高溫高壓氣井、凝析氣井井筒及近井地帶的壓力變化規(guī)律

常志強(qiáng) 肖香姣 朱忠謙 王小培 王海應(yīng)

中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院

高溫高壓氣井、凝析氣井井筒及近井地帶的壓力變化規(guī)律

常志強(qiáng) 肖香姣 朱忠謙 王小培 王海應(yīng)

中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院

高溫高壓氣井的井筒溫度與壓力的分布是氣藏開發(fā)方案制定和調(diào)整的重要數(shù)據(jù)。為此，在井筒摩阻室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)及高溫井筒溫度室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選了高溫高壓天然氣PVT物性參數(shù)計算方法，開展了高溫高壓氣井、凝析氣井井筒及近井帶溫度、壓力分布規(guī)律的理論研究，解決了該類氣井的動態(tài)監(jiān)測難題；建立了考慮井流物組成、流體相態(tài)、含水量、井身結(jié)構(gòu)、動能損耗、重?zé)N含量、環(huán)境溫度等多種因素影響的井筒壓力溫度耦合計算模型；編制了高溫高壓氣井、凝析氣井井筒動力學(xué)軟件，可實(shí)時獲取氣井壓力、產(chǎn)能變化規(guī)律及儲層動態(tài)參數(shù)信息。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，這為實(shí)時了解氣田及單井的生產(chǎn)動態(tài)、及時進(jìn)行平面產(chǎn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制定合理開發(fā)技術(shù)對策提供了技術(shù)手段。

塔里木盆地 高溫高壓氣井 凝析氣井 井筒 滲流 相態(tài) 凝析水 變化 數(shù)學(xué)模型

1 氣井井筒壓力、溫度計算模型

筆者綜合利用Ramey的假設(shè)條件，考慮環(huán)境溫度和井身結(jié)構(gòu)的影響建立了分段的井筒溫度計算模型。同時，結(jié)合能量守恒方程與狀態(tài)方程，基于Cullender－Smith方法［1－3］，建立了考慮流體相態(tài)、動能損耗、動態(tài)摩阻等因素影響的井筒壓力計算模型。將井筒壓力與溫度計算模型通過程序耦合，確保獲取準(zhǔn)確的井筒壓力、溫度變化規(guī)律如圖1所示。

1.1 井筒壓力計算模型

假設(shè)：①氣體在氣井中的流動為穩(wěn)定流動；②在氣體流動過程中，沒有功的輸入和輸出。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，推導(dǎo)得到考慮動能損耗的氣井井筒壓力計算數(shù)學(xué)模型為：

其中，相關(guān)參數(shù)的計算限于篇幅，此處不再詳細(xì)介紹，可詳見本文參考文獻(xiàn)［3］。

1.2 井筒溫度計算模型

在地層溫度分布研究過程中，要進(jìn)行相關(guān)假設(shè)。根據(jù)熱量守恒定律，考慮第二接觸面（水泥環(huán)和地層的交界面）向周圍地層傳遞的熱量服從Ramey無因次時間函數(shù)，且井筒向第二接觸面?zhèn)鬟f的熱量與第二接觸面向周圍地層傳遞的熱相等，可推導(dǎo)得到高溫高壓氣井、凝析氣井井筒溫度計算模型為：

圖1 氣井井筒壓力、溫度計算流程示意圖

1.3 相關(guān)參數(shù)確定

對于凝析氣井，由于井筒內(nèi)壓力和溫度的變化較大，當(dāng)壓力和溫度沿著井筒向上不斷下降時，井筒中的液體則不斷增加，氣、液組成則不斷發(fā)生變化，特別是對于富凝析氣井，然而常規(guī)方法并未考慮井筒相態(tài)變化。因此要考慮兩相偏差因子、熱物性參數(shù)以及動態(tài)摩阻對井筒壓力計算模型的影響。由于篇幅有限，具體計算模型見本文參考文獻(xiàn)［4－7］。

2 氣井近井地帶壓力、溫度計算模型

氣井開采時，氣體從高壓到低壓膨脹吸熱，使得產(chǎn)層的溫度會緩慢的降低，其溫度的傳播規(guī)律同樣滿足熱傳導(dǎo)方程，但其擴(kuò)散的速度明顯要小于壓力擴(kuò)散的速度。尤其對高溫高壓氣井，開關(guān)井瞬間，近井帶溫度及壓力隨時間會發(fā)生明顯變化。如果不考慮溫度變化的影響，將嚴(yán)重影響測試資料準(zhǔn)確性，難以獲取精度較高的測試資料及儲層動態(tài)參數(shù)信息［8－12］。

2.1 模型建立

2.1.1 近井帶壓力計算模型

在地層壓力分布研究過程中，主要基于以下假設(shè)：①地層為均勻各向同性地層；②地層中的流體為定常黏度的牛頓流體，孔隙度是常數(shù)；③流體在地層中的流動為層流狀態(tài)，遵從達(dá)西定律；④流體是單相氣體，流動是一個等溫過程；⑤忽略重力作用，不考慮其他物理化學(xué)的影響。

