水平井柱塞氣舉排液技術(shù)在長慶氣田的應(yīng)用

韓強(qiáng)輝 黃志龍 楊煥英 惠艷妮 樊蓮蓮 李麗

1.長慶油田公司油氣工藝研究院；2.長慶油田公司第五采氣廠；3長慶油田公司勘探開發(fā)研究院

國外認(rèn)為柱塞氣舉技術(shù)是低產(chǎn)及致密氣藏最經(jīng)濟(jì)有效的排水采氣技術(shù)，可增產(chǎn)22%～500%，投資回收期為4個(gè)月，措施可應(yīng)用至氣井枯竭［1-2］。但現(xiàn)有的柱塞氣舉技術(shù)主要應(yīng)用于直井，國外只有極少量應(yīng)用于水平井。國外水平井柱塞采用膠筒密封，摩擦阻力大，僅適用于產(chǎn)氣量5×104m3/d以上氣井，不適用于長慶氣田低產(chǎn)低滲氣井。截至2017年底，長慶油田共在565口直井應(yīng)用了柱塞氣舉氣井遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)參和管理技術(shù)，平均增產(chǎn)氣量0.43×104m3/d，累計(jì)增產(chǎn)氣量3.8×108m3，有效發(fā)揮了排液采氣的作用［3-4］。2016年，研發(fā)了適用于水平井的自緩沖柱塞，并在13口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，2016年7月—2017年6月期間平均單井增產(chǎn)氣量0.65×104m3/d，增產(chǎn)液量0.66 m3/d，大幅度提高了水平井舉液效率。但長慶氣田水平井油管在井底斜井段有縮徑，柱塞下落時(shí)不能通過此處，油管縮徑點(diǎn)以下井段（包括部分斜井段和水平段約1500 m）內(nèi)積液無法舉升，長期處于積液狀態(tài)，嚴(yán)重影響了柱塞氣舉排液效率。為了實(shí)現(xiàn)水平井全井筒積液舉升，對(duì)現(xiàn)有水平井柱塞氣舉技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化完善［5-8］。

1 水平井柱塞氣舉排液技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 長慶氣田水平井管柱主要特征

長慶氣田水平井管柱結(jié)構(gòu)為?88.90 mm 油管與?73.02 mm油管組合，在斜井段45°～70°處由變徑短節(jié)連接兩種規(guī)格油管。按照管柱受力設(shè)計(jì)，油管變徑短節(jié)點(diǎn)極重負(fù)荷為520 kN。

1.2 水平氣井?dāng)y液規(guī)律認(rèn)識(shí)

水平井積液影響最嚴(yán)重點(diǎn)在井斜角約35°的斜井段。在井斜角90°（水平流動(dòng)）的水平井段，臨界攜液流量為0；隨著井斜角增加，臨界攜液流量先增加后減?。蝗鐖D1所示，在井斜角35°左右，臨界攜液流量最高，為相同條件下垂直井的1.35倍。

圖1 不同尺寸油管的井筒臨界攜液流量分布Fig. 1 Distribution of critical liquid carrуing fiow rate in the wellbore with different sizes of tubing

1.3 自緩沖柱塞的應(yīng)用

自緩沖柱塞抗沖擊總成由中心桿、彈簧、擋圈等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。撞擊頭安裝在最底端，中心桿從擋圈中間穿過，兩者組成觸地組件。儲(chǔ)能彈簧安裝在柱塞中心孔內(nèi)，由擋圈限制位移。柱塞觸地后，中心桿推動(dòng)彈簧壓縮，緩解柱塞本體的沖擊力。

圖2 自緩沖柱塞抗沖擊總成結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structural map of impact resistance assemblу of selfbuffered plunger

將井筒內(nèi)變徑短節(jié)作為定位臺(tái)階，實(shí)現(xiàn)柱塞下落的定位功能；自緩沖柱塞具有緩解柱塞下落沖擊力的功能，簡(jiǎn)化了井下工具，使柱塞能夠進(jìn)入到斜井段變徑短節(jié)處，使下入深度達(dá)到最大化，滿足柱塞下深越大排液效果越好的要求。

