一种水平井斜井段涡流排水采气装置及排水采气方法
技术领域
本发明涉及天然气开采技术领域，特别涉及一种水平井斜井段涡流排水采气装置及排水采气方法。
背景技术
受限于水平井特殊井身结构，水平井排水采气效果除受自身产能的限制外最大的困难就是斜井段液体滑脱损失严重、携液困难、所需临界携液流量高。目前水平井排水采气工艺主要为泡沫排水采气、柱塞排水采气、速度管柱排水采气，但不论哪种工艺均不能很好的解决水平井斜井段滑脱损失严重的问题。由于现有工艺措施在水平井中运用效果差，井筒一旦积液后更加难以排出，亟需针对水平井斜井段液体滑脱损失严重、携液难度大的问题寻求新工艺。经调查研究发现，目前在直井中有应用井下涡流排水采气工艺，通过实现气液两相分离运动，降低两相间摩擦力，提高了气井携液能力，已形成一系列的涡流工具，如DX系列涡流工具、井下自力式强制涡流排水采气装置、射流涡流排水采气装置、多螺线排水采气装置等，具有相对系统和明确的评价及设计方法，并且在诸多气井实例应用中取得良好成效，油气产量均有明显增加，但目前尚未有涡流工具应用到水平井斜井段的先例。
发明内容
为了解决水平井斜井段液体滑脱损失严重，携液困难的问题，本发明提供一种水平井斜井段涡流排水采气装置及排水采气方法，本发明在水平井斜井段安装一种具有涡流原理的排水采气工具，利用涡流运动原理实现气液两相分离运动，降低两相间摩擦力。同时针对该工艺形成了相应的工艺设计方法，根据水平井需要解决携液困难的管段位置及长度设计一级或多级涡流排水采气，实现接力式排水采气，将液体举升井口，解决水平井斜井段液体滑脱损失严重，携液困难的问题。
本发明采用的技术方案为：
一种水平井斜井段涡流排水采气装置，包括设在水平井内的油管和设在油管内的涡流工具，所述的涡流工具为多个，最下端的一个涡流工具位于水平井垂直段与水平段的拐角处。
相邻两个涡流工具之间的距离小于等于位于其下方的前一级涡流工具的有效作用距离，即dn-1必须满足dn-1≤Ln，其中，Ln为所选第n个工具在其安装位置下的有效作用距离，dn-1为第n个所选工具与第n-1个所选工具之间的安装距离。
所述的涡流工具的前一级的螺旋角要大于后一级。
安装涡流工具的总作用距离不小于确定的水平井斜井段携液困难的管段长度。
所述的涡流工具选择梯形、矩形或圆形螺旋导流肋片形状涡流工具，涡流工具的螺旋纽带高度为10-15mm、翼宽10mm，螺旋角度为 45～65°。
所述的涡流工具为三个，包括一级涡流工具、二级涡流工具和三级涡流工具，所述的一级涡流工具、二级涡流工具和三级涡流工具从下到上依次布置。
所述的二级涡流工具位于水平井造斜点上方，一级涡流工具位于水平井造斜点下方。
一种水平井斜井段涡流排水采气装置的排水采气方法，具体步骤为：
步骤一，选择需要解决斜井段滑脱损失严重携液困难的水平井；
步骤二，确定斜井段携液最困难的管段长度及最深下入位置，确定安装涡流工具的管段；
步骤三，选择涡流工具；
步骤四，确定涡流工具的有效作用距离，并确定涡流工具安装的位置及数量；
步骤五，安装涡流工具，开始生产。
所述的步骤四中，通过步骤二中得到的最深下入位置，将其作为一级涡流工具的位置，得到该处气流进口的速度和涡流气相最大速度，并通过涡流工具模型确定出一级涡流工具的作用距离，在一级涡流工具作用的距离之内，安装二级涡流工具，获取二级涡流工具处气流速度，确定二级涡流工具的作用距离，并在这个距离之内安装三级涡流工具，直到最上面一个涡流工具作用距离处的气井量达到此处所需临界携液流量，无需再次安装工具。
安装涡流工具的总作用距离不小于确定的水平井斜井段携液困难的管段长度，即HO-Hc≤Ln+dn-1+.....+d1，其中H0为第一级涡流工具安装位置井深，Hc为井筒中气井气量大于井筒所需临界携液流量的位置。
本发明的有益效果为：
