柱塞氣舉排水采氣工藝在定向井中的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳科貴 ，田寶 ，于靜 ，付建國 ，侯旭

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610500；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆 克拉瑪依 834000；3.西部鉆探準(zhǔn)東鉆井公司，新疆 阜康 831500；4.中國石油測(cè)井有限公司吐哈事業(yè)部，新疆 哈密 839009）

蘇里格氣田屬于非均質(zhì)性極強(qiáng)的致密巖性氣田，呈現(xiàn)出典型的“低產(chǎn)、低壓、低豐度”特征，氣井產(chǎn)能低，攜液能力差。隨著氣田的開發(fā)，單井?dāng)?shù)量逐年攀升，產(chǎn)水氣井日益增多，產(chǎn)水量逐漸增大，井底積液，給氣井生產(chǎn)造成不利影響［1-2］。由于蘇里格氣田所處的沙漠地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，為節(jié)約資源并實(shí)現(xiàn)有效開發(fā)，該區(qū)塊大多采用叢式定向井，因此在定向井中開展柱塞氣舉試驗(yàn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 柱塞氣舉工藝

柱塞氣舉是將柱塞作為氣液之間的機(jī)械界面，利用氣井儲(chǔ)層自身能量，使氣體在低于攜液臨界流量的條件下，也能推動(dòng)柱塞在油管內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行周期性舉液。由于柱塞在舉升氣體與采出液之間形成了一個(gè)固體界面，因而可有效防止氣體竄流和液體回落，減少了液體“滑脫”效應(yīng)，增加了間歇?dú)馀e效率［3-6］。

柱塞氣舉排水采氣工藝應(yīng)用條件［7-14］：1）自身具有一定的產(chǎn)能且攜液能力較弱的自噴生產(chǎn)井；2）產(chǎn)水量小于 50 m3/d；3）氣液比大于 500 m3/m3；4）井底具有一定深度的積液；5）井底清潔，無鉆井液等污物。

2 試驗(yàn)井選擇

2.1 蘇A井

蘇A井是2011年投產(chǎn)的一口開發(fā)定向井，完鉆井深為斜 3 173.00 m/垂 3 086.86 m，最大井斜角24.37°，目的層位為山23、盒8。該井柱塞前平均產(chǎn)氣量為4 342 m3/d，開井不到2 a，井筒即開始水淹，導(dǎo)致年遞減率達(dá)73%；2013年2月，由于積液嚴(yán)重，已接近停產(chǎn)，柱塞施工前井口壓力為14.4 MPa，地層壓力達(dá)25.0 MPa，說明該井儲(chǔ)層具有足夠能量，潛力較大。

2.2 蘇B井

蘇B井于2011年投產(chǎn)，完鉆井深為斜3 131.00 m/垂3 061.00 m，最大井斜角20.07°，目的層位為山11、盒8下、盒7。該井射孔井段與鄰層之間的隔夾層薄，導(dǎo)致壓裂施工時(shí)將盒8上1（2 925～2 932 m）的氣水層壓開，柱塞施工前總產(chǎn)氣量僅4.5×104m3，平均產(chǎn)氣166 2 m3/d。該井第一次柱塞開井時(shí)套壓達(dá)17.0 MPa，地層壓力23.0 MPa，日產(chǎn)水3.5 m3，適用柱塞氣舉工藝。

3 柱塞定向井井下施工

3.1 施工工具優(yōu)化

柱塞井下工藝安裝之前要先進(jìn)行通井作業(yè)，通井工具串為：繩帽+加重桿+震擊器+φ59.5 mm通井規(guī)，加重桿重量根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和作業(yè)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)確定，工具串長度約9 m。而之后投放井下定位器的坐放工具串為：繩帽+加重桿（1根）+震擊器+丟手工具+卡定器，長度超過9 m。對(duì)于定向井，自造斜點(diǎn)開始，井身造斜程度逐漸增大，曲率半徑較小，如果入井工具串的徑向和軸向尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)，就可能在井身曲率半徑最小處出現(xiàn)中途遇卡的情況。因此，須優(yōu)化工具串長度，以保證入井工具串能順利通過造斜段［15］。井下工具串通過能力示意見圖1，其最大剛性外徑d和最大剛性長度L滿足：

