劉飛龍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

近年來,國內海上油氣田采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)越來越多, 水下采油樹作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要工藝設施，其安全穩(wěn)定的運行是油氣田得以順利生產(chǎn)的重要保障[1-7]。水下采油樹主要由油管懸掛器、采油樹帽、采油樹本體、閥組、流動通道等組成[8]，為油氣藏混合流體輸送至海管/海上平臺提供安全通道。通過對水下采油樹的閥組進行操作，用于開啟和關斷水下井口，將水下井口和下游海管壓力隔離。對于海上氣田，水下井口壓力高，下游海管/平臺操作壓力低，通過水下采油樹油嘴進行降壓，將井口壓力降至適當?shù)墓に囅到y(tǒng)壓力需求。油氣混合流體經(jīng)油嘴節(jié)流降壓后，在油嘴下游產(chǎn)生低溫，可能超出水下采油樹最低設計溫度，同時引發(fā)油嘴下游水合物堵塞分析。因此，文章利用OLGA軟件對水下采油樹開啟進行動態(tài)模擬分析，直觀準確地反映開井過程中管道內流體運行參數(shù)，指導水下采油樹安全開啟。

1 氣田概況

南海某氣田有4口井，最大關井壓力為27.73 MPa，環(huán)境溫度為17.2 ℃，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行開發(fā)，井流物通過跨接管接入水下生產(chǎn)管匯，經(jīng)由油氣混輸海底管道回接到中心平臺，利用平臺上的設施進行處理。水下采油樹油嘴下游出油管線的設計低溫為-35 ℃，海底軟管的設計低溫-15 ℃。

2 充壓分析

水下生產(chǎn)系統(tǒng)和海管調試完成之后，啟動水下井口。由于井口壓力和油嘴下游壓力相差較大，會產(chǎn)生節(jié)流降溫效果。水下采油樹開啟過程中需考慮的流動保障問題包括：確保流體溫度高于采油樹、跨接管和海管的最低設計溫度；確保管道內流體的操作條件(溫度和壓力)在水合物形成區(qū)域之外。

油嘴上游流體條件為最大關井壓力和環(huán)境溫度，為了確定采油樹油嘴下游的最低壓力，采用PR狀態(tài)方程對井口流體的節(jié)流降溫效應進行了計算分析，圖1為井口流體油嘴下游壓力和溫度的關系。

圖1 油嘴節(jié)流降溫曲線Fig.1 Choke cooling curve of glib

從圖1可知，油嘴下游壓力為4 MPa時，油嘴下游的溫度為-33.7 ℃，高于水下采油樹的最低設計溫度。因此，建議水下井口初始開啟和再啟動時，將海管至少充壓至4 MPa，充壓的流體需選用墮氣，如氮氣或平臺處理后的干氣，以確保井口流體經(jīng)節(jié)流降壓后流體溫度不超過管線材質的設計低溫要求。

3 開井分析

開井分析的目的是評估段塞流捕集器的能力，并確定各個位置(尤其是節(jié)流閥下游，跨接入口和海管入口)的最低溫度。水下采油樹開啟模擬分析時，作如下假定：水下生產(chǎn)系統(tǒng)關斷后，海管的平衡壓力為1.95 MPa，此壓力下水合物生成溫度為8 ℃；水下生產(chǎn)系統(tǒng)關斷前已達到穩(wěn)定狀態(tài)，關斷后已冷卻到最低環(huán)境溫度。

由于焦耳—湯姆遜效應，長時間關斷后再啟動油嘴下游產(chǎn)生低溫，為防止在油嘴下游生成水合物，再啟動時需在油嘴上游注入甲醇。應用OLGA軟件建立井筒、采油樹、油嘴、出油管線、海管和相應的閥門，模擬開井時氣藏物流經(jīng)過井筒、油嘴和海管內介質的流動情況。

為避免水下采油樹開啟過程中油嘴后的流體溫度超過管線材質的設計低溫，采用以下措施針對水下采油樹開啟過程進行研究，確保水下采油樹能順利啟動。

將海管充壓，降低節(jié)流效應。根據(jù)油田實際操作情況，選用平臺處理后的干氣對海管進行充壓，也可通過先開啟井口壓力較低的水下井口將海管的運行壓力提高；水下采油樹開啟的前一段時間控制油嘴開度，小流量開井，利用甲醇熱容大的特點，降低井口流體節(jié)流降溫效果，使油嘴后流體溫度順速提高。