可得無量綱壓力的控制方程為：

初始條件：

內(nèi)邊界條件：

外邊界條件，即無限大邊界條件：

定壓邊界條件：

封閉邊界：

2.1.2 近井帶溫度計算模型

在地層溫度分布研究過程中，要進(jìn)行相關(guān)假設(shè)。

所得到無量綱溫度控制方程為：

初始條件：

內(nèi)邊界條件：

外邊界條件：

2.2 模型求解

原設(shè)計中，超前管棚每2.0 m高打一環(huán)，環(huán)向間距0.5 m，每環(huán)共57根，每根長3.0 m，共需1 160根，長3 480 m。實(shí)際施工中，采用本施工方案從地面自上而下一次性鉆孔打進(jìn)，深入地下38.4 m，間距0.5 m，共57個鉆孔需無縫鋼管約2 050 m，比原設(shè)計少1 274 m長，節(jié)省超前管棚支護(hù)（灌漿）投資約35萬元。本出渣方案省去調(diào)壓井口門機(jī)、鋼絲繩和吊罐等吊裝設(shè)備，減少門機(jī)司機(jī)、信號員等特種作業(yè)人員，減少施工資源投入。

采用有限元方法求解，例如溫度模型求解，利用伽遼金加權(quán)余量法，令其權(quán)函數(shù)為差值函數(shù)：Ni＝ai＋bix＋ciy，其中i＝1，2，3，然后將方程弱化，最終得到方程組為：

求解系統(tǒng)方程組，就可得任意網(wǎng)格點(diǎn)（x，y）上n＋1時刻溫度值T（x，y）。

3 軟件編制及實(shí)例分析

3.1 軟件編制

在以上井筒及近井帶溫度、壓力分析理論與方法基礎(chǔ)上，采用VC＋＋編程語言結(jié)合OLE數(shù)據(jù)庫的方法，編制了高溫高壓氣井、凝析氣井井筒及近井地帶壓力、溫度計算軟件。結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得到地層的熱力參數(shù)，實(shí)時獲取井筒及井筒附近壓力、溫度分布及變化規(guī)律，解決了高溫、高壓氣井動態(tài)監(jiān)測難題，為高溫、高壓氣藏開發(fā)調(diào)控與生產(chǎn)管理提供了科學(xué)的技術(shù)支撐和有效的輔助工具。軟件基本界面如圖2所示。

3.2 實(shí)例分析

3.2.1 模型精度分析

為驗(yàn)證軟件的可靠性，筆者利用克拉2、牙哈、吉拉克等區(qū)塊30余井次的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。從誤差分析結(jié)果表可以看出（表1），溫度最大相對誤差不超過2%，壓力最大相對誤差不超過1.8%，滿足工程計算精度要求。KL205、KL2－8井計算壓力剖面與實(shí)測壓力數(shù)據(jù)擬合的較好，說明所建立的模型實(shí)用性較強(qiáng)。

圖2 高溫氣井及凝析氣井壓力、溫度計算軟件基本界面圖

表1 JLK、YH等井8組實(shí)測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)誤差分析表

3.2.2 溫度、壓力計算敏感參數(shù)分析

3.2.2.1 井身結(jié)構(gòu)對溫度壓力分布的影響

從圖3可以看出，考慮井身結(jié)構(gòu)時，相當(dāng)于減小了井底處水泥環(huán)的半徑，而水泥環(huán)的導(dǎo)熱系數(shù)比地層小，井筒向近井地帶熱量傳遞更快，由此溫度會降低。從圖4可以看出井身結(jié)構(gòu)對壓力幾乎沒有影響。

3.2.2.2 含水量對井筒壓力溫度分布的影響

從圖5可以看出，隨著含水量增加，從井底算到井口的溫度越大。這是由于含水量增大相當(dāng)于增加了氣井的流量，流量越大，平均流速越快，這樣氣井與周圍地層的熱交換越不充分，熱量損失越少，溫度越高。從圖6中可以看出，含水量越大，井底算到井口的壓力越低。這是由于在建立擬單向流的壓力計算模型時，加入了含水校正系數(shù)（Fw），含水量越大，F(xiàn)w越大，計算的壓力越低。另一方面，從圖6中可以看出，含水量越高，溫度越低，井筒中的密度越小，因此壓力越小。

圖3 井身結(jié)構(gòu)對溫度的影響圖

圖4 井身結(jié)構(gòu)對壓力的影響圖

圖5 含水量對溫度的影響圖

圖6 含水量對壓力的影響圖

3.2.2.3 重?zé)N組分對壓力溫度分布的影響

從圖7可以看出重?zé)N含量越高，從井底計算到井口的溫度越大。從圖8可以看出重?zé)N組分含量越高，從井底算到井口的壓力越小。

圖7 重?zé)N組分對溫度的影響圖

圖8 重?zé)N組分對壓力的影響圖

4 結(jié)論

1）首次建立了綜合考慮井流物組成、流體相態(tài)、含水量、井身結(jié)構(gòu)、動能損耗、重?zé)N含量、環(huán)境溫度等因素影響的井筒壓力溫度耦合計算模型，初步形成了高溫高壓氣井井筒溫度、壓力計算理論分析方法。通過20井次實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，模型計算精度較高。利用建立的井筒壓力溫度耦合計算模型，完成了15井次高溫高壓氣井的井筒溫度、壓力剖面預(yù)測，獲取了準(zhǔn)確的壓力、產(chǎn)能及儲層動態(tài)參數(shù)信息，解決了該類氣井動態(tài)監(jiān)測難題，為克拉2氣田調(diào)整方案編制、迪那2、大北氣田開發(fā)方案編制提供了科學(xué)依據(jù)。

