井筒加热法排水采气工艺研究
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摘 要：气井井筒积液问题一直是影响气井产量的不利因素。加热井筒方法是预防气井积液的一种新方法，对井筒加热，使其温度达到甚至超过地层温度，可以提高井筒的压力，减小底层气体向地面输送的阻力，将水蒸气带出，从而防止井筒积液。文中引用第一个使用加热井筒工艺的迦太基油田的Pettit组某井为例子，介绍了此种工艺的原理、设备和现场施工基本过程。使用此工艺后，井筒积液明显减少，大大的增加了气井产量。通过此次试验证明此种工艺的现场应用价值很高。
关键词：排水采气 热力学 模型 井筒 加热
一、苏20气井积液情况
目前的节流器节流和针阀节流生产工艺导致这两处均易产生大量水生成。如果气体产量足够高，能够保持临界流速，这些冷凝下来的水就会依靠粘滞阻力被带到地面而不会落入井中。如果气体不能保持临界流速，液态水就会堵塞井眼限制气体流动，甚至使气井停产。特别是在生产后期大部分气井产能不足，大量液体蓄留，最终导致不能正常生产。
二、理论性研究
1.热力学模型
这个数学模型可以用来计算露点、温度和压力梯度，从而预测出液体开始冷凝的深度。当气流沿着油管向上流动，温度和压力都会下降，越来越多的水就会冷凝成为液态。如果气体产量足够高，能够保持临界流速，这些冷凝下来的水就会依靠粘滞阻力被带到地面而不会落入井中。如果气体不能保持临界流速，液态水就会堵塞井眼限制气体流动，甚至使气井停产。为了防止水冷凝，气体混合物的温度必须在井筒中的任何深度都保持高于露点温度。一旦这个露点温度已知，就可以用标准的传热模型来计算。
加热器电缆必须满足以上的两个必要条件：①对气体的加热要使温度高于或接近水的露点温度。②加热时要有一部分气体通过气体和加热电缆传到地层中而损失掉。
2.积液严重井系统模型设计
对于已不能正常生产的积液严重井，由于这些井已无生产气流，井筒内已无气流及携带液体，不能产生对流交换热量，建议设计为供电电缆对高效率加热器供电，把加热器下至井底对积液直接加热。
3.积液较少井系统模型设计
对于可正常生产的积液较少井，由于这些井还有一定气流，可以产生热对流交换热量，针对这个情况可以选择下入加热电缆，防止液体冷凝，而且可以减小由于压力的变化产生的问题。这个方法同样适用于采用大油管生产的井筒，因为增加了流动面积就减少了摩擦阻力；另一个好处就是使气藏的废气压力降低了，没有井底积液和极限摩擦阻力，油井就可以实现低的废弃压力和高的生产率。
三、设备设计
1.电缆
热力学模型与油井深度、流速、油管尺寸、油套环空体积、地层导热系数，流体地层流动温度、油管是否有保温层和其它一些变量决定。考虑这些因素，因此每米需要15～300W之间不等的功率。
模型表明，此工艺需要2000V的电压，因为高的电压可以适应介质层的变厚和选择不同的绝缘物质。现场要求电缆可以使用单纯的手工工具和胶带就可以进行拼接和维修。
2.加热元件
依据井的条件，一般的井深为3000m左右。因此，电缆的设计应该遵循此规律，它的长度应该与井的深度保持一致，并且要求要能在此深度下均匀加热。因此，利用铜导线作为加热元件，这样不但满足以上的要求，还满足耐用性的指标。
3.绝缘材料
因为一般绝缘好的物质导热性也很差，因此就要使绝缘层的横截面积尽量变薄，这样就可以减少加热元件与电缆表面的热量损失。为了满足这个要求，并且同时保证安全的可靠性，采用一种双层的绝缘安全体系，把聚酰胺和电工常使用的含氟聚合物挤压在一起进行绝缘。
4.绝缘层的保护
由上所述可知，由于绝缘层很薄，因此它很容易受到损害。并且绝缘材料也会受到气井中泄压力作用。此外，由于一些井中产出硫化氢等一些酸性气体，绝缘层就有可能与这些腐蚀性气体接触。在绝缘层外包上一层铅，不仅可以用机械的方法保护绝缘层，而且可以防止绝缘体与腐蚀性的液体和气体相接触。此外，因为铅有良好的导热性，它能有效地把热量排出从而使铜导线的温度不会太高。
5.外壳
油田的环境下产出物，都具有相当大的腐蚀性，而且工作环境都为高压力。考虑到最小化的节省开支，电缆最好设计成可反复利用的。基于以上原因，在电缆的外面包上一层螺旋纹的金属外罩。
为了使电缆起到一个电阻加热元件的作用，需要在电缆的下端安装一个机座，这个机座要求有一个低电阻的三相接头，这样不会导致过热，并且不会发生漏电事故。另外，要求有一个结实外壳，可以防止撞击。
四、试验对象的选择
此项工艺试验成功一个关键因素，是要选择一个适合试验的对象。如果第一个实验不能成功，那么这项工艺就会取消。选择试验对象的过程，主要是通过对所有生产数据进行分析来完成的。选择对象的第一步是收集油田所有生产井的生产数据。通过对所有单井递减曲线进行分析，得到产量的下降规律，再把单井资料汇总，把这些井按照安装此装置的难易程度的顺序进行排列。由于地层压力很低，使用了大量的修井液以后，这些井也很难恢复生产。利用普通完井方式的井，一般有低的液体滤失量。因此，大量的使用修井液还有可能使气井积液，甚至停产。最后，通过分析选择了一口最优的实验对象。
第二个关键步骤，证实此井在生产时，只有单纯气体从炮眼穿过，而没有液态流体穿过，并且液体的冷凝完全是因为温度的变化引起的。通过对井底压力的测量表明，液体是在距离井底1000m的位置发生凝析，并且对地层造成回压。比较关井与生产时的压力曲线斜率，可以发现生产压差的变化很小。由此证明，此井的积液完全是由于温度变化引起的。
五、经济型评价
加热井筒法主要投入为柴油机（若可以接入三相工业电该项可以省略）、加热电缆、绞车，设备简单，各参数易于监控，设备移动性好。
每排水1m3需要费用361元，实验每小时费用42～374元，费用明显低于其他排水方法。
目前常用120kW发电机扣除热损耗，剩余加热功率为43637W，每小时约可举升2m3。扣除预热约1H，水淹井约6H也可实验完毕。合计总费用约5580元。
鉴于目前低产低效井过多，该实验需要长时间进行，推荐使用微型燃气轮机。
六、结论
1.使用此种工艺，此气井井筒300m左右处只有少量的积水，600m左右看不见有液态水的痕迹。同时，实验井的日产量有效增加，证明此种工艺进行排水采气是成功的。
2.前期实验证实热力学模型对预测所需加热量的计算很精确。
3.这个工艺还适用于有极低的废气压力的井。
4.此工艺存在的问题，是大量的热量被浪费在油管和套管的环空地带。下一步的主要是解决油管与套管间的绝热问题。目前有些方法可供选用，其中包括：在油管与套管间的环空地带抽真空、给套管和油管刷保温涂层、用水泥泥浆进行隔绝等。
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作者简介：樊自有，男，1985年10月出生，2008年毕业于大庆石油学院，长庆油田采气三厂作业四区技术员，一直从事天然气井的开发与管理工作。