水平井排水采氣工藝技術(shù)新進(jìn)展

周崇文 李永輝 劉通 朱國(guó) 張亞飛 (西南石油大學(xué))

水平井排水采氣工藝技術(shù)新進(jìn)展

周崇文 李永輝 劉通 朱國(guó) 張亞飛 (西南石油大學(xué))

川渝地區(qū)大多采用水平井開(kāi)采天然氣,井筒積液是氣藏開(kāi)發(fā)普遍存在的問(wèn)題,而水平段的積液對(duì)氣藏開(kāi)發(fā)的影響更大。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外石油科技工作者針對(duì)以上問(wèn)題,研發(fā)了一系列新型適用的水平井排水采氣工藝,如:電潛泵排水采氣、有桿泵排水采氣、橇裝小直徑連續(xù)油管排水采氣、氣舉排水采氣、泡沫排水采氣、分體式柱塞等工藝技術(shù),這些新技術(shù)提高了氣田產(chǎn)量。

水平井 排水采氣 井筒積液工藝技術(shù)

水平井一般都存在垂直段、彎曲段和水平段,但是它們不同的曲率半徑和造斜率都直接影響到舉升工藝的選擇。由此將水平井按軌跡分為短半徑水平井、中半徑水平井和長(zhǎng)半徑水平井。對(duì)于短半徑水平井,曲率半徑為 30～100 ft(1 ft=30.48 cm),造斜率為60°～200°/100 ft,在機(jī)械采氣過(guò)程中,只能把舉升設(shè)備下在垂直段。因?yàn)槎贪霃剿骄脑煨甭侍?各種舉升設(shè)備都無(wú)法順利地通過(guò)彎曲段,更不可能下在水平段。對(duì)于中半徑水平井,曲率半徑為300～600 ft,造斜率為10°～20°/ 100 ft,可以把舉升設(shè)備下在垂直段、彎曲段和水平段。對(duì)于長(zhǎng)半徑水平井,曲率半徑為 800～3 000 ft,造斜率為2°～7°/100 ft,既可以把舉升設(shè)備下在直井段,又可以下在彎曲段和水平段。

1 電潛泵排水采氣

1.1 工藝描述

電潛泵排水采氣工藝[1]是采用隨油管一起下入井底的多級(jí)離心泵裝置,將水淹氣井中的積液從油管中迅速排出,降低對(duì)井底的回壓,重新獲得一定的生產(chǎn)壓差,使水淹氣井重新復(fù)產(chǎn)的一種機(jī)械排水采氣生產(chǎn)工藝。其工藝流程是在地面變頻控制器的自動(dòng)控制下,電力經(jīng)過(guò)變壓器、接線(xiàn)盒、電力電纜,使井下電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多級(jí)離心泵作高速旋轉(zhuǎn)。井液通過(guò)旋轉(zhuǎn)式氣體分離器、多級(jí)離心泵、單流閥、油管、特種采氣井口裝置被舉升到地面排水管線(xiàn),進(jìn)行計(jì)量并處理。井復(fù)產(chǎn)后,氣水混合物經(jīng)油套環(huán)型空間、井口裝置、高壓輸氣管線(xiàn)進(jìn)入地面分離器,分離后的天然氣進(jìn)入輸氣管線(xiàn)集輸。

1.2 工藝特點(diǎn)及應(yīng)用情況

電潛泵排水采氣時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn):排量范圍大;揚(yáng)程范圍大;效率高;能最大限度地降低井底壓力,把氣采盡。但天然氣對(duì)泵的干擾嚴(yán)重,容易造成欠載停機(jī)。

美國(guó)的OV YX能源公司在西得克薩斯鉆了一口平均造斜率為12°/30.5 m的中曲率半徑水平井,使用的是5.12 in(1 in=25.4 mm)套管。完井測(cè)試后選擇了80.94 m3/d的電潛泵,裝在造斜點(diǎn)1 269 m深的垂直井段。因氣鎖改在水平段,為使之安全通過(guò)12°/30.5 m的彎曲段,采用了專(zhuān)用電泵。并輔以串聯(lián)密封室及專(zhuān)用氣體分離器、變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),并下壓力傳感器測(cè)泵吸入壓力。泵掛位置恰好在彎曲段尾部的水平部分,比原掛位置深

23.5 m,采液量增加了50%。根據(jù)此口井經(jīng)驗(yàn),該公司在另一口水平井中設(shè)計(jì)了一臺(tái)水平安裝的電潛泵。泵掛垂直深度2 147.2 m,比上一臺(tái)泵深

