CN111749674B

CN111749674B - 现场试验气井临界冲蚀流量的方法及试验装置

Info

Publication number: CN111749674B
Application number: CN201910178909.9A
Authority: CN
Inventors: 王云
Original assignee: Petrochina Co Ltd
Current assignee: Petrochina Co Ltd
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2039-03-11
Also published as: CN111749674A

Abstract

本申请公开了一种现场试验气井临界冲蚀流量的方法及试验装置，该方法包括：获取目标区域中气井的注采管柱参数、气井生产参数和测试流量参数；根据所述注采管柱参数和测试流量参数，确定试验管柱参数；根据所述气井生产参数，确定试验井；根据试验管柱参数生产试验管柱，所述试验管柱包括内层管柱和外层管柱，所述内层管柱和所述外层管柱为同心管柱；将试验管柱安装到试验井中，进行气井临界冲蚀流量的现场试验。本申请可以提高气井临界冲蚀流量的现场试验的安全性。

Description

现场试验气井临界冲蚀流量的方法及试验装置

技术领域

本申请涉及采气工程技术领域，尤其涉及一种现场试验气井冲蚀流量的方法及试验装置。

背景技术

目前，气井中安装的管柱的尺寸不能小于临界冲蚀流量对应的管柱尺寸，否则，管柱很容易发生冲蚀，导致管柱失效。因此，合理设计临界冲蚀流量将充分发挥气井产能。临界冲蚀流量是临界冲蚀流速与管柱内横截面积的乘积，可见，对于给定的注采管柱，临界冲蚀流量只与临界冲蚀流速有关。业内公认的临界冲蚀流速的计算方法是由API RP 14E标准提出的，该方法通过选取临界冲蚀系数来确定临界冲蚀流量。但是，通过实践证明，上述APIRP 14E标准提出的方法偏保守，所选取的临界冲蚀系数往往低于实际的临界冲蚀系数较多，导致确定的临界冲蚀流量低于注采管柱所能承受的临界冲蚀流量较多，难以充分发挥气井产能。

为了改善上述问题，国内展开了理论和室内实验研究，建议通过提高临界冲蚀系数来提高临界冲蚀流速，进而提高临界冲蚀流量。但是，突破API RP 14E标准，现场提高气井临界冲蚀流量存在安全风险。在未经现场验证的情况下，直接开展现场试验，存在井下管柱发生冲蚀失效的风险，且存在引发安全事故的风险。因此，目前亟需一种可以在现有工况条件下，开展提高临界冲蚀流量的现场试验方法，在安全可靠的前提下，验证临界冲蚀流量理论模拟和实验研究的正确性、可靠性，为现场大规模推广应用提供技术支持。

发明内容

本申请实施例提供一种现场试验气井临界冲蚀流量的方法，用以提高气井临界冲蚀流量的现场试验的安全性，该方法包括：

获取目标区域中气井的注采管柱参数、气井生产参数和测试流量参数；根据所述注采管柱参数和测试流量参数，确定试验管柱参数；根据所述气井生产参数，确定试验井；根据试验管柱参数生产试验管柱，所述试验管柱包括内层管柱和外层管柱，所述内层管柱和所述外层管柱为同心管柱；将试验管柱安装到试验井中，进行气井临界冲蚀流量的现场试验；

所述根据所述注采管柱参数和测试流量参数，确定试验管柱参数，包括：

根据注采管柱的外径大小确定注采管柱的横截面积；

根据公式

确定试验管柱内层管柱的横截面积A₂；

其中，A₁用于表示注采管柱的横截面积，n用于表示当前气井的临界冲蚀流量与产量的比值，m用于表示所需测试的冲蚀流速与当前气井的临界冲蚀流速的比值。

本申请实施例还提供一种现场试验气井临界冲蚀流量的试验装置，用以提高气井临界冲蚀流量的现场试验的安全性，该装置包括：

内层管柱和外层管柱，所述内层管柱和所述外层管柱为同心管柱；其中，所述内层管柱和所述外层管柱根据试验管柱参数生产，所述试验管柱参数根据注采管柱参数和测试流量参数确定；注采管柱的横截面积根据注采管柱的外径大小确定；

