大牛地氣田氣井全生命周期采氣管柱適應(yīng)性分析

何 云，吳偉然，羅旭術(shù)

（1.中國石化生產(chǎn)經(jīng)營管理部，北京 100027；2.中國石化華北油氣分公司，河南鄭州 450006）

1 氣井?dāng)y液能力

氣井實(shí)際產(chǎn)量與臨界攜液流量的比值越大，說明其攜液能力越強(qiáng)，反之越弱。氣井臨界攜液流量計(jì)算公式[1]如下：

式中： qcr為氣井臨界攜液流量，104m3/d；A為油管截面積，mm2；p為壓力，MPa； ucr為氣井?dāng)y液臨界速度，m/s；Z為氣體偏差系數(shù)；T 為溫度，K。

垂直管道氣液混相流動的井筒壓降計(jì)算公式[2-3]如下：

式中：Δpf為井筒壓降，MPa；H 為井筒深度，m；fm為氣液兩相摩阻系數(shù)； Gm為氣液混合物質(zhì)量流量，kg/s；D為管道內(nèi)徑，cm； ρm為無滑脫混合物密度，kg/m3。

氣井實(shí)際流量q與 qcr的比值越大說明氣井?dāng)y液能力越強(qiáng)，在生產(chǎn)中，氣井的實(shí)際流量是很難提高的，為了提高氣井的攜液能力，通常是降低氣井的臨界攜液流量。式（1）表明，油管截面積越大、壓力越高，則氣井的臨界攜液流量越大。要想降低氣井的臨界攜液流量，應(yīng)減小油管截面積、降低氣井流動壓力。減小油管截面積可采用管徑更小的油管，但是油管變小以后，式（2）表明井筒壓降會增大，這又會降低氣井的攜液能力。因此，需要在臨界攜液流量和井筒壓降之間取得平衡，綜合考慮油管的最優(yōu)尺寸[4]；降低氣井流動壓力的具體措施為采用井下節(jié)流的方式生產(chǎn)；即把地面氣嘴移到井內(nèi)深部油管安裝，氣嘴以上部分的管道壓力下降，氣井?dāng)y液流量即可降低，這種方法在特定場所與地面集輸工藝配套使用[5-6]。

2 管柱適應(yīng)性分析

大牛地氣田為致密低滲砂巖氣田，氣井垂深一般為 2 500～3 000 m，水平井單井初產(chǎn)主要為2.0×104～3.0×104m3/d，直 井 單 井 初 產(chǎn) 主 要 為1.0×104～2.0×104m3/d，單 井 最 大 日 產(chǎn) 量 小 于10.0×104m3。大牛地氣田氣井均需要經(jīng)過壓裂才能投產(chǎn)，水平井壓裂管柱一般為φ88.9 mm 油管，直井壓裂管柱一般為φ73.0 mm 油管。由于產(chǎn)量偏低，油管尺寸相對偏大，大部分氣井在投產(chǎn)后一年內(nèi)都需要采取人工助排措施以幫助其排水，過早采取人工助排措施無疑增加了生產(chǎn)成本。因此，選擇合適尺寸的油管，可以提高氣井?dāng)y液能力、延緩氣井采取人工助排措施，從而可以提高氣田開發(fā)效益。

判斷某種尺寸的油管是否在氣井整個生命周期有最好的適應(yīng)性，首先看其在與其他不同尺寸油管比較時，這種尺寸的油管在氣井實(shí)現(xiàn)的無助排期（即無需采取人工措施幫助氣井排水的時間長度）是否最長，若最長則認(rèn)為是最適應(yīng)的；若無助排期基本相當(dāng)，則氣井井筒壓降相對小的油管為最適應(yīng)的；若無助排期，井筒壓降基本相當(dāng)，則臨界攜液流量相對小的油管為最適應(yīng)的。

為了便于分析，把氣井按產(chǎn)量分為高、中、低產(chǎn)三類井，每一類井再分為高、中、低液氣比井，共九類井。每一類井按生產(chǎn)過程產(chǎn)量變化分成三個階段，產(chǎn)量快速下降階段、產(chǎn)量緩慢下降階段、低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段。

