雁翎潛山油藏注氮氣重力驅(qū)控氣采油工藝

秦義 李秋穎 高鵬 謝剛 趙文秀 李占省

1.華北油田公司工程技術(shù)研究院；2.華北油田公司采油一廠

華北油田雁翎潛山油藏20世紀90年代中后期通過注氮氣驅(qū)在潛山油藏頂部形成次生氣頂［1-2］，平衡穩(wěn)定后進行開采，氣體推動頂部“閣樓油”下移，氣油、油水界面也隨之下移，形成了較為穩(wěn)定的氣油界面和油水界面，潛山內(nèi)形成人工氣頂、含油富集帶和水淹帶3個流體分布帶，富集油帶油柱厚度約44 m。雁翎油田油井技術(shù)套管下至潛山頂部，全部采用裸眼完井，開采中后期氣油界面下移至裸眼段，裸眼段產(chǎn)層內(nèi)氣相、液相直接與井筒溝通，氣、液同出不可避免，地層氣體竄入井筒，采用常規(guī)的單管采油工藝時井筒內(nèi)竄入的氣體沒有專門的通道，抽汲時氣液沿同一通道舉升，必然形成氣體段塞致使抽油泵氣鎖，同時因注氮氣屬非混相驅(qū)，氮氣和液體在井底即是相分離狀態(tài)，對液體的舉升效率低，因此氣竄后只出氣、不出液，無法正常生產(chǎn)，單管采油工藝無法滿足生產(chǎn)需求。

雁翎采油井平均壽命已近40年，經(jīng)檢測表層套管已不同程度腐蝕，且老井均為非氣密封套管，同時水泥返深未至地面，單管采油發(fā)生氣竄后使表層套管帶高壓，套管帶壓生產(chǎn)存在安全隱患。因此油井裸眼段產(chǎn)層氣液同出造成井筒大量見氣后對井筒油氣進行分流是當前最佳采油方式。

國內(nèi)外油井雙管管柱多用于向地層邊補充能量邊采油、摻稀油開采、邊生產(chǎn)邊測試等方向，主要應用在多層系開采，如分層采油、分層采氣、同井邊注邊采以及雙管測試等，都是用1個或多個封隔器把不同產(chǎn)液層隔開［3-10］。由于隔層存在，不同層位之間互不干擾，便于增加地層能量、減少層間干擾和提高生產(chǎn)效率。對于油藏非混相注氣驅(qū)中后期油井同層氣液同出問題，不能用封隔器將同層內(nèi)氣相、液相隔開，因此目前的雙管采油工藝不適合雁翎潛山油藏。對于注氣驅(qū)井筒氣竄問題，冀東油田南堡凹陷采用變換注氣套管輔助舉升方式和優(yōu)化注氣參數(shù)減緩井筒見氣，遼河油田采用化學凝膠封堵見氣層減緩氣竄，中原油田對氣竄井直接關(guān)井處理［11-12］。目前尚未見到在井筒氣竄后還能保持正常生產(chǎn)的采油工藝。

1 前期注氮氣驅(qū)開采情況

1.1 采油工藝

雁翎油田自1994年10月進行注氮氣重力驅(qū)試驗，先后經(jīng)歷3次注氣階段，截至1999 年10月，累積注氣 4 556.19×104m3，折合地下體積 25.2×104m3。開采中后期氣油界面降至套管鞋以下時，裸眼段內(nèi)非混相氣體直接與井筒溝通，井筒內(nèi)氣、油、水三相共存，為避免裸眼段氣體竄入井筒，采用永久封隔器懸掛小尾管的采油工藝［1-2］，小尾管插至封隔器下部液面內(nèi)油環(huán)厚度的5/8處，通過控制生產(chǎn)參數(shù)確保小尾管末端一直處在液面以下油環(huán)之內(nèi)，避免氣體進入尾管，保證正常生產(chǎn)(圖1)。

圖1永久封隔器懸掛小尾管采油工藝管柱Fig.1 String for the oil production technology of permanent packer and small liner hanging

1.2 試驗井前期生產(chǎn)情況

潛山高部位采用封隔器懸掛小尾管采油工藝的3口油井平均正常生產(chǎn)周期3個月，共產(chǎn)液3.8萬t，產(chǎn)油0.49萬t，最終都發(fā)生氣竄。如雁34井，油氣界面2 888 m，套管鞋2 884 m，油氣界面在套管鞋以下4 m，采用懸掛小尾管采油工藝生產(chǎn)，日產(chǎn)液30 t，2個月發(fā)生氣竄被迫關(guān)井。