试验管柱内层管柱的横截面积A₂根据公式

确定；

本申请实施例中，利用内层管柱和外层管柱组合的同心管柱进行气井临界冲蚀流量的现场试验，内层管柱传输气体，外层管柱起到进一步防护作用，一旦内层管柱发生冲蚀失效，则气体可以从外层管柱中传输，这样就减小了气体因管柱冲蚀失效而发生的泄露的风险，避免了安全事故的发生，能够在安全可靠的前提下，现场验证临界冲蚀流量理论模拟和实验研究的正确性、可靠性，为现场大规模推广应用提供技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请实施例中一种现场试验气井临界冲蚀流量的方法的流程图；

图2为本申请实施例中一种现场试验气井临界冲蚀流量的试验装置的结构图；

图3为本申请实施例中一种安装试验样品挂片的试验管柱的示意图；

图4为本申请实施例中一种投捞装置的结构图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。

为了解决现有技术中无法安全、可靠的进行气井的临界冲蚀流量的现场试验的问题，本申请实施例提供了一种现场试验气井临界冲蚀流量的方法及试验装置，该装置借鉴节流原理，通过在井口附近安装包含内外两层的双层试验管柱，外层管柱与原有井下管柱连接，满足原有管柱对强度和密封的需求，内层管柱为冲蚀试验管，与外层管柱为同心管柱，两层管柱采用螺纹连接，通过调整内层管内径，在原有井下管柱流量和流速不变的情况下，提高内层管的流速，等效提供内层管内的冲蚀流量，开展管柱冲蚀验证现场试验。

如图1所示，该方法包括步骤101至步骤104：

步骤101、获取目标区域中气井的注采管柱参数、气井生产参数和测试流量参数。

目标区域为需要进行临界冲蚀流量的现场试验的区域。

其中，注采管柱参数包括注采管柱的外径大小、壁厚、钢级和材质；气井生产参数包括目标时间段内气井的产量，以及当前气井的临界冲蚀流量与产量的比值；测试流量参数包括所需测试的冲蚀流速与当前气井的临界冲蚀流速的比值。

考虑到气井的产量存在变化，不同时期气井的产量存在较大差异，为了较为准确的确定当前气井的生产状态，可以选取距离当前时间较近的一段时间作为目标时间段，作为目标时间段，采集气井生产参数。示例性的，目标时间段可以为6个月、9个月、1年等。

步骤102、根据注采管柱参数和测试流量参数，确定试验管柱参数；根据气井生产参数，确定试验井。

本申请中，可以根据注采管柱的外径大小确定注采管柱的横截面积；根据公式

确定试验管柱内层管柱的横截面积A₂；其中，A₁用于表示注采管柱的横截面积，n用于表示当前气井的临界冲蚀流量与产量的比值，m用于表示所需测试的冲蚀流速与当前气井的临界冲蚀流速的比值。

下面将介绍公式

的推导过程：

注采管柱的临界冲蚀流量Q_e可采用下式计算：

Q_e＝A₁υ_e

其中，A₁用于表示注采管柱的内横截面积，υ_e用于表示当前确定的注采管柱的临界冲蚀流速。

气井的产量是注采管柱的内横截面积与流速的乘积，但该乘积始终都不会超过临界冲蚀流量。将气井的产量与当前气井的临界冲蚀流量的差距系数设为n，由于注采管柱的内横截面积固定，那么当前流速υ₁与临界冲蚀流速之间存在下述关系：