152.5 m,為減少泵的偏斜,采用7 in套管。采用這種設(shè)計(jì)使氣鎖問(wèn)題明顯減少,產(chǎn)液量上升20%。

2 有桿泵排水采氣

2.1 工藝描述

有桿泵排水采氣工藝[2]是針對(duì)有一定產(chǎn)能、動(dòng)液面較高、鄰近無(wú)高壓氣源或采取氣舉法已不經(jīng)濟(jì)的水淹井,采用井下分離器、深井泵、抽油桿、脫節(jié)器、抽油機(jī)等配套機(jī)械設(shè)備,進(jìn)行排液采氣的生產(chǎn)工藝。其工藝流程是將深井泵下入井筒動(dòng)液面以下的適當(dāng)深度,柱塞在抽油機(jī)帶動(dòng)下,在泵筒內(nèi)作上下往復(fù)抽汲運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到油管抽汲排液,套管產(chǎn)出天然氣的目的。桿式泵是最常見(jiàn)的人工舉升方法,也是斜井、水平井中最常使用的開(kāi)采技術(shù)。為了順利地把泵下入或通過(guò)長(zhǎng)曲率半徑井的彎曲段,必須解決抽油桿和油管的摩擦問(wèn)題。目前采用模壓抽油桿導(dǎo)向器,可降低磨損量。

如果桿式泵所在井段是彎曲的,那么最好采用帶撓性泵筒的泵,如插入泵。彎曲的井筒剖面可能使抽油泵裝置的組件變形,因而使泵的工作復(fù)雜化。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)井的試驗(yàn)證明,隨著井斜角的增大,泵閥的漏失量增加,閥座過(guò)早磨損。當(dāng)傾斜角為15°、45°和60°時(shí),泵排量將相應(yīng)地減少10%、25%和40%。但是,巴什基里亞許多油田的斜井開(kāi)采試驗(yàn)證明,將泵安裝在井筒傾角40°以下的井段,泵排量的變化非常小。抽油桿的免修期隨著井筒傾斜的增大而增加,但必須同時(shí)減小泵掛深度。

2.2 工藝特點(diǎn)及應(yīng)用情況

有桿泵排水采氣具有以下優(yōu)點(diǎn):安裝和操作比較簡(jiǎn)單;生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定;排量范圍大。其缺點(diǎn)為:排量受油管尺寸和泵掛深度的限制;對(duì)氣液比高、出砂或含有硫化物或其他腐蝕性物質(zhì)的井,容積效率降低;抽油桿柱在油管中的磨損將損壞油管,增加維修作業(yè)費(fèi)用。

前蘇聯(lián)阿爾蘭油氣開(kāi)采管理局曾選擇150口井采用桿式泵進(jìn)行開(kāi)采,井的最大傾角為0°～50°,泵徑為32～43 mm,含水0～25%。為減小井下設(shè)備的摩擦力采取了兩種技術(shù)措施:①在抽油裝置上安裝氣動(dòng)補(bǔ)償器,安裝氣動(dòng)補(bǔ)償器可減少水動(dòng)力摩擦力,由此可減少整個(gè)有桿泵的摩擦力;②采用帶差動(dòng)柱塞的桿式泵,這種方法是當(dāng)抽油桿柱上行時(shí),將井口和井筒傾斜組合段之間的液體段截?cái)?并分段上舉到井口。

3 橇裝小直徑連續(xù)油管排水采氣

3.1 工藝描述

橇裝小直徑連續(xù)油管排水采氣[3]是先關(guān)閉采氣井口主閥,依次在采氣井口頂部安裝防噴器組 (1個(gè)單閘板或1個(gè)雙閘板)和防噴管柱,并將確定長(zhǎng)度的加重管柱與小直徑連續(xù)管連接并裝入防噴管柱內(nèi),然后連接防噴器組、防噴管柱、密封管和注入頭,密封管加壓密封。此時(shí),打開(kāi)采氣井口主閥,檢查井口密封狀態(tài),當(dāng)密封無(wú)泄漏時(shí),開(kāi)始向井內(nèi)下入管柱。下入過(guò)程中注意控制下入速度和管柱重力指示,確保管柱重力指示線(xiàn)性增加,直至管柱下入預(yù)定深度。然后,根據(jù)工藝要求注入發(fā)泡劑開(kāi)始排水采氣。注劑完成后,按工藝要求提升管柱,同樣注意觀(guān)察管柱重力指示,確保管柱重力指示線(xiàn)性減少。當(dāng)工具起出至采氣井口主閥后,關(guān)閉主閥,依次拆卸注入頭、密封管,起出加重管柱和注劑頭,然后拆卸防噴管柱和防噴器組,恢復(fù)井口工作狀態(tài)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

