本高效地開發酸性氣田，保證氣井安全生產，必須對氣井井下管柱進行優化。以徐深氣田氣井為例，在給定的生產條件下，采用Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱和Ø73.0mm單級油管柱都不會有天然氣水合物生成；采用組合油管柱比采用Ø73.0mm單級油管柱更不容易生成天然氣水合物，說明采用兩級或兩級以上不同尺寸的組合油管柱在高含二氧化碳和高含硫化氫氣田氣井中具有更大的優越性。該方法對低成本高效地開發酸性氣田具有重要的參考價值。

關鍵詞：氣井；管柱；酸氣；安全；攜液流量；沖蝕；天然氣水合物

    目前，我國酸性氣田開發所面臨的較大問題就是安全開發問題，確保氣田安全開發的一個非常重要的解決辦法就是采用高抗腐蝕的井下管材，但是，采用良好耐腐蝕的井下管材會大幅度地增加開發成本。為了既降低酸性氣田的開發成本，又確保氣田開發的安全性，選擇合理的油管柱是非常重要的。酸性氣田氣井選用多級油管柱是合理選擇油管柱的一個重要方面。酸性氣田氣井采用多級油管柱生產的優越性如下：①氣井安全生產性能高；②最大限度地減少鋼材用量，節省鋼材費用，降低氣井一次性投資；③氣體攜液能力增強；④減少天然氣水合物的生成。下面就氣井安全性、防沖蝕、氣體攜液能力、防天然氣水合物生成以及降低投資成本等方面分別進行分析。

    為了進行井筒溫度、井筒壓力以及某些敏感性參數的分析，現以徐深氣田8區塊某生產井為例進行計算，該井的基本參數：地層溫度為152℃；液體密度為1070kg/m³；油管下入深度為3730m；地層壓力為40MPa；最大配產氣量為18×10⁴m³/d；地面環境溫度為15℃；水氣比為5.6m³/10⁴m³；天然氣無阻流量為41.11×10⁴m³/d。為了適應不同季節用氣量的要求，現設計配產氣量為6×10⁴m³/d、12×10⁴m³/d和18×10⁴m³/d(見表1)。為了論證采用多級油管的優越性，下面對下列3種油管柱進行對比研究，即：Ø73.0mm單級油管柱、Ø60.3mm單級油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m兩級油管柱。對于Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m兩級油管柱，溫度和壓力在井筒的分布(表1)。由表1可以看出：井越深，壓力越大，溫度越高；井深度一定，產氣量越大，井筒壓力越小；在井筒上部，產氣量越大，井筒溫度越高。

溫度(℃)			壓力(MPa)			井深度(m)
產氣量(6×104m3/d)	產氣量(12×104m3/d)	產氣量(18×104m3/d)	產氣量(6×104m3/d)	產氣量(12×104m3/d)	產氣量(18×104m3/d)
151.1	150.2	149.1	36.98	33.69	30.05	3730.0
138.9	142.1	141.5	33.06	29.37	25.16	2743.2
107.3	119.6	123.8	28.21	24.15	19.32	1524.0
84.4	102.9	109.7	25.49	21.30	16.17	850.0
50.8	76.2	87.6	22.24	18.23	13.19	0

對于不同油管柱類型，井口溫度和井口壓力對比見表2。由表2可以看出：產氣量一定，管柱尺寸越大，井口溫度越低，井口壓力越大；產氣量越大，井口溫度越大，井口壓力越小；組合油管柱介于兩種單級油管柱之間。不論何種情況，井口壓力都大于12MPa，能滿足地面集輸天然氣進站的要求。

油管柱類型	井口溫度(℃)	井口壓力(MPa)	產氣量(104m3/d)
Ø73.0mm單級油管柱	49.0	22.9	6.0
Ø60.3mm單級油管柱	53.5	22.0
組合油管柱	50.8	22.2
Ø73.0mm單級油管柱	86.5	15.7	18.0
Ø60.3mm單級油管柱	88.9	12.3
組合油管柱	87.6	13.2

    考慮油管柱的重量、浮力、井壁摩擦力和加速度載荷，油管上部所承受的拉力用下式計算：

式中：L為油管長度，m；q為每米油管在空氣中的重力，N/m。

    油管鋼材選用L-80 13Cr，對Ø73.0mm單級油管柱、Ø60.3mm單級油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m兩級油管柱分別進行計算^[1～2]，計算結果見表3。

    由表3可以看出：按照API標準，無論是Ø60.3mm單級油管柱，還是Ø73.0mm單級油管柱，都不能滿足抗拉強度的要求，只有Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱才能滿足抗拉強度的要求，這說明采用組合油管柱能夠提高氣井油管柱抗拉的安全性，從而使油管柱更能適應深井的需求。