υ_e＝nυ₁

如果需要使通过内层管柱的冲蚀流速比当前确定的气井的临界冲蚀流速提高一定幅度m，则：

υ_e'＝mnυ₁

在试验过程中，使通过内层管柱的流量Q₂等于当前气井的产量Q₁，则：

Q₁＝Q₂

其中，Q₁可以通过下式计算：

Q₁＝A₁υ₁

Q₂可以根据下式计算：

Q₂＝A₂υ_e'＝mnA₂υ₁

那么根据Q₁＝Q₂可以得到：

A₁υ₁＝mnA₂υ₁

进而得出：

再进一步，可得出：

其中，D₂用于表示内层管柱的半径，D₁用于表示注采管柱的半径。

示例性的，假设试验井的产量与当前气井的临界冲蚀流量的差距系数n＝1.2，所需测试的冲蚀流速与当前气井的临界冲蚀流速的比值m＝1.5，则可得出：

D₂＝0.75D₁

因此，试验装置内层管柱的内径为原有注采管柱内径的0.75倍。

确定试验装置内层管柱的内径之后，则可加工试验装置。整个试验装置的材质、刚级必须与原有井下管柱保持一致，确保整个试验的可靠性。按照确定的内层管柱的内径和合理的壁厚加工内层管柱。其中，合理的壁厚指满足一定的强度要求即可，内层管柱不需要承受井下管柱的作用力，但应具备一定的壁厚，以避免短时间内发生冲蚀穿孔，导致后期无法有效处理试验结果。该壁厚可以由实验人员根据实际经验进行确定。外层管柱必须具备一定的壁厚，满足承受井下管柱作用力、井下内外压力以及密封性的要求。外层管柱的外径可根据内层管柱外径适当调整，即如果内层管柱在满足要求的情况下，其外径小于现有井下注采管柱的内径，则外层管柱可采用现有尺寸的管柱即可；如果内层管柱外径大于现有井下注采管柱的内径，则外层管柱需要采用比现有井下的注采管柱尺寸大一级的尺寸以便于内外层管柱的装配。如果试验装置的外层管柱大于现有井下管柱尺寸，则需要在外层管柱的上下两端安装流动短节，避免外层管柱发生冲蚀。试验装置长度不可过短，但最长不超过一根油管的长度，该长度约9米；由于外层管柱与连接的井下管柱之间存在变径，如果内层管柱过短，流体流型发生扰动，不能真实代表井下流体的真实流态，进而不能真实模拟冲蚀工况；如果超过9米，则会给加工、安装带来诸多不便。

内外层管柱可以通过螺纹连接。在内层管柱上端外壁和外层管柱上端内壁分别加工配套的螺纹，并进行连接，内层管柱下端可不与外层管柱连接，只需要通过上部螺纹承受内层管柱的重量即可。

加工好的试验装置如图2所示。

加工好并组装好试验装置后，在气井完井过程中外层管柱通过流动短节按照合理上扣扭矩连接在井下管柱上，下入气井。理论模拟计算，井口附近管柱最易发生冲蚀失效，建议试验装置也安装在井口附近，且由于试验装置外径较大，下入不变，安装在井口附近也是最佳选择，一般建议在井下18米～27米即可。

基于气井生产参数，选择的试验井需满足以下条件：气井稳产时间长且产量较高、与所需测试的临界冲蚀流速接近，其中，一般气井的稳产时间超过6个月则可认为稳产时间长，气井的产量超出目标区域中所有气井平均产量的20％～30％则认为产量较高。优选稳产时间长的试验井可为现场试验提供长时间的稳定工况；优选产量较高的试验井，更有利于在试验装置内层管柱内达到需要测试的冲蚀流速。在其他影响因素(温度、压力、流体介质等)不变的情况下，流速是影响管柱冲蚀的唯一因素，与流量无关。试验过程中可以通过提高冲蚀流速等效模拟提高冲蚀流量。

步骤103、根据试验管柱参数生产试验管柱。

其中，试验管柱包括内层管柱和外层管柱，内层管柱和外层管柱为同心管柱。

步骤104、将试验管柱安装到试验井中，进行气井临界冲蚀流量的现场试验。

在将试验管柱安装到试验井中，进行气井临界冲蚀流量的现场试验之前，还需要对试验管柱的初始数据进行记录。具体的，可以在内层管柱上选择至少两个位置测量内层管柱的壁厚，作为初始壁厚。为了确定试验管柱的冲蚀速率，在进行气井临界冲蚀流量试验之后，还需要在内层管柱上与至少两个位置相同的位置测量内层管柱的壁厚，作为冲蚀壁厚；根据初始壁厚和冲蚀壁厚确定气井临界冲蚀流量的现场试验的试验结果。

