低壓深井柱塞氣舉排水采氣技術(shù)研究及應(yīng)用

張 婷,唐寒冰,朱 鵬,楊 智,葉長(zhǎng)青,彭 楊

中國(guó)石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院

0 引言

氣井出水問(wèn)題，目前工藝上有多種解決方法，如優(yōu)選管柱、氣舉、泡沫排水、機(jī)抽、電潛泵、射流泵等[1-12]。但針對(duì)低壓、小產(chǎn)水量氣井的排采技術(shù)，如果采用優(yōu)選管柱、氣舉、電潛泵等排水采氣工藝，將增大作業(yè)費(fèi)用和建設(shè)周期，影響氣井生產(chǎn)；而泡排劑的長(zhǎng)期使用不可避免地對(duì)產(chǎn)層造成傷害，影響氣藏最終采收率。柱塞氣舉技術(shù)具有設(shè)備投資少、施工作業(yè)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，是目前川渝地區(qū)低壓小產(chǎn)量氣井經(jīng)濟(jì)效益開(kāi)采最重要的技術(shù)手段，在井深小于4 000 m常規(guī)氣井中應(yīng)用效果顯著[13-15]。但是，在川渝氣田井深超過(guò)4 500 m、井筒壓力梯度不足0.2 MPa/100 m的產(chǎn)水氣井中，尚無(wú)應(yīng)用先例。這類井主要分布在川東地區(qū)，產(chǎn)液量?jī)H1～3 m3，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)工藝難以實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)采。

1 低壓小產(chǎn)量深井生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 低壓小產(chǎn)量深井生產(chǎn)現(xiàn)狀

川渝老氣田有水氣藏已投產(chǎn)的110個(gè)氣田中，產(chǎn)水氣田有104個(gè)，占?xì)馓锟倲?shù)的94.5%，近半數(shù)投產(chǎn)氣井產(chǎn)水。其中，日產(chǎn)水量小于10 m3的井占到產(chǎn)水氣井總數(shù)的85.56%(圖1)。以川東地區(qū)為例，日產(chǎn)氣量小于1.5×104m3、井口生產(chǎn)壓力小于2 MPa的氣井超過(guò) 50%，呈現(xiàn)出低壓、低產(chǎn)、小液量的生產(chǎn)特點(diǎn)(表1)。在蜀南、川西地區(qū)，該類井以中淺層氣井為主，主要采用間歇生產(chǎn)和泡排、柱塞氣舉工藝維持生產(chǎn)。而在川東地區(qū)，石炭系氣藏為主力氣藏，占總井?dāng)?shù)66.7%，氣井以高溫、深井為主，平均井深超過(guò)5 000 m，井溫90～120 ℃;且井型多樣，有大量斜井和水平井，生產(chǎn)管柱復(fù)雜，螺桿泵等大部分泵類工藝不適應(yīng)該類型氣井。同時(shí)，低壓、小產(chǎn)量的生產(chǎn)特點(diǎn)，使得氣舉等常規(guī)工藝在技術(shù)上基本可行，但因不“經(jīng)濟(jì)有效”，無(wú)法推廣，導(dǎo)致大部分氣井后期只能間歇生產(chǎn)甚至直接關(guān)停。

圖1 川渝氣田不同產(chǎn)水井所占比例

表1 川東地區(qū)產(chǎn)水氣井生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)

1.2 柱塞氣舉技術(shù)應(yīng)用存在的問(wèn)題

近年來(lái)，通過(guò)工具自主研制和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)推廣，柱塞氣舉技術(shù)在川渝氣田淺層氣井中已應(yīng)用100余井次，同時(shí)在長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣等非常規(guī)氣井中也得到了大量應(yīng)用，是目前小產(chǎn)量氣井最為經(jīng)濟(jì)有效的排水采氣技術(shù)。但在井深超4 500 m的低壓小液量氣井中尚未得到應(yīng)用，主要是因?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面的制約：

(1)設(shè)計(jì)方法不適應(yīng)。柱塞氣舉設(shè)計(jì)在選井時(shí)，要求生產(chǎn)氣液比在油套連通時(shí)不小于每千米200 m3/m3，油套不連通時(shí)不小于每千米1 100 m3/m3，而低壓小產(chǎn)量深井的氣液比往往達(dá)不到這一要求。這是因?yàn)橹麣馀e設(shè)計(jì)時(shí)，采用福斯(Foss)—格爾(Gaul)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法計(jì)算，主要考慮井筒儲(chǔ)集效應(yīng)，沒(méi)有考慮開(kāi)井初期地層流體流入對(duì)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)影響[16],與實(shí)際情況相比，所需的氣液比和最小啟動(dòng)壓力偏高。從而在柱塞選井時(shí)，將一大批適合柱塞氣舉工藝的井排除，工藝適應(yīng)范圍小。