式中：R為全井井身最小曲率半徑，m；D為井身最小曲率半徑處的油管內(nèi)徑，m。

圖1 工具串通過能力示意

在進(jìn)行上述入井工具串通過能力的分析過程中，用到的只是設(shè)計(jì)中的曲率半徑，在鉆井過程中會(huì)或多或少偏離這個(gè)值，且沒有考慮工具串的變形（即認(rèn)為入井工具串是絕對(duì)剛性的），為保證工具串能順利通過造斜段，其最大剛性長度應(yīng)控制在計(jì)算得出的最大允許通過總長度以內(nèi)。

在工具下井之前，用式（1）和式（2）先計(jì)算出不同井身曲率半徑處允許通過的井下工具串最大總長度，以預(yù)測(cè)是否會(huì)發(fā)生中途遇卡，防止事故發(fā)生。

3.2 施工程序優(yōu)化

以往施工程序簡單，但對(duì)井質(zhì)量要求較高，且井筒積液深度不能過大。由于定向井的特殊井身結(jié)構(gòu)及積液特點(diǎn)，需對(duì)柱塞施工程序進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的施工作業(yè)步驟為：

1）通井。按照繩索作業(yè)要求安裝防噴管和防噴器，通井工具串長度應(yīng)以坐放工具串的最大長度為準(zhǔn)進(jìn)行通井。

2）投放井下定位器。油管通井合格后，采用繩索作業(yè)將投放卡定器工具串下至設(shè)計(jì)深度處，卡定器實(shí)際坐放深度以鋼絲作業(yè)實(shí)際計(jì)數(shù)為準(zhǔn)，盡量接近油管底部（坐放卡定器時(shí)可參考油管單根記錄，以便準(zhǔn)確確定油管接箍位置）；確定投放成功后，上提投放工具串20～30 m后，再下放工具串探卡定器坐放位置，確定位置后，上提工具串至井口。

3）投放井下柱塞。將整個(gè)入井工具串和井下柱塞裝入防噴管內(nèi)，待10 min后下放打撈工具串，觀察鋼絲計(jì)數(shù)器，下入深度接近定位器50 m時(shí)，下放速度不大于15 m/min，打撈工具串下放至設(shè)計(jì)深度后，應(yīng)觀察到工具串懸重降至0，確保柱塞坐在緩沖器上；然后上提打撈工具串，上提速度不應(yīng)大于50 m/min，在接近井口50 m處速度不大于10 m/min，待工具串進(jìn)入防噴管，確認(rèn)鋼絲計(jì)數(shù)器回零后，用繩卡卡定；最后拆卸清洗各部件，完成下放工作。

4 柱塞氣舉工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 柱塞工作深度

由理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)合可知，柱塞每舉升100 m，生產(chǎn)井氣液比接近 233 m3/m3［16］，由此可得柱塞氣舉工作深度的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Hmax為柱塞最大工作深度，km；GLR為柱塞井的氣液比，m3/m3。

4.2 最小工作套壓

當(dāng)液體段塞和柱塞到達(dá)井口油管時(shí),液體段塞和柱塞的重力、柱塞在油管中的摩擦力、液體段塞在油管中的摩擦力及井口油壓之和，即為最小套管壓力pcmin［17］：

式中：ptmin為最小油壓，MPa；p1h為舉升 1 m3液體段塞的靜液柱壓力，MPa/m3；p1f為舉升1 m3液體段塞的摩阻壓力，MPa/m3；W為每周期液體段塞體積,或稱周期排水量，m3；pp為克服柱塞重量所需的壓力，一般取0.04 MPa；pf為柱塞以下油管長度上的氣體摩阻，MPa。

