頁(yè)巖氣全生命周期氣舉排水采氣技術(shù)研究與應(yīng)用

方志剛 王振松 馬 斌 王 偉 齊韋林 李南星

（中國(guó)石油吐哈油田公司工程技術(shù)研究院）

“十四五”期間，天然氣仍是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要增長(zhǎng)點(diǎn)和主力軍。我國(guó)天然氣年產(chǎn)量2020年達(dá)到 1925×108m3，2025年預(yù)計(jì)達(dá)到 2300×108m3以上，其中以頁(yè)巖氣、致密氣資源為主的非常規(guī)資源成為天然氣上產(chǎn)的重要領(lǐng)域[1-3]。頁(yè)巖氣藏一般采用“水平井+體積壓裂”主體開發(fā)技術(shù)，多表現(xiàn)為早期遞減快、低產(chǎn)期生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)、壓裂液返排持續(xù)整個(gè)生產(chǎn)期等特征。因此，排水采氣工藝需較早介入且貫穿整個(gè)氣藏開采期。排水采氣對(duì)于延緩與避免氣井水淹、改善氣藏生產(chǎn)狀況、提高氣藏開發(fā)效益與采收率有著舉足輕重的作用。目前國(guó)外北美致密氣開發(fā)針對(duì)氣井不同生產(chǎn)階段形成了以泡排、氣舉及柱塞等為主體的排水采氣工藝，國(guó)內(nèi)西南地區(qū)頁(yè)巖氣也初步形成了以優(yōu)選管柱、水平井柱塞、平臺(tái)井泡沫排水（泡排）為主的排采工藝體系，有力支撐了頁(yè)巖氣產(chǎn)能建設(shè)與維護(hù)[4]。然而，上述相關(guān)技術(shù)是針對(duì)不同開發(fā)階段進(jìn)行的獨(dú)立技術(shù)配套，尚未形成能夠適應(yīng)頁(yè)巖氣井生產(chǎn)早、中、后期的排水采氣技術(shù)，氣井在生產(chǎn)周期內(nèi)需要多次轉(zhuǎn)換排水采氣方式。本文研究提出了頁(yè)巖氣全生命周期氣舉排水采氣理念，創(chuàng)新形成關(guān)鍵配套技術(shù)，對(duì)于有效提高頁(yè)巖氣井開發(fā)效果和效益、進(jìn)一步提升氣舉排水采氣技術(shù)水平具有重要意義。

1 頁(yè)巖氣井全生命周期氣舉排水采氣技術(shù)

1.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

頁(yè)巖氣全生命周期氣舉排水采氣技術(shù)根據(jù)頁(yè)巖氣井不同階段的生產(chǎn)特征[5]，在前期方案規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，制訂貫穿頁(yè)巖氣井全生命周期的技術(shù)策略，減少不必要的排采方式變更，降低技術(shù)成本；在早期排采階段，以多級(jí)氣舉閥氣舉技術(shù)為核心，采用一趟管柱完井技術(shù)，可有效降低投資費(fèi)用，減少儲(chǔ)層傷害；在氣井生產(chǎn)中后期，為提高氣舉排水采氣效率，降低單位采氣成本，根據(jù)氣井產(chǎn)液量水平，選擇柱塞氣舉、氣舉+泡排、氣舉+速度管柱、氣舉+噴射泵、負(fù)壓回注等復(fù)合氣舉方式[6-9]。最終通過(guò)技術(shù)集成和配套，打造貫穿頁(yè)巖氣井整個(gè)排采期的全生命周期氣舉排水采氣技術(shù)體系，滿足頁(yè)巖氣井不同生產(chǎn)階段排水采氣技術(shù)需求。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 工藝管柱設(shè)計(jì)及關(guān)鍵工具研制

為了同時(shí)滿足頁(yè)巖氣井全生命周期排采需求及儲(chǔ)層保護(hù)要求，研究設(shè)計(jì)了帶壓作業(yè)一體化氣舉完井管柱，分為可投撈式帶壓作業(yè)管柱與固定式帶壓作業(yè)管柱兩種（圖1）。其中，可投撈式管柱配套投撈式氣舉閥與工作筒，結(jié)合大斜度投撈工具，可在井斜角度小于等于67°的大斜度井段實(shí)現(xiàn)氣舉閥排液；固定式管柱配套固定式氣舉閥與全通徑氣舉工作筒，可以一趟管柱實(shí)現(xiàn)連續(xù)氣舉與柱塞氣舉兩種排采方式的轉(zhuǎn)換。兩種管柱配套工具均適用于φ114.3mm以上規(guī)格套管。

