大牛地水平井速度管排液技術(shù)應(yīng)用及改進(jìn)

周艦，張凌筱

（1.中國(guó)石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南鄭州450006；2.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南鄭州450046）

大牛地水平井速度管排液技術(shù)應(yīng)用及改進(jìn)

周艦1，張凌筱2

（1.中國(guó)石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南鄭州450006；2.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南鄭州450046）

大牛地氣田水平井具有低壓、低產(chǎn)、攜液能力差的特點(diǎn)，需更換小直徑油管來(lái)提高氣流速度，預(yù)防井筒積液。更換常規(guī)小油管需壓井作業(yè)，返排周期長(zhǎng)且漏失量大，容易污染地層。根據(jù)氣井?dāng)y液理論和管流壓降模型，優(yōu)選出φ38.1mm速度管作為生產(chǎn)管柱進(jìn)行排水采氣?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，速度管排水采氣效果明顯，解決了低壓低產(chǎn)水平井排液難題。針對(duì)速度管施工過(guò)程中打掉堵塞器壓力過(guò)高或堵塞器打不掉現(xiàn)象，降低密封圈壓縮率至5.57%，實(shí)現(xiàn)密封圈與密封圈槽合理匹配，同時(shí)在速度管與堵塞器間設(shè)置承壓能力低的剪切件，安裝在密封圈下方，既保證堵塞器密封效果，又解決了堵塞器不易從速度管上脫離的問(wèn)題，提高了施工作業(yè)和工藝一次成功率，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求。

大牛地氣田；水平井；速度管；排水采氣；堵塞器

大牛地氣田累計(jì)探明儲(chǔ)量4 545.63×108m3，已經(jīng)動(dòng)用2 316.44×108m3，未動(dòng)用2 229.19×108m3，儲(chǔ)量動(dòng)用率僅為50.96%，未動(dòng)用儲(chǔ)量由于品質(zhì)差，直井難以取得經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)。通過(guò)前期探索，水平井已實(shí)現(xiàn)大牛地低品質(zhì)氣藏經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)[1]。目前大牛地氣田共有水平井269口，形成了日產(chǎn)天然氣669.8× 104m3，建成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)十億方產(chǎn)能建設(shè)水平井氣田。

低品質(zhì)氣藏水平井普遍具有低壓、低產(chǎn)、攜液能力差的特點(diǎn)，導(dǎo)致氣井?dāng)y液效果不好，引起井底積液，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致水淹停產(chǎn)，給整個(gè)氣田老區(qū)穩(wěn)產(chǎn)和新區(qū)上產(chǎn)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。為了解決這一難題，確保低壓低產(chǎn)氣井正常生產(chǎn)，就需要提高生產(chǎn)管柱的氣流速度，增強(qiáng)氣井的攜液能力，為此，需要更換小直徑的油管來(lái)提高氣流速度。當(dāng)氣流速度大于氣井臨界攜液流速時(shí)，產(chǎn)出液就可以隨氣流帶到地面。

更換小直徑油管可分為常規(guī)小油管和速度管，更換常規(guī)小油管作業(yè)工序復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)，需要壓井作業(yè)，壓井時(shí)壓井液漏失量大（平均漏失量35 m3），且壓井液返排周期長(zhǎng)（平均周期21天），容易污染地層，導(dǎo)致氣井產(chǎn)能下降。而下入速度管可以實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)，施工工序相對(duì)簡(jiǎn)單，施工周期短，還能避免壓井過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)層的傷害，因此，速度管排水采氣技術(shù)是具有廣泛應(yīng)用前景的適用于低壓低產(chǎn)氣井的排液采氣技術(shù)。

1 速度管排液技術(shù)

速度管排水采氣技術(shù)，是在不動(dòng)原生產(chǎn)管柱的情況下，將小直徑連續(xù)油管從原生產(chǎn)管柱內(nèi)下入產(chǎn)層中部作為生產(chǎn)管柱，減小流體流動(dòng)截面積，增大流體流速，提高氣井?dāng)y液能力，防止或減緩井筒積液。

1.1 速度管設(shè)備組成

速度管設(shè)備由速度管作業(yè)車(chē)、速度管懸掛密封裝置、速度管堵塞器、速度管和其他配套工具組成[2-6]。速度管作業(yè)車(chē)作為速度管的運(yùn)輸工具和下入裝置，懸掛密封裝置用于對(duì)速度管懸掛和環(huán)形空間密封，速度管堵塞器用于下入速度管時(shí)封堵速度管底部，防止氣體在施工中竄出，氣井投入生產(chǎn)前需將堵塞器打掉。