納59井井深3 096 m,人工井底3 086 m, 1982年12月投產(chǎn),為低壓高產(chǎn)井。該井分別在1985年和1990年進(jìn)行了2次氣舉,1997年第1次修井,下入變頻機(jī)組電潛泵排水,至2006年先后4次修井。由于產(chǎn)水量小,機(jī)組不能有效冷卻,采用間歇工作制。最近1次修井于2006年8月21日完成并投產(chǎn),至11月3日,70 d分3次采氣,累計(jì)產(chǎn)氣13 300 m3,產(chǎn)水5 629 m3。納59井油管規(guī)格64 mm,套壓5.6 MPa,油壓1.8～2 MPa。小直徑管下入深度2 560 m,注劑時(shí)間5 d,累計(jì)注劑2 880 L,累計(jì)排水600 m3,累計(jì)產(chǎn)氣34.5× 104m3,平均產(chǎn)氣6.9×104m3/d。

4 氣舉排水采氣

4.1 工藝描述

氣舉排水采氣技術(shù)[4]是通過(guò)氣舉閥,從地面將高壓天然氣注入停噴的井中,利用氣體的能量舉升井筒中的液體,使井恢復(fù)生產(chǎn)能力。該工藝適用于弱噴、間歇自噴和水淹氣井。排量大,日排液量高達(dá)300 m3,適宜于氣藏強(qiáng)排液;適應(yīng)性廣,不受井深、井斜及地層水化學(xué)成分的限制,可應(yīng)用于斜井及水平井開(kāi)采;適用于中、低含硫氣井。該工藝設(shè)計(jì)、安裝較簡(jiǎn)單,易于管理,是一種少投入、多產(chǎn)出的先進(jìn)工藝技術(shù)。

多年來(lái)水平井的氣舉設(shè)計(jì)一直是采用與直井一樣的設(shè)計(jì)方法,在油管或油套環(huán)形空間內(nèi)的壓力損失計(jì)算也是用垂直管流的方法。由于在氣舉設(shè)計(jì)中設(shè)定了某些原有的安全系數(shù),所以該設(shè)計(jì)有時(shí)也可以成功地舉升這些定向井的液體。有些安全系數(shù)忽略了氣柱的質(zhì)量,而使用一個(gè)0.5 psi/ft(1 psi/ft =22.621 kPa/m)的中和液體來(lái)代替像原油那樣小于0.4 psi/ft梯度的中和液體。一般斜井氣舉施工的設(shè)計(jì)步驟為:①按井斜角確定垂直深度和測(cè)量油管長(zhǎng)度;②計(jì)算所鉆斜井的壓力分布,并將其轉(zhuǎn)換成直井深度的當(dāng)量壓力;③采用常規(guī)方法計(jì)算壓力分布來(lái)設(shè)計(jì)氣舉裝置;④用常規(guī)方法確定間隙。隨著井斜角的不同,氣舉注氣點(diǎn)將會(huì)發(fā)生變化。對(duì)相同的氣舉工作壓力,這些注氣點(diǎn)將隨井斜角的增加而提高。

4.2 應(yīng)用情況

ExxonMobil公司在大斜度井中安裝了氣舉閥,目的是進(jìn)行排水卸載,由于采用單點(diǎn)注氣的方式,因此是一種高壓氣舉。措施雖然實(shí)現(xiàn)了工藝目標(biāo),但最大難題是在更換氣舉閥時(shí)不能準(zhǔn)確定位與投撈,無(wú)論是采用鋼絲作業(yè)還是連續(xù)油管作業(yè)進(jìn)行投撈,都沒(méi)有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程,因此,投撈失敗是不可避免的。

圖1 ExxonMobil公司在大斜度井應(yīng)用氣舉技術(shù)完井管柱

5 泡沫排水采氣

5.1 工藝描述

泡沫排水采氣技術(shù)[5]是通過(guò)地面設(shè)備向井內(nèi)注入泡沫助采劑,降低井內(nèi)積液的表面張力和界面張力,使其呈低表面張力和高表面黏度的狀態(tài),利用井內(nèi)自生氣體或注入外部氣源 (天然氣或液氮)產(chǎn)生泡沫。泡沫是氣體分散于液體中的分散體系:氣體是分散相 (不連續(xù)相),液體是分散介質(zhì) (連續(xù)相)。由于氣體與液體的密度相差很大,故在液體中的氣泡總是很快上升至液面,使液體以泡沫的方式被帶出,達(dá)到排出井內(nèi)積液的目的。

5.2 優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況

該技術(shù)適用于低壓、水產(chǎn)量不大的氣井,尤其適用于弱噴或間歇自噴氣水井,日排液量在120 m3/d以下,井深一般不受限制。該工藝管理、操作極為方便,且投資少,效益高,易推廣,是一種非常經(jīng)濟(jì)、有效的排液采氣技術(shù)。