圖1 帶壓作業(yè)一體化氣舉完井管柱類型

（1）固定式全通徑氣舉工作筒。該工作筒最大承壓為50MPa，整體采用雙偏心設(shè)計(jì)，確保油管與氣舉工作筒中心、通徑一致，不動(dòng)管柱就可實(shí)現(xiàn)連續(xù)氣舉與柱塞氣舉的轉(zhuǎn)換。

（2）投撈式高壓氣舉工作筒。為適應(yīng)頁(yè)巖氣井的高壓工作環(huán)境，優(yōu)化了常規(guī)氣舉工作筒的材料與加工工藝，研制投撈式高壓氣舉工作筒，最大工作壓力達(dá)70MPa。

（3）高壓氣舉閥。由于頁(yè)巖氣井生產(chǎn)初期排液量較大，導(dǎo)致氣舉閥充氣壓力高，創(chuàng)新研制了高壓氣舉閥，波紋管最高承壓為35MPa，包括固定式與投撈式兩種規(guī)格，可滿足現(xiàn)場(chǎng)不同氣舉管柱的使用需求。

（4）大斜度井專用鋼絲投撈工具串。水平井井斜大，工具串下井困難，投撈過(guò)程中震擊力傳遞有限。研究開發(fā)一套高沖力整裝投撈工具串（圖2），在鋼絲投撈工具串上安裝多個(gè)滑輪扶正器，降低工具串與井壁摩阻，滑輪扶正，滾球靈活，摩擦力小，對(duì)油管無(wú)損傷；將液壓上擊震擊器和管式震擊器配合使用，加大震擊力，降低工具串中途遇卡的風(fēng)險(xiǎn)；另外，縮短工具串整體長(zhǎng)度，保證順利通過(guò)造斜段。

圖2 高沖力整裝投撈工具串

1.2.2 寬液量氣舉排水采氣設(shè)計(jì)方法

通常情況下，氣舉設(shè)計(jì)追求絕對(duì)的單點(diǎn)注氣工況和更深的排液深度。由于氣井不同于油井生產(chǎn)特征，尤其是頁(yè)巖氣井在各生產(chǎn)階段及氣舉排液過(guò)程中產(chǎn)量、壓力變化較大，常規(guī)的氣舉布閥設(shè)計(jì)方法不能適用[10-14]。研究提出了寬液量氣舉排水采氣布閥設(shè)計(jì)方法，開發(fā)設(shè)計(jì)軟件（圖3），可滿足頁(yè)巖氣井全生命周期氣舉排水采氣技術(shù)需求，提高頁(yè)巖氣井氣舉排液成功率。該設(shè)計(jì)方法具有如下主要特點(diǎn)：

圖3 寬液量氣舉排水采氣布閥設(shè)計(jì)方法

（1）引入最優(yōu)梯度概念。氣舉設(shè)計(jì)目標(biāo)由產(chǎn)量調(diào)整為井底流壓，建立了以混合流體密度、含氣率、摩阻校正系數(shù)為基礎(chǔ)的最優(yōu)梯度計(jì)算方法，消減產(chǎn)液量變化對(duì)氣舉布閥設(shè)計(jì)的影響，實(shí)現(xiàn)寬液量范圍安全布閥。

（2）建立氣舉閥壓降設(shè)計(jì)新方法。引入間歇?dú)馀e最小流壓梯度概念，通過(guò)最小梯度計(jì)算氣舉閥閥間壓降，結(jié)合最優(yōu)設(shè)計(jì)梯度進(jìn)行閥間距設(shè)計(jì)，將間歇?dú)馀e、連續(xù)氣舉布閥設(shè)計(jì)方法有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)寬氣液比條件的安全布閥，降低了閥間干擾，保障工況穩(wěn)定。

（3）反向布閥設(shè)計(jì)思路。以最大注氣深度為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，以氣舉閥過(guò)氣壓差為約束條件，建立反向布閥設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)氣井排采深度最大、氣舉啟動(dòng)壓力最優(yōu)、整體設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)有效。

1.2.3 智能柱塞氣舉技術(shù)