可选的，可以利用超声波测量壁厚。

在本申请中，根据初始壁厚和冲蚀壁厚确定气井临界冲蚀流量的现场试验的试验结果，包括：根据每个相同位置测量得到的初始壁厚和冲蚀壁厚确定壁厚的减薄量，得到至少两个减薄量；根据至少两个减薄量中的最大减薄量确定内层管柱的实际冲蚀速率；根据实际冲蚀速率与冲蚀速率阈值的大小关系，确定气井临界冲蚀流量的现场试验的试验结果。

其中，冲蚀速率阈值为0.076毫米每年(mm/a)。

在本申请实施例中，根据实际冲蚀速率与冲蚀速率阈值的大小关系，确定气井临界冲蚀流量的现场试验的试验结果，包括：如果实际冲蚀速率大于或等于冲蚀速率阈值，则在测试流量参数下内层管柱发生冲蚀失效，在实际生产时，气井的冲蚀流速需小于测试的冲蚀流速；如果实际冲蚀速率小于冲蚀速率阈值，则在测试流量参数下内层管柱不会发生冲蚀失效，可以以该测试冲蚀流速传输气体。

本申请实施例还提供一种现场试验临界冲蚀流量的试验装置，如图2所示，装置包括：

内层管柱和外层管柱，内层管柱和外层管柱为同心管柱。

其中，内层管柱和外层管柱根据试验管柱参数生产，试验管柱参数根据注采管柱参数和测试流量参数确定。其中，注采管柱参数注采管柱的外径大小、壁厚、钢级和材质；测试流量参数包括所需测试的冲蚀流速与当前气井的临界冲蚀流速的比值。

考虑到气井临界冲蚀流量的试验时间周期长，试验所需耗费的人力物力较大，在本申请实施例中，可以在试验管柱的内层管柱内壁安装与试验管柱材质不同的试验样品挂片，以此同时测量多种不同材质管柱是否会发生冲蚀失效。参阅图3，试验样品挂片分布在内层管柱的不同轴向位置和周向位置，且与内层管柱的内壁紧密贴合，以此避免因试验样品挂片与内层管柱的内壁之间存在缝隙导致的气体泄漏情况。

在一种可能的设计中，内层管柱和外层管柱通过管柱两端的螺纹连接。

在一种可能的设计中，该装置还包括：流动短节，用于当外层管柱的外径大于井下管柱的外径时，连接外层管柱与井下管柱。

在本申请中，内层管柱和外层管柱的长度小于9米。

在一种可能的设计中，该装置还包括：投捞装置，该投捞装置与内层管柱和外层管柱连接，用于提升或下放内层管柱与外层管柱组成的同心管柱。

参阅图4，该投捞装置包括丢手机构、解封机构、密封机构、锚定机构和锁定机构。其中，丢手机构可以为绳索、铁链等可以用于提升与下放现场试验气井临界冲蚀流量的装置的提拉设备。解封机构主要用于当需要起出工具时，下入解封机构，剪断解封销钉，则锁定机构失效，密封机构和锚定机构解封，试验装置可以自由的被提升出井口。锚定机构主要由卡瓦组成，用于将试验装置固定在井下预定位置，并承受试验装置的重力压力及试验装置上下压差。密封机构可以由胶筒组成，当试验装置下放到井中后，通过挤压胶筒，可以密封试验装置与外层油管内壁的环形空间，确保液体全部从试验装置内部通过。锁定机构用于当锚定机构和密封机构均到达预定位置时，锁定锚定机构和密封机构使其不发生位移，确保试验装置不会意外解封。

此外，为了保证试验装置垂直于地面且在井下居中，在本申请实施例中，投捞装置还可以包括扶正机构。但是由于试验装置下放在井口附近，扶正机构所起到的扶正作用较小，因此，扶正机构可以作为投捞装置的备选机构。