2）建立了井筒附近地層溫度、壓力變化的理論模型，獲取了高溫高壓氣井近井帶壓力和溫度分布及其變化規(guī)律。提出了動井筒溫度的概念，針對于產(chǎn)層與非產(chǎn)層的區(qū)別，給出了產(chǎn)層及非產(chǎn)層溫度的計算方法，獲取了準(zhǔn)確的近井帶地層溫度剖面。

3）編制了高溫高壓氣井井筒動力學(xué)軟件，利用軟件完成了35井次實(shí)例分析，計算的溫度、壓力誤差均低于2%，能夠滿足工程要求，軟件具有實(shí)用性。

4）高溫高壓氣井近井帶及井筒壓力溫度耦合計算模型的建立為實(shí)時了解氣田及單井生產(chǎn)動態(tài)、及時進(jìn)行平面產(chǎn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制定合理開發(fā)技術(shù)對策提供了重要的技術(shù)手段，為高溫高壓氣藏開發(fā)調(diào)控與生產(chǎn)管理提供了科學(xué)的技術(shù)支撐和有效的輔助工具。該配套技術(shù)目前已在塔里木油田克拉2、迪那2、大北等氣田進(jìn)行了應(yīng)用，推廣應(yīng)用前景非常廣闊。

符 號 說 明

pD為無因次壓力；CD為無因次等溫壓縮系數(shù)；S為表皮系數(shù)；ww為水的質(zhì)量流量，kg／m3；qg為氣體流量，m3／d；qo為油流量，m3／d；Zmix為復(fù)合氣體偏差因子；T為體系平衡溫度，K；d為油管內(nèi)徑，m；f為Moody摩阻系數(shù)，用Jain公式計算；xD、yD分別為無因次距離；pwf為井底流動壓力，MPa；ptf為井口流動壓力，MPa；p為體系平衡壓力，MPa；Fw為含水校正系數(shù)；wg為氣體的質(zhì)量流量，kg／m3；γmix為復(fù)合氣體相對密度；γg為干氣的相對密度；γL為液體的相對密度。

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Pressure change law at the wellbore and well－adjacent zone of a HTHP or condensate gas well

Chang Zhiqiang，Xiao Xiangjiao，Zhu Zhongqian，Wang Xiaopei，Wang Haiying
（Exploration ＆Development Research Institute of Tarim Oilfield Company，PetroChina，Korla，Xinjiang 841000，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.47－51，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

The distribution of shaft temperature and pressure of HTHP gas wells is significant for preparing and adjusting gas reservoir development plans.Therefore，based on the indoor experiments of wellbore friction simulation and temperature simulation in a high－temperature bore hole，the method of calculating PVT physical property parameters for HTHP natural gas is selected for theoretical research on the law of pressure and temperature distribution of the wellbore and well－adjacent zone of a HTHP or condensate gas well，which helps solve the problem in dynamic monitoring of such gas wells.A shaft pressure and temperature coupling calculation model is established considering such influencing factors as well fluid composition，fluid phase state，water cut，well bore structure，energy consumption，heavy hydrocarbon content，and ambient temperature.Moreover，the dynamic software is prepared for the wellbore of a HTHP or condensate gas well，which is capable of obtaining in real time the pressure of gas wells，the production change law as well as dynamic parameters of gas reservoirs.Field application indicates that this study provides technical approaches to promptly mastering the performance of gas fields and single wells，optimizing the plane structure of gas production，and preparing feasible development technologies.

Tarim Basin，HTHP gas well，condensate gas well，shaft，seepage，phase state，condensate，change，mathematical model

常志強(qiáng)等.高溫高壓氣井、凝析氣井井筒及近井地帶的壓力變化規(guī)律.天然氣工業(yè)，2012，32（10）：47－51.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.011

國家科技重大專項“塔里木盆地庫車前陸沖斷帶油氣開發(fā)示范工程”（編號：2011ZX05046）。

常志強(qiáng)，1980年生，高級工程師，博士；現(xiàn)從事油氣田開發(fā)研究工作。地址：（841000）新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市石化大道26號。電話：（0996）2174787。E－mail：changzhq－tlm＠petrochina.com.cn

2012－06－21 編輯 韓曉渝）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.011

Chang Zhiqiang，senior engineer，born in 1980，holds a Ph.D degree and is currently engaged in development and research of oil ＆gas fields.

Add：No.26，Shihua Avenue，Korla，Xinjiang 841000，P.R.China

E－mail：changzhq－tlm＠petrochina.com