設(shè)計(jì)彈簧極重載荷為512 kN，油管變徑短節(jié)極重載荷520 kN，測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自緩沖柱塞最大落地速度可達(dá)5000 m/min。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到柱塞在氣井井筒內(nèi)下落階段的運(yùn)行速度約60 m/min［9-10］?？梢姡跃彌_柱塞抗沖擊力可滿足長慶氣田生產(chǎn)實(shí)際要求［11］。

1.4 存在的問題

自緩沖柱塞可進(jìn)入大斜度井段，到達(dá)油管縮徑位置，增加了柱塞下入深度，還簡(jiǎn)化了現(xiàn)有柱塞裝置的井下緩沖工具。但柱塞下落時(shí)不能通過油管縮徑處，導(dǎo)致油管縮徑點(diǎn)以下井段（包括部分斜井段和水平段）內(nèi)約有1500 m液柱無法舉升，長期處于積液狀態(tài)，嚴(yán)重影響了排液效率。

2 “自緩沖柱塞與井下單流裝置接力式舉液”模式的提出

為了實(shí)現(xiàn)水平氣井全井筒積液舉升，在水平氣井?dāng)y液規(guī)律和長慶水平井管柱特征研究的基礎(chǔ)上，對(duì)水平井柱塞舉升系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體技術(shù)思路如下：（1）使用單流裝置與自緩沖柱塞進(jìn)行接力式舉液；（2）單流裝置投放在縮徑點(diǎn)下部?73.02 mm管柱內(nèi)，越過積液最嚴(yán)重井段（在井斜角45°～70°井段之間），保證能依靠氣體自身能量攜帶積液（包括斜井段和水平段）至單流裝置上部，并滯留在此；（3）?88.90 mm井段采用自緩沖柱塞進(jìn)行舉液，可到達(dá)管柱縮徑點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)柱塞最大下深，以達(dá)到較好的排液效果［12-15］。

2.1 柱塞舉升系統(tǒng)工作原理

開井后，自緩沖柱塞上行，將柱塞上部積液向上舉升至井口，同時(shí)，單流裝置下部積液（包括斜井段和水平段積液）由氣體自身能量舉升至單流裝置上部，該裝置具有自下至上單向流的性能，氣液不能回流。關(guān)井后，自緩沖柱塞下行，到達(dá)縮徑位置后，柱塞導(dǎo)向頭遇阻停止運(yùn)動(dòng)，柱塞本體由于慣性作用繼續(xù)下行，通過壓縮彈簧，緩解自身動(dòng)能，直至停止；井筒內(nèi)未舉升到地面管線的液體回落至單流裝置和柱塞上部，并滯留在此。按照以上開關(guān)井周期運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)水平氣井全井筒積液舉升［16-17］。

2.2 單流裝置設(shè)計(jì)

單流裝置需投放在井筒縮徑點(diǎn)變徑短節(jié)以下進(jìn)入 ?73.02 mm 管柱內(nèi)，此處管柱斜度 45°～70°，深度約3200 m，地層溫度約100 ℃，壓力約25 MPa。

2.2.1 單流裝置結(jié)構(gòu)和工作原理 單流裝置結(jié)構(gòu)見圖3，丟手接頭從裝置中心穿出，丟手接頭和上中心管用剪釘連接；上中心管與下中心管用絲扣連接，下中心管底部連接尾管；尾管內(nèi)有單向鎖環(huán)，單向鎖環(huán)內(nèi)壁具有與單向扣鎖爪配合的卡扣；為實(shí)現(xiàn)大斜度井段氣液?jiǎn)蜗蛄骺刂?，單流閥內(nèi)的鋼球固定在彈簧支架上，通過推動(dòng)鋼球壓縮彈簧后氣液通過，再依靠彈簧彈力回到密封面，實(shí)現(xiàn)有效密封，防止氣液回流。打撈頸能夠在上中心管和本體之間滑動(dòng)，打撈頸下端有伸縮爪，用于支撐鎖塊或取消支撐，進(jìn)行工具投放和打撈［18-21］。

圖3 單流裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic structure of non-return device