投捞装置的内部包括中心管，其具体位于锚定机构、密封机构和锁定机构的内部。该中心管与试验管柱连接，为了保证处于试验管柱后端的该中心管不会发生冲蚀失效，中心管的通径至少不应小于测试管柱的外径。当中心管和测试管柱不能匹配时，两者可以通过变径短节连接。该连接方式可以为螺纹。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种现场试验气井临界冲蚀流量的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取目标区域中气井的注采管柱参数、气井生产参数和测试流量参数；

根据所述注采管柱参数和测试流量参数，确定试验管柱参数；根据所述气井生产参数，确定试验井；

根据试验管柱参数生产试验管柱，所述试验管柱包括内层管柱和外层管柱，所述内层管柱和所述外层管柱为同心管柱；

将试验管柱安装到试验井中，进行气井临界冲蚀流量的现场试验；

根据注采管柱的外径大小确定注采管柱的横截面积；

根据公式

确定试验管柱内层管柱的横截面积A₂；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述注采管柱参数包括注采管柱的外径大小、壁厚、钢级和材质；所述气井生产参数包括目标时间段内气井的产量，以及当前气井的临界冲蚀流量与产量的比值；所述测试流量参数包括所需测试的冲蚀流速与当前气井的临界冲蚀流速的比值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将试验管柱安装到试验井中，进行气井临界冲蚀流量的现场试验之前，所述方法还包括：

在内层管柱上选择至少两个位置测量内层管柱的壁厚，作为初始壁厚；

在将试验管柱安装到试验井中，进行气井临界冲蚀流量试验之后，所述方法还包括：

在内层管柱上与所述至少两个位置相同的位置测量内层管柱的壁厚，作为冲蚀壁厚；

根据所述初始壁厚和冲蚀壁厚确定气井临界冲蚀流量的现场试验的试验结果。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述初始壁厚和冲蚀壁厚确定气井临界冲蚀流量的现场试验的试验结果，包括：

根据每个相同位置测量得到的初始壁厚和冲蚀壁厚确定壁厚的减薄量，得到至少两个减薄量；

根据至少两个减薄量中的最大减薄量确定内层管柱的实际冲蚀速率；

根据所述实际冲蚀速率与冲蚀速率阈值的大小关系，确定气井临界冲蚀流量的现场试验的试验结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冲蚀速率阈值为0.076毫米每年。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，根据所述实际冲蚀速率与冲蚀速率阈值的大小关系，确定气井临界冲蚀流量的现场试验的试验结果，包括：

如果所述实际冲蚀速率大于或等于所述冲蚀速率阈值，则在测试流量参数下内层管柱发生冲蚀失效；

如果所述实际冲蚀速率小于所述冲蚀速率阈值，则在测试流量参数下内层管柱不会发生冲蚀失效。

7.一种现场试验临界冲蚀流量的试验装置，其特征在于，所述装置包括：

内层管柱和外层管柱，所述内层管柱和所述外层管柱为同心管柱；

其中，所述内层管柱和所述外层管柱根据试验管柱参数生产，所述试验管柱参数根据注采管柱参数和测试流量参数确定；注采管柱的横截面积根据注采管柱的外径大小确定；

试验管柱内层管柱的横截面积A₂根据公式

确定；

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述内层管柱和所述外层管柱通过管柱两端的螺纹连接。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述注采管柱参数包括注采管柱的外径大小、壁厚、钢级和材质；所述测试流量参数包括所需测试的冲蚀流速与当前气井的临界冲蚀流速的比值。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

流动短节，用于当外层管柱的外径大于井下管柱的外径时，连接外层管柱与井下管柱。

11.根据权利要求7至10任一项所述的装置，其特征在于，所述内层管柱和所述外层管柱的长度小于9米。

12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

投捞装置，与内层管柱和外层管柱连接，用于提升或下放内层管柱与外层管柱组成的同心管柱。