氣井壓力為5 MPa 時，油管尺寸為φ88.9 mm的氣井臨界攜液流量為2.5×104m3/d，達(dá)到這個產(chǎn)量的氣井列為高產(chǎn)井；油壓為5 MPa 時，油管尺寸為φ60.3 mm 的氣井臨界攜液流量為1.0×104m3/d，小于這個產(chǎn)量的氣井列為低產(chǎn)井； 產(chǎn)量為1.0×104～2.5×104m3/d 的井列為中產(chǎn)井。液氣比大于 5 m3/104m3的井列為高液氣比井，液氣比小于 2 m3/104m3的井列為低液氣比井，液氣比為 2～5 m3/104m3的井列為中液氣比氣井。不同的氣田可根據(jù)自身實(shí)際情況劃分高、中、低產(chǎn)井以及高中低液氣比井[7-9]。

3 實(shí)例分析

大牛地氣田高產(chǎn)低液氣比 DF2 井，于 2007 年11 月17 日開始投產(chǎn)，生產(chǎn)油管為φ73.0 mm 油管，初期產(chǎn)量達(dá)到5.0×104m3/d，屬高產(chǎn)井。至2018 年9 月27 日，該井共生產(chǎn)3 867 d，生產(chǎn)過程分為三個階段：產(chǎn)量大于2.5×104m3/d 為第一階段，產(chǎn)量為1.0×104～2.5×104m3/d 為第二階段，產(chǎn)量小于1.0×104m3/d 為第三階段（圖1）。

圖1 DF2 井綜合生產(chǎn)曲線

3.1 第一階段

平均產(chǎn)氣量 3.03×104m3/d，平均產(chǎn)液量 0.38 m3/d，氣液氣比為0.13 m3/104m3，氣井產(chǎn)量逐漸遞減，產(chǎn)液量基本維持平穩(wěn)，液氣比逐漸上升。

在 7 種尺寸的管柱當(dāng)中，φ88.9 mm 和φ73.0 mm 油管的理論無助排期明顯短于其他尺寸油管，因此首先予以排除。剩下的5 種尺寸油管的理論無助排期都很接近，但是φ38.1 mm 油管（連續(xù)油管）造成的井筒壓降明顯過大，也予以排除。此時，剩余四種管柱φ73.0 mm+φ60.3 mm、φ60.3 mm、φ60.3 mm+φ48.0 mm、φ50.8 mm 的井筒壓降很接近，但是φ73.0 mm+φ60.3 mm 和φ60.3 mm 油管的臨界攜液流量明顯大于φ60.3 mm+φ48.0 mm、φ50.8 mm管柱的臨界攜液流量，因此又可以把φ73.0 mm+φ 60.3 mm、φ60.3 mm 管柱予以排除。最后比較φ60.3 mm+φ48.0 mm、φ50.8 mm 管柱的優(yōu)劣，兩種管柱的理論無助排期一致，而前者的井筒壓降、臨界攜液流量都小于后者，有利于氣井帶液，因此可知φ 60.3 mm+φ48.0 mm 管柱是最優(yōu)尺寸管柱，φ50.8 mm 管柱為次優(yōu)尺寸管柱。φ60.3 mm+φ48.0 mm 組合管柱中φ48.0 mm 油管長500 m。

該井油管實(shí)際尺寸為φ73.0 mm，第一階段理論無助排期天數(shù)457 d（即第一階段產(chǎn)液量天數(shù)達(dá)到或大于臨界攜液流量的天數(shù)），實(shí)際無助排期天數(shù)684 d，實(shí)際生產(chǎn)情況優(yōu)于理論預(yù)測（表1）。

表1 DF2 井階段一模擬

3.2 第二階段

平均產(chǎn)氣量 1.31×104m3/d，平均產(chǎn)液量 0.24 m3/d，氣液氣比0.18 m3/104m3，氣井產(chǎn)氣量下降，產(chǎn)液量平穩(wěn)，液氣比上升。 在7 種尺寸的管柱當(dāng)中，φ88.9 mm、φ73.0 mm、φ73.0 mm+φ60.3 mm、φ 60.3 mm 油管的理論無助排期明顯短于其他尺寸油管，予以排除。剩下的3 種尺寸油管中，φ38.1 mm油管（連續(xù)油管）造成的井筒壓降偏大也予以排除。φ60.3 mm+φ48.0 mm 管柱各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于φ50.8 mm 管柱，為最優(yōu)尺寸管柱，φ50.8 mm 管柱為次優(yōu)管柱。該井油管實(shí)際尺寸為φ73.0 mm，第二階段理論無助排期天數(shù)562 d（即第二階段產(chǎn)液量天數(shù)達(dá)到或大于臨界攜液流量的天數(shù)），實(shí)際無助排期天數(shù)1 704 d，實(shí)際生產(chǎn)情況優(yōu)于理論預(yù)測（表2）。