油管柱尺寸	Ø60.3mm	Ø73.0mm	Ø73.0mm和Ø60.3mm
安全系數	1.28	1.31	1.64和1.65
API標準安全系數	1.60～2.00

    氣井井筒中發生沖蝕的流速與配產氣量有直接關系，只要在最大配產氣量的條件下氣井不發生沖蝕，較低的配產氣量條件下氣井也不會發生沖蝕。因此，在此只分析配產氣量為18×10⁴m³/d的情況。

    沖蝕流速比=實際流速/沖蝕流速。如果沖蝕流速比小于1，說明不會發生沖蝕；如果沖蝕流速比大于1，說明會發生沖蝕。在沖蝕計算時，采用API-RP-14E標準中的公式，公式中的常數C值取100。

對Ø73.0mm單級油管柱、Ø60.3mm單級油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m兩級油管柱分別進行計算沖蝕流速比，計算結果見圖1。

    由圖1可以看出，從沖蝕流速的角度考慮，當配產氣量為18×10⁴m₃/d時，采用Ø60.3mm單級油管柱，在井口附近，沖蝕流速比大手1，會發生沖蝕，不能滿足防沖蝕要求。因此，不能選用Ø60.3mm單級油管柱。采用Ø73.0mm單級油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m兩級油管柱，在整個井筒中沖蝕流速比都小于1，不會發生沖蝕，能夠滿足防沖蝕要求，可以選用。

    因為Ø60.3mm單級油管柱不能滿足沖蝕要求，所以在下面的攜液能力分析中只對Ø73.0mm單級油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱進行對比分析。

    以產氣量為12×10⁴m³/d時預測的井筒溫度和壓力分布為基礎，采用turner計算最小攜液流量的方法^[2]，預測的最小攜液流量結果見圖1，由圖1可以看出：采用Ø73.0mm× 850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱時的最小攜液流量小于采用Ø73.0mm單級油管柱時的最小攜液流量。

    在給定天然氣組分、預測井口溫度和井口壓力條件下，采用常用的生成天然氣水合物預測的兩種方法，即：波諾馬列夫方法和統計熱力學方法，預測井口是否有水合物生成^[3～4]。在給定的生產條件下，采用Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱和Ø73.0mm單級油管柱都不會有天然氣水合物生成；采用組合油管柱比采用Ø73.0mm單級油管柱更不容易生成天然氣水合物。

    氣井的一次性投資成本主要包括油管、采氣井口、井下工具、安全系統等費用，油管費用是氣井一次性投資成本的重要組成部分。酸性氣田氣井的油管柱費用主要與所選用的油管材質和所采用的油管重量有關系。高含CO₂氣井所用油管比不含CO₂氣井所用油管的價格要高出8～10倍，高含H₂S氣井所用油管比不含H₂S氣井所用油管的價格要高出40～50倍。當油管材質一定時，所采用的油管重量就是決定油管費用的主要因素。在滿足氣井安全性、攜液能力、防沖蝕和防水合物的條件下，采用組合油管柱，能較大幅度地降低油管重量，從而能大大降低所采用油管的費用。下面以徐深氣田8區塊某生產井為例來分析所采用油管的費用。

    由上面的分析可知，對于徐深氣田8區塊某生產井，在滿足配產需求的條件下，Ø60.3mm單級油管柱不能滿足防沖蝕的要求。因此，下面只對Ø73.0mm單級油管柱和Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱的費用進行計算和對比。因.為徐深氣田8區塊某生產井為高含CO₂氣井，采用13Cr油管比較安全，假設13Cr油管價格為100元/艇，則：采用Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱比采用Ø73.0mm單級油管柱能節省72.6萬元。

    推論：假設一口氣井，除了高含H₂S并且中含CO₂外，其他情況與以上實例相同，需要采用合金鋼油管，并假設合金鋼油管的價格為450元/kg，則采用Ø73.0mm×850m+Ø60.3mm×2880m組合油管柱比采用Ø73.0mm單級油管柱能節省326.6萬元。

    采用組合油管柱能夠提高氣井油管柱抗拉的安全性，從而使油管柱更能適應深井的需求；能使產氣量在小于沖蝕流量，大于最小攜液流量之間的范圍內；在一定程度上減緩天然氣水合物的生成；減少鋼材用量，能大幅度地降低酸性氣田氣井的油管柱投資。

[1] 采油技術手冊編寫組.采油技術手冊[M].北京：石油工業出版社，1977.

[2] 伊克庫C U.天然氣開采工程[M].岡秦麟，譯.北京：石油工業出版社，1990.

[3] 貝克CⅢ.氣體水合物[M].王夢舜，譯.北京：石油工業出版社，1987.

[4] 廖銳全.采氣工程[M].北京：石油工業出版社，2003.

 

(本文作者：周廣厚 李文魁 王云 劉翔 中國石油勘探開發研究院廊坊分院)