4.3 最大工作套壓

最大套壓計(jì)算公式為

式中：AT為油管截面積，m2；AC為流經(jīng)套管和油管之間環(huán)空的截面積，m2。

該方法假設(shè)最大套壓等于套管中使柱塞到達(dá)井口的氣體膨脹能，計(jì)算比較保守，可以通過柱塞到達(dá)井口的采出氣量進(jìn)行校正。

4.4 柱塞循環(huán)周期

柱塞運(yùn)行周期計(jì)算公式為［18］

式中：np為工作周期數(shù)，周期/d；tpr為柱塞上行時(shí)間，s；tpdg為柱塞在氣體中的下行時(shí)間，s；tpdl為柱塞在液體中的下行時(shí)間，s；tps為柱塞在井口的停留時(shí)間，s；tpc為柱塞在卡定器上的停留時(shí)間，s。

4.5 工作參數(shù)確定

根據(jù)上述公式及試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)，最終確定蘇A井和蘇B井的最終工作制度（見表1）。

表1 試驗(yàn)井工作制度

正常工作時(shí)將已編制好的舉升方案輸入到自動(dòng)控制器內(nèi)，由地面控制器按照編制好的程序設(shè)定各參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制氣動(dòng)閥的自動(dòng)開、關(guān)井，并控制柱塞周期性循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將井內(nèi)液體舉升出井口。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

5.1 蘇A井

蘇A井自2012年6月起，由于井筒積水，氣體攜液能力已明顯不足，產(chǎn)氣量下降到2 000 m3/d。2013年3月，井筒積液嚴(yán)重，產(chǎn)氣量已低至3 000 m3/d，最終于5月關(guān)井，7月初開始實(shí)施柱塞氣舉，氣井成功復(fù)產(chǎn)，至9月8日累計(jì)產(chǎn)氣37.59×104m3，累計(jì)產(chǎn)水180.6 m3，產(chǎn)氣量明顯增加，油套壓差日漸縮小，平均日增產(chǎn)氣量（考慮遞減35%）5 145 m3。柱塞氣舉安裝前后生產(chǎn)狀況對(duì)比見表3，柱塞氣舉前累計(jì)生產(chǎn)735 d，柱塞氣舉后生產(chǎn)63 d。氣舉前后生產(chǎn)曲線見圖2。

表2 蘇A井柱塞運(yùn)行前后對(duì)比

圖2 2013年蘇A井氣舉前后生產(chǎn)曲線

5.2 蘇B井

該井投產(chǎn)4 d后，開井4次，每次1 h，但均未能開活，后計(jì)劃關(guān)井；關(guān)井后油壓恢復(fù)慢、油套壓差增大（關(guān)井398 d，油壓由0.85升至9.43 MPa，套壓由19.07升至20.74 MPa）。2012年5月再次試生產(chǎn)（開井前油、套壓分別為9.43，20.74 MPa），開井氣流聲小，無水，井筒積液嚴(yán)重，仍未開活。2013年7月30日開始實(shí)施柱塞氣舉，成功開活，并保持穩(wěn)產(chǎn)，至當(dāng)年9月，柱塞生產(chǎn)僅36 d，就已累計(jì)產(chǎn)氣 12.9×104m3，產(chǎn)水 126.6 m3，平均日增氣量（考慮遞減35%）2 269 m3，可謂效果非常明顯。柱塞氣舉安裝前后生產(chǎn)狀況對(duì)比如表3所示，柱塞前累計(jì)生產(chǎn)837 d，柱塞后生產(chǎn)40 d。氣舉前后生產(chǎn)曲線如圖3所示。

表3 蘇B井柱塞運(yùn)行前后對(duì)比

圖3 2013年蘇B井氣舉前后生產(chǎn)曲線

6 結(jié)論

1）柱塞氣舉排水采氣技術(shù)在定向井取得了顯著效果，增加了天然氣產(chǎn)量，降低了產(chǎn)量遞減速度，使自噴不穩(wěn)定井或間開井能穩(wěn)定排液產(chǎn)氣，并且管理簡單化。

2）蘇里格氣田具有較多類似的叢式定向井，可推廣使用柱塞氣舉工藝，對(duì)于出水量大、氣液比低、地層能量弱的井，建議結(jié)合其他工藝，以提高最終采收率。

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