1.2 速度管作業(yè)過(guò)程

下入速度管時(shí)需帶壓作業(yè)，下入過(guò)程中通過(guò)注入頭來(lái)密封速度管的外部，通過(guò)堵塞器來(lái)密封速度管的內(nèi)部。速度管下入過(guò)程為：

1）關(guān)閉井口1#閘門(mén)，使速度管帶著堵塞器穿過(guò)注入頭、防噴器組、懸掛器，此時(shí)整個(gè)速度管內(nèi)外是不帶壓的。

2）啟動(dòng)注入頭中的密封裝置，使之密封速度管外部，打開(kāi)井口1#閘門(mén)，這時(shí)井筒中速度管外部有壓力，而速度管內(nèi)部沒(méi)有壓力；繼續(xù)下放速度管到預(yù)定深度。

3）用懸掛器懸掛速度管并密封速度管外部，卸掉防噴器組，在合適位置切斷速度管。

4）裝好井口，采用氮?dú)廛?chē)向速度管內(nèi)注入氣體，加壓將速度管內(nèi)堵塞器打掉，使速度管與井筒連通。開(kāi)井，從而實(shí)現(xiàn)速度管攜液生產(chǎn)。

2 大牛地氣田速度管排液技術(shù)應(yīng)用

2.1 采氣管柱優(yōu)選

大牛地氣田水平井普遍屬于低壓低產(chǎn)氣井，平均油壓6.83 MPa，套壓7.95 MPa，產(chǎn)氣量2.49×104m3/d，產(chǎn)液量4.17m3/d，液氣比1.67m3/104m3，多采用φ89.0mm和φ60.3 mm管柱生產(chǎn)。根據(jù)水平井臨界攜液流量計(jì)算模型[7-12]和井筒管流壓降理論[13]，可分別得到不同管柱下氣井臨界攜液流量及井筒摩阻分布見(jiàn)表1。水平井?dāng)y液能力呈三段分布，水平段最大，造斜段次之，垂直段最小?？紤]到液柱回壓影響，水平段液柱回壓相對(duì)較小，對(duì)氣井生產(chǎn)影響也最小。因此，解決水平井排液的核心問(wèn)題就是保證水平井造斜段和直井段能夠?qū)⒎e液連續(xù)攜帶出井口。從攜液角度看，大牛地氣田大部分水平井普遍積液，均不能正常攜液生產(chǎn)。當(dāng)生產(chǎn)管柱尺寸不超過(guò)φ50.8 mm，當(dāng)前氣井生產(chǎn)特征可滿(mǎn)足攜液要求。

表1 不同管徑下氣井最小攜液流量關(guān)系Table 1 The minimum liquid carrying amount of gas wells with different pipe diameters

但是，氣體流經(jīng)不同規(guī)格油管時(shí)其壓力損失大小不一樣。產(chǎn)氣量越大，油管中的壓力損失越大；油管內(nèi)徑減小，壓力損失增大。從表1可知，φ25.4 mm速度管摩阻為3.36 MPa，井筒壓力損失過(guò)大。

因此，綜合考慮氣井生產(chǎn)中后期的產(chǎn)能、攜液能力和成本等多個(gè)方面因素，合理優(yōu)化管柱尺寸，初步選用φ38.1 mm速度管作為生產(chǎn)管柱可經(jīng)濟(jì)有效地滿(mǎn)足大牛地氣田中后期生產(chǎn)要求。

2.2 試驗(yàn)效果分析

目前大牛地氣田速度管試驗(yàn)井60口，平均油壓為7.17 MPa，套壓為9.07 MPa，產(chǎn)氣量為1.91×104m3/d，產(chǎn)水量為3.28 m3/d，液氣比為1.72 m3/104m3。試驗(yàn)速度管后，氣井生產(chǎn)時(shí)率提高了8.49%；平均壓降速率由0.041 1 MPa/d降低到0.007 1 MPa/d。通過(guò)速度管排水采氣，氣井的自身攜液能力增強(qiáng)了，在減少生產(chǎn)過(guò)程中降壓帶液頻率和降低泡排頻率及用量情況下，實(shí)現(xiàn)了氣井連續(xù)自主攜液，保證了低產(chǎn)氣井平穩(wěn)生產(chǎn)（圖1）。