表2 DF2 井階段二模擬

3.3 第三階段

平均產(chǎn)氣量 0.71×104m3/d，平均產(chǎn)液量 0.19 m3/d，氣液氣比0.27 m3/104m3，產(chǎn)氣產(chǎn)液均穩(wěn)定，液氣比平穩(wěn)。

在7 種尺寸的管柱當(dāng)中，φ88.9 mm、φ73.0 mm、φ73.0 mm+φ60.3 mm、φ60.3 mm 油管的理論無助排期明顯短于其他尺寸油管，予以排除。剩下的3 種尺寸油管中，φ38.1 mm 油管（連續(xù)油管）造成的井筒壓降僅僅比另外兩種油管大0.1 MPa，另外兩個參數(shù)臨界攜液流量、理論無助排期明顯優(yōu)于φ60.3 mm+φ 48.0 mm、φ50.8 mm 管柱，故為最優(yōu)尺寸管柱。φ60.3 mm+φ48.0 mm、φ50.8 mm 管柱兩者比較，前者的井筒壓降、臨界攜液流量、理論無助排期明顯優(yōu)于后者，φ60.3 mm+φ48.0 mm 管柱為次優(yōu)尺寸管柱。

該井油管實(shí)際尺寸為φ73.0 mm，第三階段理論無助排期天數(shù) 0（即第三階段產(chǎn)液量天數(shù)達(dá)到或大于臨界攜液流量的天數(shù)），實(shí)際無助排期天數(shù)535 d，實(shí)際生產(chǎn)情況優(yōu)于理論預(yù)測（表3）。

表3 DF2 井階段三模擬

對 DF2 井三個階段的最優(yōu)尺寸管柱進(jìn)行分析，可知φ60.3+φ48.0 mm 管柱為2 個階段的最優(yōu)管柱，1 個階段的次優(yōu)管柱；φ38.1 mm 管柱為1 個階段的最優(yōu)管柱，1 個階段的次優(yōu)管柱；φ50.8 mm 管柱為2 個階段的次優(yōu)管柱。故可得出φ60.3 mm+φ48.0 mm 管柱為氣井全生命周期中最優(yōu)尺寸管柱，最有利于氣井排液、穩(wěn)定生產(chǎn)（表4）。

上述方法分析高、中和低產(chǎn)井不同液氣比氣井的最優(yōu)尺寸管柱，得到的結(jié)果如表5 所示。2018 年，大牛地氣田就按照這個結(jié)果來指導(dǎo)新投產(chǎn)氣井、開展措施及維護(hù)的老井選擇合適的管柱，原來大部分氣井以壓裂管柱（φ88.9 mm 或φ73.0 mm 油管）為生產(chǎn)管柱。根據(jù)60 口井的統(tǒng)計(jì)，以φ88.9 mm 或φ73.0 mm油管為生產(chǎn)管柱氣井與產(chǎn)量相近的 30 口與以φ60.3 mm 油管為生產(chǎn)管柱氣井且經(jīng)過管柱優(yōu)化后的30 口比較，前者投產(chǎn)后初次采取人工助排措施的平均時間為210 d，后者為294 d，說明選擇合適尺寸的油管有利于使氣井長期保持較好的攜液能力，能夠延緩采取助排措施的時間。

表4 DF2 井不同階段最優(yōu)、次優(yōu)管柱直徑

大牛地氣田高、中、低產(chǎn)井分類方法與其他氣田不盡相同，但是分析氣井全生命周期排水最優(yōu)尺寸管柱方法可以供其他氣田借鑒。

表5 大牛地氣田不同類型氣井適用管柱

3 認(rèn)識

（1）大牛地氣田高產(chǎn)氣、低液氣比氣井最適應(yīng)的管柱為φ60.3 mm+φ48.0 mm 組合管柱，φ60.3 mm+φ48.0 mm 組合管柱在大牛地氣田適用性最廣，其次是φ60.3 mm 油管和φ50.8 mm 油管。

（2）大牛地氣田推廣使用φ60.3 mm+φ48.0 mm、φ60.3 mm 油管作為生產(chǎn)管柱，與使用φ88.9 mm、φ73.0 mm 油管相比，氣井投產(chǎn)后初次采取人工助排措施的平均時間得到延長。