本发明利用涡流工具在斜井中较常规直井的显著优势，实现对水平斜井段气液分离而形成气液螺旋流，在油管壁上形成液膜边界层可有效降低壁面摩擦，减小液体输送的压降损失，可有效解决目前水平井在斜井段液体滑脱损失严重，携液难度大的问题。
本发明针对水平井斜井段涡流排水采气形成一套系统的工艺设计方法，可以充分发挥涡流工具作用，确保排水采气工艺效率。
本发明在安装涡流工具后只需开井生产即可使用，无移动部件，无需人工单独操作，无需增加人工成本及后期维修。
本发明仅依靠气井自身能力即可完成携液，降低了外界干预所带来的物质和能量损耗，避免了对环境的潜在污染。
目前已有的井下涡流排水采气工具通过钢丝进行投捞施工，无需起油管作业。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1为本发明提供的水平井斜段井筒安装涡流工具后实现多级涡流工具排水采气的工具示意图。
图2水平井的不同油管尺寸斜井段的携液流量图版(压力5MPa、温度40℃)。
图3为涡流工具螺旋叶片部分关键结构，其中(a)为带螺距位置示意图，(b)为带翼宽示意图。
图4为不同倾角下涡流工具作用距离图版。
图5为G1井斜井段携液流量分布。
图中，附图标记为：1、一级涡流工具；2、二级涡流工具；3、三级涡流工具。
具体实施方式
实施例1：
针对现有技术无法解决水平井斜井段积液严重、实现有效排水采气的问题，本发明提供如图1-5所示的一种水平井斜井段涡流排水采气装置及排水采气方法，本发明在水平井斜井段安装一种具有涡流原理的排水采气工具，利用涡流运动原理实现气液两相分离运动，降低两相间摩擦力。同时针对该工艺形成了相应的工艺设计方法，根据水平井需要解决携液困难的管段位置及长度设计一级或多级涡流排水采气，实现接力式排水采气，将液体举升井口，解决水平井斜井段液体滑脱损失严重，携液困难的问题。
一种水平井斜井段涡流排水采气装置，包括设在水平井内的油管和设在油管内的涡流工具，所述的涡流工具为多个，最下端的一个涡流工具位于水平井垂直段与水平段的拐角处。
本发明在水平井斜井段安装一种具有涡流原理的排水采气工具，利用涡流运动原理实现气液两相分离运动，降低两相间摩擦力。同时针对该工艺形成了相应的工艺设计方法，根据水平井需要解决携液困难的管段位置及长度设计一级或多级涡流排水采气，实现接力式排水采气，将液体举升井口，解决水平井斜井段液体滑脱损失严重，携液困难的问题。
实施例2：
基于实施例1的基础上，本实施例中，相邻两个涡流工具之间的距离小于等于位于其下方的前一级涡流工具的有效作用距离，即dn-1必须满足dn-1≤Ln，其中，Ln为所选第n个工具在其安装位置下的有效作用距离，dn-1为第n个所选工具与第n-1个所选工具之间的安装距离。
优选地，所述的涡流工具的前一级的螺旋角要大于后一级。
优选地，安装涡流工具的总作用距离不小于确定的水平井斜井段携液困难的管段长度。
优选地，所述的涡流工具选择梯形、矩形或圆形螺旋导流肋片形状涡流工具，涡流工具的螺旋纽带高度为10-15mm、翼宽10mm，螺旋角度为45～65°。
优选地，所述的涡流工具为三个，包括一级涡流工具1、二级涡流工具2和三级涡流工具3，所述的一级涡流工具1、二级涡流工具 2和三级涡流工具3从下到上依次布置。
优选地，所述的二级涡流工具2位于水平井造斜点上方，一级涡流工具1位于水平井造斜点下方。
一种水平井斜井段涡流排水采气装置的排水采气方法，具体步骤为：
步骤一，选择需要解决斜井段滑脱损失严重携液困难的水平井；
步骤二，确定斜井段携液最困难的管段长度及最深下入位置，确定安装涡流工具的管段；
步骤三，选择涡流工具；
步骤四，确定涡流工具的有效作用距离，并确定涡流工具安装的位置及数量；
步骤五，安装涡流工具，开始生产。