3.1 充壓開井模擬結果

已知A1井口參數(shù)(井口壓力為14.55 MPa，井口溫度50.1 ℃)，油嘴下游壓力為1.95 MPa，通過HYSYS軟件計算，油嘴下游流體溫度為7 ℃。當只有A1井啟動，其油嘴后的溫度一直穩(wěn)定在7 ℃，低于水合物生成溫度(8 ℃)。因此，利用平臺上的干氣反向為海管充壓，將海管內的壓力充壓至4 MPa，同時在油嘴前需注入1.4 m3/h甲醇防止形成水合物。在此情況下，應用OLGA軟件模擬水下井口再啟動，模擬結果如圖2。

圖2 采用充壓措施再啟動A1井模擬結果Fig.2 Simulation results of restarting Well A1 with pressure charging measures

從圖2看出，由于水下采油樹關斷后流體溫度降至環(huán)境溫度(17.2 ℃)，油嘴開啟后的前一段時間流體溫度比較低，油嘴后的最低溫為-26 ℃，海管入口的最低溫度為-2 ℃，隨著開啟時間的增長，井筒內的流體溫度逐漸上升，開啟后約25 h，油嘴后的溫度超過8 ℃，高于水合物形成溫度，此時油嘴下游不會形成水合物，可以停止在油嘴上游注入甲醇，至此，A1井啟動完成。

3.2 小流量開井模擬結果

已知A3井口參數(shù)(關井壓力為19.39 MPa，井口溫度46.6 ℃)，油嘴下游壓力為1.95 MPa，通過HYSYS軟件計算，油嘴下游流體溫度為-47 ℃，超出了油嘴下游管線低溫限制(-35 ℃)。此時，采用小流量開井，利用甲醇提升油嘴下游溫度。在模擬中考慮前1 h小流量開井，等流體溫度升高后將開井氣量提高到配產(chǎn)量。前1 h不同開井氣流量的模擬的結果見圖3。

圖3 不同開井氣量時油嘴下游溫度曲線Fig.3 Temperature curve of downsteam of oil nozzle under different well opening gas volume

由圖3和表1可知，為了控制油嘴下游流體溫度不超過-35 ℃，建議前1 h控制油嘴開度，使開井的氣量不超過4.0×104m3/d。開井1 h后，調節(jié)油嘴開度，使水下采油樹流量達到配產(chǎn)要求，模擬結果如圖4。

表1 不同開井氣流量時油嘴下游流體最低溫度Tab.1 Minimum temperature of fluid downstream of nozzle under different well opening gas flow

圖4 采用小流量開井措施再啟動A3井模擬結果Fig.4 Simulation results of restarting well A3 with small flow well opening measures

從圖4可以看出，采用小流量開井措施，前一個小時控制流量為4.0×104Sm3/d，油嘴下游的最低溫為-31 ℃，海管入口的最低溫度為-14 ℃，隨著開啟時間的增長，井筒內的流體溫度逐漸上升，開啟后約3 h，油嘴后的溫度為13 ℃，高于水合物形成溫度(8 ℃)，此時可以停止在油嘴上游注入甲醇，至此，A3井啟動完成。

4 結論

針對水下采油樹啟動時產(chǎn)生低溫，通過充壓或小流量開井可避免啟動低溫問題。當水下采油樹啟動時，為了避免油嘴下游溫度低于管線設計低溫，需將海管充壓至4 MPa。當A1水下采油樹關斷后再啟動時，首先采用平臺處理的干氣充壓至4 MPa，然后開啟A1井，開啟25 h后油嘴后溫度高于8 ℃。當A3水下采油樹關斷后再啟動時，開啟的前1 h控制氣量不超過40 000 Sm3/d，油嘴下游最低溫度為-31 ℃，海管入口的最低溫度為-14 ℃，1 h后調整油嘴開度，逐漸使氣量達到配產(chǎn)輸氣量，可確保水下采油安全開啟。