(2)深井舉升效率低。在TD91井開(kāi)展了深井柱塞氣舉試驗(yàn)。該井為連續(xù)自噴生產(chǎn)井，但因地層壓力低(9.2 MPa/5 030 m),需要間歇替噴排除井底積液。通過(guò)柱塞工藝前后生產(chǎn)情況對(duì)比(表2)，柱塞帶液效果不明顯，產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量均有所下降。導(dǎo)致產(chǎn)量下降的原因有兩個(gè)：一是有效生產(chǎn)時(shí)間縮短，工藝前為連續(xù)生產(chǎn)，工藝后每天生產(chǎn)時(shí)間為22 h；二是柱塞舉升效率低，該井柱塞運(yùn)行深度為4 946.65 m，常規(guī)彈塊柱塞在低壓深井中上升速度慢(僅0.85 m/s)，上行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(70 min)，導(dǎo)致漏失量大，舉升效率低。若要在深井中實(shí)施柱塞氣舉工藝，需要優(yōu)選柱塞類型，或研發(fā)低漏失柱塞，提高舉升效率。

表2 TD91井柱塞前后生產(chǎn)情況對(duì)比

(3)地面流程復(fù)雜，壓力損失大。柱塞工藝實(shí)施時(shí)，薄膜閥連入生產(chǎn)流程涉及到切割及動(dòng)火焊接作業(yè)，單井施工需要4～5 d，施工量大，改造費(fèi)用偏高，且過(guò)程中存在諸多的高風(fēng)險(xiǎn)因素。同時(shí)，薄膜閥接口和現(xiàn)場(chǎng)流程的法蘭連接接口不匹配，無(wú)法進(jìn)行直接安裝，需要在原有流程的基礎(chǔ)上安裝新的流程，這種安裝方式導(dǎo)致地面彎頭增多，摩阻損失增大，使柱塞氣舉效果變差。

2 低壓深井柱塞氣舉技術(shù)

2.1 低壓深井柱塞氣舉設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

柱塞正常運(yùn)行不僅要達(dá)到一定產(chǎn)量，還需要在柱塞上下端形成一定壓差，才能推動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)，這個(gè)壓差是柱塞能夠正常運(yùn)行最關(guān)鍵的參數(shù)。假設(shè)普通柱塞氣舉的能量主要來(lái)源于儲(chǔ)存在套管中的高壓氣體，當(dāng)開(kāi)井生產(chǎn)時(shí)，套管中的氣體向油管膨脹，到達(dá)柱塞下端，推動(dòng)柱塞和液體段塞向上運(yùn)動(dòng)。如果套管中氣體能量高，柱塞及液體載荷能夠運(yùn)動(dòng)達(dá)到井口，那么就能進(jìn)行正常柱塞氣舉;否則，柱塞及液體載荷不能達(dá)到井口。柱塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要克服最小油壓、周期排水量的重力損失和摩阻損失以及柱塞本身重量，所需最小啟動(dòng)壓力(最小套壓)如公式(1)所示。由于最小套壓是環(huán)空中氣體在最大套壓下膨脹的結(jié)果，那么由氣體定律可計(jì)算最大套壓。忽略氣體膨脹時(shí)其偏差系數(shù)的差異，最大套壓如公式(2)所示：

pcmin=ptmin+(p1h+p1f)ω+pp+pf

(1)

(2)

式中:ptmin—最小油壓，MPa；p1h—舉升1 m3液體段塞的靜液柱壓力，MPa；p1f—舉升1 m3液體段塞的摩阻壓力，MPa；ω—周期排水量，m3；pp—克服柱塞重量所需的壓力，一般取0.04 MPa；pf—柱塞以下油管長(zhǎng)度上的氣體摩阻，MPa；Ac—套管面積，m2；At—油管面積，m2。

以上計(jì)算方法是假設(shè)氣井在柱塞舉升期間產(chǎn)氣量為零，計(jì)算結(jié)果比實(shí)際值偏大，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不符合，選井范圍窄，無(wú)法在低壓深井中應(yīng)用。

為克服常規(guī)設(shè)計(jì)方法僅考慮套管氣對(duì)柱塞影響的局限性，針對(duì)低壓小產(chǎn)量深井，構(gòu)建了基于井筒流入、套管壓力等多因素的流動(dòng)模型，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)(包括關(guān)井套壓、生產(chǎn)輸壓、工藝深度、產(chǎn)量、產(chǎn)水壓差、柱塞上行速度、開(kāi)井套壓下降差值、載荷系數(shù))計(jì)算柱塞啟動(dòng)壓力,如公式(3)，系數(shù)取值見(jiàn)表3，建立柱塞啟動(dòng)壓力指導(dǎo)圖版(圖2)，設(shè)計(jì)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)符合率從60%提升至95%。