1.3 懸掛小尾管采油工藝分析

采用封隔器懸掛小尾管采油工藝，氣油界面在套管鞋以上時，通過套管壁來隔離地層氣相，地層氣體無法進入井筒，井筒內(nèi)為油水兩相，能夠保持正常生產(chǎn)；當氣油界面降至套管鞋以下時，在裸眼井段內(nèi)氣相、液相直接與井筒溝通，氣液同出不可避免，井筒內(nèi)油、氣、水三相共存(圖2)。由于井筒氣體無排出通道，只能在永久封隔器下方聚集，氣柱壓力pg逐漸增大，氣體大量進入井筒抑制液體的產(chǎn)出，同時壓迫井筒液面降低，直至氣柱壓力pg與產(chǎn)氣段地層壓力pwf相等時，井筒不再進氣，液面穩(wěn)定，井筒液柱壓力與氣柱壓力平衡。抽汲生產(chǎn)時，篩管吸入口造成負壓，使得永久封隔器下部液柱壓力減小，無法平衡住井筒氣體，平衡被打破，井筒繼續(xù)進氣，篩管沒入液面深度持續(xù)減小，最終氣體突破竄入篩管吸入口，由于尾管內(nèi)徑小(50 mm)，氣體進入后占據(jù)液流通道，造成只出氣，不出液，無法正常生產(chǎn)。

圖2封隔器下部井筒壓力示意圖Fig.2 Schematic pressure of the wellbore below the packer

2 雙管采油工藝

為解決井筒氣竄問題，首先改變完井方式，采用套管射孔完井，用套管壁來隔離產(chǎn)層氣相，把氣相隔離在井筒之外，利用射孔段采液，避免井筒大量進氣，延長生產(chǎn)周期；其次改變舉升工藝，滿足注氣重力驅(qū)中后期正常采油的需要。

為解決非混相垂直管流條件下油井產(chǎn)液問題，依據(jù)“U”型管壓力平衡原理，研制了雙管控氣采液管柱，為氣液分別提供單獨流道，2組通道相對獨立，在生產(chǎn)過程中通過控制排氣量及生產(chǎn)壓差，實現(xiàn)井筒內(nèi)氣液分流，達到控氣采液的目的。另外將管柱末端插入射孔段以下，采用重力分異原理，氣泡從射孔段進入井筒后即向上移動，確保氣泡不進入管柱末端吸入口，全生產(chǎn)期可安全采液，滿足控氣采液需求。

2.1 雙管采油工藝原理及選擇

雙管采油管柱主要由排氣管柱、采油管柱、封隔器及配套附件組成。采油管柱下至產(chǎn)層氣液界面以下，排氣管柱下至封隔器以下、氣液界面以上，封隔器隔絕地層流體與套管環(huán)空通道。生產(chǎn)過程中，抽油泵在地面抽油機帶動下工作，產(chǎn)層液體在抽汲作用下通過采油管柱舉升至地面，通過調(diào)整抽汲工作參數(shù)控制生產(chǎn)壓差。產(chǎn)層氣相在壓差作用下進入井筒，在重力分異作用下，進入排氣管柱排出井筒，出口通過油嘴調(diào)整放氣量，以控制排氣壓力和抽油泵沉沒度，實現(xiàn)控氣采油。

雙管采油管柱分為同心雙管和平行雙管，在功能方面，均可滿足氣液分流、控氣采油目的。同心雙管管柱采用嵌套式結(jié)構(gòu)(圖3)：采油管柱插入排氣管柱內(nèi)，采油管柱為常規(guī)抽油泵舉升管柱，包括管式泵、油管、篩管等，必要時可采用組合式油管結(jié)構(gòu)。排氣管柱主要由油管和封隔器組成，管柱最小內(nèi)徑應稍大于采油管柱最大外徑，一般情況下，其差值應不小于3 mm，以保證采油管柱順利通過。平行雙管管柱采用并行式結(jié)構(gòu)(見圖4)：采油管柱與排氣管柱并行下入，封隔器同時連接采油管柱與排氣管柱，同步入井。其特點是各管柱相對獨立，且排氣管柱內(nèi)可進行生產(chǎn)測試。

圖3同心雙管采油管柱Fig.3 Concentric dual-tubing production string

管柱功能方面，2種管柱均可滿足控氣采油需要，但是，平行雙管管柱結(jié)構(gòu)復雜，需要配套特殊雙管采油井口裝置、雙管封隔器，且起下管柱過程中，雙管同時下入，作業(yè)所需材料多，施工難度大，雙管同步下入工程中存在纏繞風險。綜合對比，優(yōu)選同心雙管管柱。

圖4平行雙管采油管柱Fig.4 Parallel dual-tubing production string

雙管采油工藝適用于注氣重力驅(qū)前中期井筒進氣量較小的情況，通過控制排氣通道內(nèi)氣體形成連續(xù)的氣相通道，進行適當?shù)木诜艢夂秃侠淼某榧硡?shù)正常采油；如果后期地層生產(chǎn)段全為氣相所占，則井筒全部進氣，無法進液，此時采油階段結(jié)束。