60口水平井速度管排液試驗(yàn)前后生產(chǎn)效果對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn)，試驗(yàn)后氣井的油壓處于穩(wěn)定或上升趨勢(shì)，產(chǎn)氣量處于穩(wěn)定或上升趨勢(shì)，產(chǎn)液量均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于試驗(yàn)前氣井頻繁采用泡排和降壓帶液措施來(lái)人為強(qiáng)制排出井筒積液，試驗(yàn)后氣井靠自身攜液能力正常帶液生產(chǎn)，基本不需任何助排措施，排水采氣效果明顯，為低滲致密氣藏水平井提供一種有效排液和穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)手段。

3 速度管排液技術(shù)改進(jìn)

圖1 速度管施工前后一個(gè)月助排措施量對(duì)比Fig.1 Cleanup measure amount comparison before and after a month of velocity tube construction

表2 大牛地氣田水平井速度管試驗(yàn)情況對(duì)比Table 2 Testing condition comparison of velocity tube of horizontal wells in Daniudi gas field

圖2 常規(guī)速度管堵塞器結(jié)構(gòu)Fig.2 Blanking plug structure of conventional velocity tube

速度管下入過(guò)程中，堵塞器起著重要作用，若堵塞不嚴(yán)，將無(wú)法切管。常規(guī)速度管堵塞器見(jiàn)圖2，它由速度管、堵頭、密封圈等3部分組成。在打壓堵塞器作業(yè)之前，速度管內(nèi)部一直是沒(méi)有壓力的，為了防止堵塞器在速度管下入過(guò)程中脫落而發(fā)生失封現(xiàn)象，現(xiàn)有堵塞器都往往采用了過(guò)盈量偏大的密封圈，一方面密封圈過(guò)盈量太大會(huì)引起密封圈被剪切損壞，嚴(yán)重影響密封圈無(wú)泄漏密封壽命；另一方面密封圈過(guò)盈量太大會(huì)導(dǎo)致密封圈與密封槽尺寸不匹配，存在速度管與堵塞器間卡得過(guò)緊的問(wèn)題。

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中速度管下到預(yù)定位置后，經(jīng)常需要依靠較高壓力的氮?dú)獠拍艽虻羲俣裙艿撞康亩氯?，?yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)堵塞器打不掉現(xiàn)象發(fā)生。33口試驗(yàn)井打掉堵塞器時(shí)氮?dú)鈮毫Τ^(guò)了20 MPa，最高壓力甚至達(dá)到42 MPa，超過(guò)了采氣樹(shù)裝置標(biāo)準(zhǔn)試壓范圍。有2口井出現(xiàn)堵塞器打不掉現(xiàn)象，使速度管不能與井筒連通，天然氣不能實(shí)現(xiàn)速度管內(nèi)生產(chǎn)，導(dǎo)致施工作業(yè)失敗。

3.1 堵塞器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了解決速度管與堵塞器間卡得過(guò)緊的問(wèn)題，對(duì)堵塞器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將原密封圈替換為過(guò)盈量較小的密封圈，同時(shí)在速度管與堵塞器間裝配剪切件，通過(guò)剪切件可以將堵塞器固定于速度管上；當(dāng)向速度管內(nèi)輸壓時(shí)，剪切件被剪斷，可輕松實(shí)現(xiàn)堵塞器與速度管的分離。

改裝后的速度管堵塞裝置（圖3），包括速度管、堵頭、密封圈、剪切件。

圖3 改裝后速度管堵塞裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Blanking plug structure of modified velocity tube

堵頭是一種帶密封槽的圓柱體，密封圈安裝在密封槽內(nèi)，與堵頭一起裝入速度管底部。在密封槽的下方，堵頭與速度管在徑向上開(kāi)有一對(duì)小孔，小孔貫通，將剪切件穿過(guò)小孔，將堵頭懸掛在速度管底端。

密封圈是一種橡膠筒，安裝在密封槽內(nèi)，起著密封作用。在插入剪切件前，堵頭可較為輕松地從速度管內(nèi)拔出。

剪切件主要為剪釘或針形銷(xiāo)，具有安裝方便，價(jià)格低廉，承壓能力低等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)采用孔裝配剪切件時(shí)，剪切件位于密封圈的下方，可以避免小孔對(duì)速度管的密封性造成影響，保證速度管良好的密封性。由于剪切件對(duì)堵塞器具有固定作用，可防止堵頭從速度管內(nèi)脫落，同時(shí)剪切件具有較低的剪切力，在較低壓力下可以剪斷，使堵頭與速度管輕松分離，實(shí)現(xiàn)速度管暢通。