所述的步骤四中，通过步骤二中得到的最深下入位置，将其作为一级涡流工具1的位置，得到该处气流进口的速度和涡流气相最大速度，并通过涡流工具模型确定出一级涡流工具的作用距离，在一级涡流工具作用的距离之内，安装二级涡流工具2，获取二级涡流工具2 处气流速度，确定二级涡流工具2的作用距离，并在这个距离之内安装三级涡流工具3，直到最上面一个涡流工具作用距离处的气井量达到此处所需临界携液流量，无需再次安装工具。
优选地，安装涡流工具的总作用距离不小于确定的水平井斜井段携液困难的管段长度，即HO-Hc≤Ln+dn-1+.....+d1，其中H0为第一级涡流工具安装位置井深，Hc为井筒中气井气量大于井筒所需临界携液流量的位置。
在气流排除倾斜管道中的积液时，螺旋气液分离流相比于普通气液混合轴向流动可以更好的将管道内的积液排出，普通轴向流难以取得较好的效果。管道倾斜角越小，涡流流态的气液分离效果越好，螺旋距离越远。因此，涡流工具在倾斜管段中排液相比普通直井具有显著的排液优势。
本发明中排水采气方法包括以下步骤：
第一步，选择需要解决斜井段滑脱损失严重携液困难的水平井，该井必须满足所述工艺的适用条件，保证该工艺能有效发挥作用。具体生产条件为：水平井套压不小于5MPa、日产气量在0.55—1.0倍携液流量之间、水气比<50m3/104m3。
第二步，结合选择的水平井井况，利用水平井的携液预测模型，确定水平井斜井段各位置所需连续携液流量及最难携液位置。结合气井生产情况及携液能力，确定需要水平井携液困难的管段长度S及位置。
比如根据Belfroid等人基于角度修正的水平井的液滴携液模型，见式(1)，结合气井井况，计算水平井在各位置所需连续携液流图版量，如图2所示。
根据携液预测结果，可看出在井斜35°左右水平井所需的临界携液气量最高，为最难携液位置，涡流工具的下入位置至少要在该位置以下。在井斜角约在0-75°管段气井所需的临界携液气量均较高，高于同样的压力、温度条件下直井所需的临界携液气量。而后随井斜角增加直至接近水平流动，携液气量明显降低。因此0～75°滑脱损失严重携液困难，将所述工具安装在水平井斜井段井斜>＝75°的位置，将会起到较好的效果。
第三步，选择可有效应用于所选水平井斜井段的涡流工具；排水采气所选涡流工具可选择目前常用的梯形、矩形、圆形螺旋导流肋片形状涡流工具，其中螺旋纽带高度为10-15mm、翼宽10mm，螺旋角度为45～65°。一级螺旋流螺旋角度选45°，多级螺旋流工具前一级的螺旋角要大于后一级保证涡流强度相同。同时要求涡流工具与井筒无间隙安装，提高涡流效果。
第四步，根据所选水平井井况及工具参数，确定所选工具在所选水平井斜井段有效作用距离L。根据直井涡流工具作用距离评价结果，并进一步进行倾角修正得到斜井条件下涡流工具作用距离模型。采用涡流模型对不同条件下涡流工具的作用距离图版示例如图4所示。
其中，Vin—为入口气流速度；Vs—为达到稳定的气相最大速度；
第五步，结合所选工具在所选水平井斜井段有效作用距离L及井况，确定需在所选管段安装所选涡流工具的位置及数量。为使涡流效果达到最佳，实现接力式排水采气，选择管段安装所选工具数量n及位置的原则为：
1)第一级涡流工具下入位置0点，确定的需安装涡流工具管段的最下端位置M点及现有可用的涡流工具最深下入位置N点确定，若 M点的测深大于N点的测深，则第一级涡流工具的下入位置测深根据涡流工具可下深度决定，即H0≤HN≤HM；若M点的测深小于于N点的测深，则涡流工具的下深位置可在M点与N点之间，即HM≤H0≤HN。
2)必须满足相邻两个涡流工具之间的距离小于等于前一级涡流工具的有效作用距离，即dn-1必须满足dn-1≤Ln，其中，Ln为所选第n 个工具在其安装位置下的有效作用距离，dn-1为第n个所选工具与第 n-1个所选工具之间的安装距离。