前蘇聯(lián)在克拉斯諾達(dá)爾、謝別林卡等氣田大量地進(jìn)行泡沫排液,具有很高的成功率。如克拉斯諾達(dá)爾地區(qū),幾年間處理井次達(dá)3 500次以上,多采出天然氣4×108m3。美國(guó)在堪薩斯州和俄克拉荷馬州氣田用起泡劑施工了200口井,成功率也高達(dá)90%以上。目前在我國(guó)四川新場(chǎng)氣田已累計(jì)指導(dǎo)施工200多口井以上,施工成功率高達(dá)95%以上,增產(chǎn)天然氣約41.1×106m3。

6 分體式柱塞

6.1 工藝描述

分體式柱塞[6](圖2)由兩部分組成:一個(gè)空心圓柱體和一個(gè)圓球。生產(chǎn)時(shí)讓兩部分在不同時(shí)間下落,使氣體先后從球的兩側(cè)和圓柱體的內(nèi)部通過(guò)。一旦圓柱體到達(dá)井筒底部,它就會(huì)與小球發(fā)生撞擊,球就會(huì)進(jìn)入圓柱的內(nèi)腔。這時(shí),氣體就只能在圓柱體的底部運(yùn)動(dòng),而不能穿過(guò)圓柱體,運(yùn)動(dòng)的氣流產(chǎn)生了推動(dòng)力,就會(huì)推動(dòng)這個(gè)帶有小球的圓柱體向上運(yùn)動(dòng),從而把液體舉升到地面。到達(dá)地面時(shí),防噴管內(nèi)帶有一個(gè)銅棒,銅棒撞擊小球,使小球與圓柱體分離,小球就會(huì)下落,然后再打開(kāi)柱塞接收器釋放空心圓柱,這樣就完成了一次循環(huán)。這樣的一次循環(huán)需要5～10 s的關(guān)井時(shí)間,這樣短時(shí)間的生產(chǎn)間歇,比較同等壓力下常規(guī)柱塞氣舉,產(chǎn)量有了很大的提高。由于減少了關(guān)井時(shí)間,產(chǎn)量損失降至最小,并且井底的積液不會(huì)回灌到儲(chǔ)層中。這種連續(xù)排液的方法使井底不再存留液體,從而減小了積液對(duì)氣體滲流的影響。

圖2 分體式柱塞結(jié)構(gòu)

6.2 應(yīng)用情況

美國(guó)南得克薩斯州油田最初使用毛細(xì)管管柱進(jìn)行排液,取得了很好的效果,但是隨著井中凝析油的產(chǎn)生,使毛細(xì)管管柱舉升很難達(dá)到預(yù)期效果,并且使用的化學(xué)劑 (起泡劑)的費(fèi)用也很高。2002年10月,油田安裝了分體式柱塞舉升系統(tǒng),產(chǎn)量增加并一直持續(xù)穩(wěn)產(chǎn),每天大約新增產(chǎn)量30 000～50 000 ft3(1 ft3=28.317 dm3)。早期使用毛細(xì)管管柱排液時(shí),需要注入化學(xué)劑,每月要花費(fèi)1 740美元,現(xiàn)在使用分體式柱塞氣舉,這項(xiàng)花費(fèi)可以全部節(jié)省。

7 認(rèn)識(shí)及結(jié)論

(1)不同水平井排水采氣工藝技術(shù)均有各自的技術(shù)特點(diǎn)、適用范圍和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。在油氣田生產(chǎn)和排水采氣作業(yè)過(guò)程中,根據(jù)水平井井眼軌跡的特點(diǎn),對(duì)工藝的可行性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和優(yōu)選。

(2)井眼軌跡對(duì)排液工藝影響分析表明:對(duì)于短半徑水平井,其造斜率過(guò)大,舉升設(shè)備只能下在直井段;而對(duì)于中、長(zhǎng)半徑水平井,可優(yōu)選排液工藝,將舉升設(shè)備下至斜井段。

(3)分體式柱塞是一種新型的排水采氣工藝,具有比較廣闊的應(yīng)用前景。與常規(guī)柱塞氣舉相比,它可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)井,縮短了關(guān)井時(shí)間,從而提高了氣井產(chǎn)量。

[1] ESPs provide practicalliftforhorizontal wells.The American Oil and Gas Reporter, 1990(6).

[2]朱其秀.國(guó)外大斜度井和水平井的采氣(油)工藝技術(shù)[J].鉆采工藝,1998.

[3]張書(shū)平,吳革生,等.橇裝小直徑連續(xù)油管排水采氣[J].天然氣工業(yè),2008.

[4]Gas liftusage can horizontal well production.The American Oil and Gas Reporter, 1990(6).

[5]李士倫,等.天然氣工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[6]D Garg,J F Lea,J Cox,et al.New considerations formondeling plunger performance [R]:SPE 93997,2004.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.014

2009-04-29)