在氣井生產(chǎn)中期，液量下降導(dǎo)致連續(xù)氣舉舉升效率降低，需配套采用柱塞氣舉排水采氣技術(shù)。該技術(shù)主要包括設(shè)計(jì)方法、智能裝備、優(yōu)化算法[15-17]。其中，設(shè)計(jì)方法采用載荷系數(shù)法，保證柱塞氣舉的可行性及初始設(shè)計(jì)的可靠性。裝備方面，開發(fā)了智能雙控制器，實(shí)現(xiàn)本井氣與外加氣源兩種柱塞氣舉方式；運(yùn)用一體化遠(yuǎn)傳裝置、電動(dòng)球閥、數(shù)字儀表，實(shí)現(xiàn)柱塞氣舉遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。柱塞氣舉制度優(yōu)化方面，堅(jiān)持優(yōu)化是設(shè)計(jì)的延續(xù)技術(shù)理念，選取載荷系數(shù)、液段速度作為控制參數(shù)，最小套壓作為產(chǎn)能評(píng)價(jià)參數(shù)，液段到達(dá)率作為工況評(píng)價(jià)參數(shù)，建立優(yōu)化算法（圖4），確保系統(tǒng)始終在最佳狀態(tài)運(yùn)行。

圖4 柱塞氣舉優(yōu)化算法

1.2.4 氣舉復(fù)合排水采氣技術(shù)

氣井生產(chǎn)后期，由于地層壓力、產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量降低，連續(xù)氣舉排水采氣技術(shù)適應(yīng)性逐漸降低。為了進(jìn)一步挖掘氣井潛力，提高氣井儲(chǔ)量動(dòng)用水平，研究提出氣舉復(fù)合排水采氣技術(shù)[18]。該技術(shù)依托一體化氣舉完井管柱，一次下入完井管柱，通過(guò)井口改造、鋼絲作業(yè)、地面設(shè)備配套，多種工藝兼容、配合，實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱就可轉(zhuǎn)換氣舉采氣方式，開采氣井直至廢棄。

對(duì)于生產(chǎn)后期中低產(chǎn)液量井，使用氣舉+泡排（圖5）、氣舉+速度管柱復(fù)合舉升技術(shù)，依靠泡沫或速度管柱來(lái)降低滑脫損失，有效解決了這類井滑脫損失較大、連續(xù)氣舉效率降低的問(wèn)題，提高了連續(xù)氣舉舉升效率，延長(zhǎng)了氣井排水采氣生產(chǎn)周期。2021年，氣舉+泡排采氣技術(shù)在澀北氣田現(xiàn)場(chǎng)累計(jì)試驗(yàn)11井次，平均單井注氣量由15000m3/d降至7000m3/d以下，有效提高了低產(chǎn)液量排水采氣井的連續(xù)氣舉舉升效率。

圖5 氣舉+泡排復(fù)合舉升管柱

對(duì)于生產(chǎn)后期地層壓力系數(shù)為0.2～0.3的氣井，一般排水采氣技術(shù)無(wú)法達(dá)到足夠的生產(chǎn)壓差，導(dǎo)致氣井產(chǎn)能較低。氣舉+噴射泵排水采氣技術(shù)[19]利用噴射泵換能及噴嘴霧化原理（圖6），增大氣井生產(chǎn)壓差，降低臨界攜液氣量，使氣井在地層壓力系數(shù)為0.2時(shí)也能正常攜液生產(chǎn)。2021年現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1井次，氣井增產(chǎn)幅度達(dá)到30%。

圖6 氣舉+噴射泵舉升原理

對(duì)于生產(chǎn)末期低產(chǎn)液、低產(chǎn)氣井，產(chǎn)氣量無(wú)法正常攜液生產(chǎn)，通常會(huì)導(dǎo)致積液停噴。采用負(fù)壓回注技術(shù)，利用氣體回注原理，增大井筒內(nèi)氣體流速，配合地面控制設(shè)備及控制算法（圖7），實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)低壓氣井連續(xù)攜液生產(chǎn)，理論上能夠適應(yīng)地層壓力系數(shù)為0.1～0.2的低產(chǎn)低效氣井。該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2口井，最低地層壓力系數(shù)為0.22，試驗(yàn)前兩口井處于積液停噴狀態(tài)，負(fù)壓回注后均實(shí)現(xiàn)連續(xù)攜液生產(chǎn)（表1）。

圖7 負(fù)壓回注排水采氣技術(shù)控制流程

表1 負(fù)壓回注現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

1.2.5 智能化管理技術(shù)