2.2 同心雙管采油管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

同心雙管控氣采油管柱分別由內(nèi)層采油管柱和外層排氣管柱組成。雁翎油田典型井身結(jié)構(gòu)為三開裸眼完井，?177.8 mm 套管進山深度普遍為10~100 m，固井水泥返高2 000 m 左右，完井套管均為非氣密封套管。

“兩基”建設是財政管理基礎工作和基層財政建設，加強鄉(xiāng)鎮(zhèn)財政資金管理即是對“兩基”建設內(nèi)容的融會貫通和具體實施，是促進財政管理科學化、現(xiàn)代化、精細化，提高基層財政管理水平的重要內(nèi)容，是建立農(nóng)村公共財政體系、貫徹落實財政“三農(nóng)”政策、促進城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的重要舉措，是當前落實鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、打贏精準扶貧攻堅戰(zhàn)的重要保障，是“兩基”建設的最終落腳點。

設計原則：具備舉升功能，作為產(chǎn)液通道，最大限度減少氣體進入，保護套管。

為實現(xiàn)減少氣體進入采油管柱目的，在控制排氣情況下，作為進液口的篩管應下至地層氣液界面以下(目前雁翎油田氣液界面一般在2 890 m)。雁翎油田目前地層壓力系數(shù)約0.95，地層能量充足，下泵深度一般700~1 000 m，其泵下管柱長度達1 900~2 200 m，抽油泵在此拉力下可能產(chǎn)生縮徑，導致卡泵，根據(jù)泵下懸掛管柱情況計算泵筒受力

式中，F(xiàn)為泵筒所受拉力，N；D為泵下懸掛管柱外徑，m；d為泵下懸掛管柱內(nèi)徑，m；ρl為井筒液體密度，kg/m3；ρs為管柱鋼材密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為泵下懸掛管柱長度，m。

普通管式泵泵筒安全強度200~220 MPa［13］，計算普通管式抽油泵額定拉力100~150 kN，當尾管長度為2 000 m 時，泵筒承受拉力為155.4 kN，超過泵筒額定拉力，因此抽油泵采用過橋式抽油泵，避免因泵下拉力過大引起的卡泵。

排氣管柱設計原則：保護原井非氣密封套管，容留采油管柱，作為排氣通道封隔器以下保留足夠空間，作為產(chǎn)出氣體緩沖空間。因此設計封隔器卡點位于油層套管水泥返高以下50~100 m 的固井質(zhì)量合格段。

生產(chǎn)過程中，被封隔器分隔的下部空間與上部的排氣管柱內(nèi)部，成為一個大型的“氣液分離裝置”。在重力分異作用下，氣體向上運動，并進入排氣管柱與采油管柱環(huán)形空間；抽油泵工作時，在上部氣體壓力和液柱自身壓力作用下進入尾管，由抽油泵沿采油管柱舉升至井口的生產(chǎn)四通；排氣管柱與采油管柱環(huán)形空間的氣體可以通過排氣四通上配置的油嘴進行有控制的放氣，從而控制“氣液分離裝置”內(nèi)的氣液界面高度，避免氣體通過篩管進入采油管柱，實現(xiàn)了氣液分流、控氣采油。

3 應用效果

2018年，在華北油田采油一廠雁34井進行了為期48 d 的同心雙管采油工藝試驗。為尋求放氣平衡點將試驗分3個階段：油嘴控制放氣(探索階段)+油嘴和角閥適當控制放氣(尋找氣液產(chǎn)量放氣平衡點)+不放氣階段(節(jié)省地層能量)。

實驗結(jié)果表明：

(1)試驗過程中在放氣和不放氣條件下均未發(fā)生氣竄，證實同心雙管采油工藝能夠滿足非混相驅(qū)條件下的油井生產(chǎn)，有效防止氣竄，實現(xiàn)控氣采油。

(2)雙管工藝管柱結(jié)構(gòu)合理，雙管井口功能齊全，實驗過程中運行平穩(wěn)，整體工藝可行。

(3)以放氣量2 000 m3/d 生產(chǎn)時，外排無噪聲，可以根據(jù)需求進系統(tǒng)；油嘴+角閥可控制放氣量700~2 000 m3/d。

(4)不放氣生產(chǎn)時，放氣壓力穩(wěn)定在19 MPa，生產(chǎn)井段在此放氣壓力和液柱壓力下地層不再產(chǎn)氣，壓力保持平衡。

4 結(jié)論

(1)注氮氣驅(qū)采用封隔器懸掛小尾管采油工藝，由于井筒氣體無專門排出通道，氣液沿同一通道舉升，生產(chǎn)時必然發(fā)生氣竄。

(2)采用套管射孔完井，利用套管壁隔離地層氣相，可有效避免井筒大量進氣。

(3)雙管采油工藝管柱給井筒氣體留出專門的排出通道，通過適當放氣和控制生產(chǎn)參數(shù)滿足注氣驅(qū)控氣采油的需要。