3.2 密封圈及密封圈槽參數(shù)合理選配

由于原密封圈替換為過(guò)盈量較小的密封圈，為了保證堵塞器堵塞效果，需要對(duì)密封圈及密封槽的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理選配，保證密封圈有足夠的密封面接觸壓力和盡量小的摩擦力，避免密封圈的永久性變形，保證密封圈長(zhǎng)期有效地工作。

表3 大牛地氣田38.1 mm速度管配套密封圈及密封圈槽主要技術(shù)參數(shù)Table 3 The main technical parameters of matched seal ring and seal groove of 38.1 mm velocity tube in Daniudi gas field

密封圈密封屬于擠壓彈性體密封，因此，要保證密封效果，密封圈必須要有合理的預(yù)壓縮率。結(jié)合大牛地氣田水平井速度管特點(diǎn)，根據(jù)江漢石油管理局采油工藝研究院陳愛(ài)平[14]關(guān)于O形密封圈和密封圈槽選配方法，確定了大牛地氣田38.1 mm速度管配套密封圈及密封圈槽的主要技術(shù)參數(shù)（表3）。

由3表可知，密封圈壓縮率降低至5.57%，改進(jìn)后的速度管堵塞裝置既起到了良好的密封效果，又可防止速度管下入過(guò)程中堵頭脫落；同時(shí)密封圈與密封圈槽的合理匹配避免了堵塞器與速度管之間出現(xiàn)卡得過(guò)緊的問(wèn)題，打掉堵頭容易，大大提高作業(yè)和工藝一次成功率，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

1）根據(jù)水平井?dāng)y液模型和管流壓降理論，優(yōu)選φ38.1 mm速度管作為生產(chǎn)管柱進(jìn)行排水采氣，在減小助排措施量條件下，實(shí)現(xiàn)了氣井連續(xù)穩(wěn)定攜液生產(chǎn)，效果明顯，為低滲致密氣藏水平井提供一種有效排液和穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)手段。

2）針對(duì)速度管施工過(guò)程中堵塞器不易打掉問(wèn)題，將堵塞器上原密封圈替換為過(guò)盈量較小的密封圈，同時(shí)在速度管與堵塞器中設(shè)置承壓能力低的剪切件，剪切件安裝在密封圈下方，解決了堵塞器不易從速度管上脫離的問(wèn)題。

3）給出了大牛地氣田38.1 mm速度管配套密封圈及密封圈槽主要技術(shù)參數(shù)，將密封圈壓縮率降低至5.57%，實(shí)現(xiàn)了密封圈及密封圈槽的合理匹配，既保證了密封圈密封效果，又避免了堵塞器與速度管之間出現(xiàn)卡得過(guò)緊的問(wèn)題。

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（編輯：尹淑容）

Application and improvement of velocity string drainage technology of horizontal wells in Daniudi gas field

Zhou Jian1and Zhang Lingxiao2
（1.Engineering and Technology Research Institute,North China Company,SINOPEC,Zhengzhou,Henan 450006,China; 2.Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Zhengzhou,Henan 457001,China）

Having the characteristics of low pressure,low production and bad liquid carrying capacity,the horizontal wells in Dani?udi gas field need small diameter tubing to increase gas velocity and prevent wellbore liquid loading.The replacement of conven?tional small tubing needs well kill operation and long flowback time,in addition,the large leakage damages formation.According to gas well liquid carrying theory and conduit flow drawdown model,velocity tube ofφ38.1mm was selected out and regarded as pro?duction string,which was applied in drainage and gas production.Field applications show that the drainage and gas production ef?fects are obvious,which can resolve drainage problems of horizontal wells with low pressure and low production.According to the hardness of knocking off blanking plug,compressibility of seal ring decreased to 5.57%,which could realize reasonable matching of seal ring and seal groove.Shear units with low loading capacity were installed under seal ring,which were between velocity tube and blanking plug,thereby ensuring its seal effect and resolving the knocking off problem.In this way,one time success rate of con?struction operation and technology is enhanced to meet the demands for field production.

Daniudi gas field,horizontal well,velocity tube,drainage and gas production,blanking plug

TE377

A

2015-08-04。

周艦（1989—），男，工程師，采油、采氣工藝研究。

國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)“鄂爾多斯盆地大牛地致密低滲氣田開(kāi)發(fā)示范工程”（2011ZX05045）。