為提高氣舉井管理效率，降低現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成本，開發(fā)了氣舉遠(yuǎn)程智能診斷及優(yōu)化平臺(tái)（圖8）[20-22]。平臺(tái)以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，以實(shí)時(shí)診斷及生產(chǎn)優(yōu)化為核心，搭載智能化算法，配套故障報(bào)警、氣舉設(shè)計(jì)等功能，對(duì)整個(gè)氣舉系統(tǒng)實(shí)施智能控制。其中，氣舉智能優(yōu)化系統(tǒng)可讀取數(shù)據(jù)庫(kù)單井靜態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控地面油壓、套壓及注氣量等參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算分析氣舉井工況與單井最優(yōu)注氣量，通過(guò)遠(yuǎn)程模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)集中增壓氣舉單井注氣量?jī)?yōu)化。

圖8 氣舉遠(yuǎn)程智能診斷及優(yōu)化平臺(tái)界面

氣舉遠(yuǎn)程智能診斷及優(yōu)化平臺(tái)通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的整合與應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)氣舉井的實(shí)時(shí)工況診斷預(yù)警與遠(yuǎn)程控制，以及氣舉系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化。該系統(tǒng)預(yù)計(jì)可節(jié)約人力成本50%以上，節(jié)約氣量10%以上。

2 應(yīng)用效果及前景

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

目前一體化氣舉完井管柱累計(jì)在6個(gè)油氣田應(yīng)用87井次，管柱實(shí)現(xiàn)最深注氣深度4500m，帶壓作業(yè)施工成功率達(dá)到100%，投撈28井次，累計(jì)投撈氣舉閥168閥次，投撈最大井斜度為67°，一次投撈施工成功率為92%，完成氣舉排液45井次，排液過(guò)程產(chǎn)水量為14～134m3/d，產(chǎn)水量范圍涵蓋了頁(yè)巖氣井生產(chǎn)各個(gè)階段，排液后初期產(chǎn)氣量超過(guò)3×104m3/d，施工效果良好，實(shí)現(xiàn)了單井穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的目的。

氣舉復(fù)合舉升技術(shù)累計(jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用15井次，適應(yīng)最低地層壓力系數(shù)為0.22，最低產(chǎn)氣量為1500m3/d，平均單井增氣量達(dá)到1000m3/d以上，低產(chǎn)低壓氣井實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，氣井排采生產(chǎn)期大幅延長(zhǎng)。

2.2 技術(shù)應(yīng)用前景

全生命周期氣舉排水采氣技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水平井一次作業(yè)即可滿足全生命周期的排水采氣技術(shù)需求，減少了作業(yè)次數(shù)，預(yù)計(jì)可降低氣井排水采氣作業(yè)成本20%以上。在相同的單井動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量下，全生命周期氣舉排水采氣技術(shù)相比于目前低壓低產(chǎn)階段常用的柱塞氣舉排水采氣技術(shù)，能夠?qū)⒐に囘m應(yīng)的最低地層壓力系數(shù)由0.15降低至0.1。根據(jù)公式計(jì)算單井可采儲(chǔ)量，預(yù)計(jì)可提高采收率3%～6%（圖9）。

圖9 全生命周期氣舉技術(shù)采收率

3 結(jié)論

（1）一體化氣舉完井管柱實(shí)現(xiàn)了不動(dòng)管柱完成多種氣舉排水采氣方式的轉(zhuǎn)換，拓寬了氣舉技術(shù)的適應(yīng)范圍，有效避免了氣井作業(yè)過(guò)程中帶來(lái)的地層傷害和存在的施工風(fēng)險(xiǎn)，施工成本低、安全性高，為頁(yè)巖氣田低成本高效開發(fā)提供了技術(shù)支持。

（2）寬液量氣舉排液設(shè)計(jì)方法，適應(yīng)液量范圍大，對(duì)氣井產(chǎn)狀變化的適應(yīng)性強(qiáng)，既滿足了全生命周期氣舉排液需求，又保證了氣舉排液的成功率。

（3）氣舉復(fù)合排水采氣技術(shù)針對(duì)低產(chǎn)、低壓氣井的生產(chǎn)特征，有效提高了氣井生產(chǎn)后期連續(xù)氣舉排采效率，延長(zhǎng)了氣井生產(chǎn)期，提高了頁(yè)巖氣藏整體儲(chǔ)量動(dòng)用率。

（4）氣舉智能管理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)氣舉井異常工況及時(shí)預(yù)警與氣舉系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化，極大提高了氣舉井管理水平。