3)必须满足安装涡流工具的总作用距离不小于确定的水平井携液困难的管段长度，即HO-Hc≤Ln+dn-1+.....+d1，其中H0为第一级涡流工具安装位置井深，Hc为井筒中气井气量大于井筒所需临界携液流量的位置。
本发明利用涡流工具在斜井中较常规直井的显著优势，实现对水平斜井段气液分离而形成气液螺旋流，在油管壁上形成液膜边界层可有效降低壁面摩擦，减小液体输送的压降损失，可有效解决目前水平井在斜井段液体滑脱损失严重，携液难度大的问题。本发明仅依靠气井自身能力即可完成携液，降低了外界干预所带来的物质和能量损耗，避免了对环境的潜在污染。
实施例3：
基于实施例1和实施例2的基础上，本实施例选择需要解决斜井段滑脱损失严重携液困难的水平井，
某水平气井G1井，该井产气量为4×104m3/d，水气比为 20m3/104m3，井口油压2MPa,套压5MPa,井底压力6.5MPa.天然气相对密度为0.67，水的密度为998.2kg/m3，该井油管内径0.062m，造斜点井深3000m，入窗点井深3785m，井底温度为80℃。
结合选井条件，从套压和水平气比符合选井条件，同时结合携液预测模型确定水平井在斜井段临界携液流量如图4。该井的最大携液流量为5.5×104m3/d，气井产量为4×104m3/d为在最大携液流量的0.727倍，符合选井条件。
2.确定斜井段携液最困难的管段长度及最深下入位置。
根据图4的斜井段携液流分布，可以发现该井在井斜角35°所需携液流量最大，在井斜角80°以后携液流量快速下降，下入位置的井斜角度，应该大于80°，携液困难井段为造斜点至井斜角80°的井段。目前涡流工具的可下入位置可以到达水平段，不存在下入限制。因此该井的最深下入位置可以设定为井斜角80°，此处井深 3697.6m.
3.选择涡流工具
选择投捞式梯形涡流工具、其中螺旋纽带高度为15mm、翼宽10mm，螺旋角度为45～65°。
4.确定涡流工具的有效作用距离L，
确定涡流工具最深下入位置为井深3697.6m，第一级涡流工具的下深位置为3697.6m。此处的气流进口速度为10.56m/s,涡流气相最大速度为5.28m/s，根据涡流工具模型确定出第一级涡流工具的作用距离为170.2m,因此涡流工具第二级的位置应在井深3526.2m位置，该处气入流速度为10.89m/s，涡流工具作用距离为210.3m,因此三级涡流工具的安装位置为3316m，此处气流入口速度为11.26m/s，涡流工具的左右距离264.5m，在三级涡流工具作用距离处气井气量已经达到此处所需临界携液流量，无需再次安装工具。
5.综合确定涡流工具的安装级数和数量。
根据确定的涡流工具有效作用距离，确定涡流工具安装级数为三级，安装位置分别为井深3697.6m、3526.2m和3316m处，三级涡流工具的螺旋角度依次为45°、55°和60°。
本发明利用涡流工具在斜井中较常规直井的显著优势，实现对水平斜井段气液分离而形成气液螺旋流，在油管壁上形成液膜边界层可有效降低壁面摩擦，减小液体输送的压降损失，可有效解决目前水平井在斜井段液体滑脱损失严重，携液难度大的问题。本发明针对水平井斜井段涡流排水采气形成一套系统的工艺设计方法，可以充分发挥涡流工具作用，确保排水采气工艺效率。本发明在安装涡流工具后只需开井生产即可使用，无移动部件，无需人工单独操作，无需增加人工成本及后期维修。本发明仅依靠气井自身能力即可完成携液，降低了外界干预所带来的物质和能量损耗，避免了对环境的潜在污染。目前已有的井下涡流排水采气工具通过钢丝进行投捞施工，无需起油管作业。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或顶替，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