圖2 柱塞啟動(dòng)壓力指導(dǎo)圖版

表3 系數(shù)取值表

(3)

式中：p—套壓與輸壓的差值，MPa;H—柱塞卡定器深度，m;G—日產(chǎn)氣量，104m3;L—日產(chǎn)液，m3;a=A1+B1H+C1H2+D1H3;b=A2+B2H+C2H2+D2H3;c=A3+B3H+C3H2+D3H3;d=A4+B4H+C4H2+D4H3。

2.2 低漏失自密封柱塞

針對(duì)柱塞在上升時(shí)因重力原因偏向一邊，造成液體滑脫的問(wèn)題，通過(guò)在柱塞本體上設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)流道，使柱塞保持居中，易于啟動(dòng)；同時(shí)設(shè)計(jì)噴射孔(圖3)，旋轉(zhuǎn)上升時(shí)讓氣流從柱塞內(nèi)部噴出，在柱塞與油管壁產(chǎn)生動(dòng)態(tài)密封氣環(huán);同時(shí)在柱塞表面設(shè)計(jì)有凹槽、螺旋或其他形狀，使柱塞表面形成湍流，減少柱塞運(yùn)行中的液體漏失，提高舉升效率。

圖3 低漏失自密封柱塞

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同的舉升條件下，自密封低漏失柱塞比常規(guī)柱塞漏失量減少20%～30%(表4)；川東某低壓深井采用該型柱塞后，產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量均得到顯著提升(圖4)。

圖4 常規(guī)柱塞(彈塊)與低漏失自密封柱塞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果對(duì)比圖

表4 不同柱塞舉升效率對(duì)比

2.3 柱塞工藝流程簡(jiǎn)化

川渝氣田井口流程通常帶有測(cè)溫測(cè)壓套和轉(zhuǎn)換法蘭短接，由于氣井處于生產(chǎn)后期，不再進(jìn)行井口節(jié)流，測(cè)溫測(cè)壓套監(jiān)測(cè)氣井生產(chǎn)的作用已經(jīng)大幅降低。

通過(guò)優(yōu)化氣動(dòng)薄膜閥接口設(shè)計(jì)，薄膜閥采用兩端絲扣法蘭連接現(xiàn)有生產(chǎn)流程和轉(zhuǎn)換法蘭，直接替換原井口測(cè)溫測(cè)壓套和轉(zhuǎn)換法蘭短接，流程改造過(guò)程不需要?jiǎng)踊鸷附幼鳂I(yè)或新增流程，解決了流程改造工作量大、地面彎頭多、摩阻大的問(wèn)題，單井可節(jié)約改造費(fèi)用約1.0萬(wàn)元。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

采用低壓深井柱塞氣舉設(shè)計(jì)方法，通過(guò)工藝論證，優(yōu)選15口井開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，成功率100%，單井產(chǎn)氣量提高均超過(guò)20%，最高達(dá)6倍，運(yùn)行井深達(dá)4 963 m，地層壓力系數(shù)最低至0.1 MPa/100 m，實(shí)施工藝后，有效延緩了氣井遞減速度，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果如表5、圖5所示。

表5 部分深井柱塞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)表

圖5 TD84井柱塞氣舉前后生產(chǎn)對(duì)比圖

3 結(jié)論及建議

(1)通過(guò)引入井筒流入、套管壓力等多影響因素，建立的柱塞啟動(dòng)壓力指導(dǎo)圖版和設(shè)計(jì)方法較常規(guī)設(shè)計(jì)方法更適應(yīng)低壓小產(chǎn)量深井，可以大幅拓寬工藝適用范圍。

(2)研發(fā)的自密封低漏失柱塞與常規(guī)柱塞相比，柱塞運(yùn)行過(guò)程中漏失量降低20%～30%，能夠有效提高舉升效率，更適合低壓小液量深井。

(3)通過(guò)地面流程優(yōu)化設(shè)計(jì)，將薄膜閥兩端采用絲扣連接，替換原有的測(cè)溫測(cè)壓套和轉(zhuǎn)換法蘭短接，簡(jiǎn)化地面流程，降低地面壓力損失，提高柱塞舉升效果，單井可減少改造費(fèi)用約1.0萬(wàn)元，使柱塞氣舉達(dá)到氣舉效果和經(jīng)濟(jì)效益最大化。

(4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，低壓深井柱塞氣舉是適應(yīng)小產(chǎn)量深井的一項(xiàng)排水采氣技術(shù)，可延緩氣井遞減，提高該類小產(chǎn)量深井的開(kāi)發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益。