投放時(shí)，下放至投放位置后，上提丟手接頭，帶動(dòng)單流裝置盲碰油管接箍槽，鎖塊在伸縮爪的彈力支撐下頂入接箍槽內(nèi)，鎖塊上端面為垂直面，與接箍槽卡死；繼續(xù)上提，丟手接頭帶動(dòng)上下中心管上移，上中心管的凸臺(tái)會(huì)支撐伸縮爪，使鎖塊不能縮回，實(shí)現(xiàn)有效定位；下中心管帶動(dòng)尾管擠壓兩膠筒膨脹，實(shí)現(xiàn)密封，單向扣鎖爪和單向鎖環(huán)鎖住膠筒膨脹狀態(tài)；丟手接頭拉斷剪釘實(shí)現(xiàn)丟手后，上下中心管不回落，維持膠筒膨脹狀態(tài)。

打撈時(shí)，抓住打撈頸魚頭，上擊使打撈頸上移，抽出彈性伸縮爪，鎖塊失去支撐后縮回，解除定位；繼續(xù)上提，單向扣鎖爪失去支撐解鎖，膠筒兩側(cè)失去壓緊力，軸向形成空位，膠筒回縮到未受力狀態(tài)，解除密封，同時(shí)工具上部積液回落，液柱壓力歸0，完成打撈。

該單流裝置下井時(shí)外徑比油管內(nèi)徑小6 mm，坐落后抗沖擊力約500 kN，因此可以應(yīng)用到全井筒無變徑的水平氣井，不僅能實(shí)現(xiàn)氣液?jiǎn)蜗蛄鞯目刂?，并能起到自緩沖柱塞下落的定位功能。

2.2.2 室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn) 模擬工況環(huán)境，在油管傾角70°的條件下，檢測(cè)單流裝置1#、2#的投放丟手、打撈、密封及液體單向流控制情況，見表1。

表1 單流裝置室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)情況Table 1 Lab evaluation experiment on non-return device

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用鋼絲上提作業(yè)，單流裝置能夠?qū)崿F(xiàn)正常投放丟手和打撈功能，可滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求；膠筒能夠按照設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)擠壓密封，密封最高壓差達(dá)30 MPa，根據(jù)單流裝置的工作原理可知，在井筒內(nèi)，單流裝置上、下壓力接近，壓差與鋼球支撐彈簧彈力接近，約0.1 MPa，可滿足密封要求；單流閥在井斜角70°條件下，積液無泄漏，防回流性能良好，實(shí)現(xiàn)了液體單向流控制功能。綜上所述，單流裝置性能穩(wěn)定，各項(xiàng)功能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果評(píng)價(jià)

長慶氣田X水平井前期采用常規(guī)柱塞氣舉排液。在井底預(yù)先投放井下緩沖器，柱塞在井下緩沖器和井口防噴帽之間運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)舉液采氣。由于井下緩沖器需要下?lián)敉斗?，在斜井段受加重桿重力分解，下?lián)袅Σ蛔悖瑹o法投放，因此不能進(jìn)入斜井段，只能投放在直井段，投放深度2800 m，距水平井入窗點(diǎn)約720 m，水平段長1200 m。在柱塞正常運(yùn)行的情況下，該井井底仍至少有1920 m深液柱。

采用水平井自緩沖柱塞氣舉技術(shù)，需起出原柱塞和井下緩沖器，投放自緩沖柱塞。自帶緩沖的新型柱塞在縮徑點(diǎn)和井口之間油管段內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣舉排液生產(chǎn)。柱塞可下行至3150 m（?88.90 mm 油管與?73.02 mm油管組合縮徑位置），比普通柱塞下深增加390 m。正常生產(chǎn)后，增產(chǎn)氣量0.53×104m3/d。

采用水平井柱塞氣舉技術(shù)，先取出自緩沖柱塞，再投放單流裝置，單流裝置投放在縮徑點(diǎn)下方20 m處，井斜角約60°，然后投放自緩沖柱塞。單流裝置以下井筒（包括垂直段管柱236 m，水平段管柱1200 m）內(nèi)積液通過氣體自身能量舉升，氣液不會(huì)回流；自緩沖柱塞再從縮徑點(diǎn)將積液舉升至井口，從而實(shí)現(xiàn)了水平井全井筒積液接力式舉升（見表2）。

表23 種柱塞氣舉技術(shù)生產(chǎn)情況對(duì)比Table 2 Comparison of production situations between three plunger gas lift technologies

應(yīng)用該技術(shù)后，氣井生產(chǎn)油壓降低了2.4 MPa，套壓降低了6.3 MPa，增產(chǎn)氣量1.51×104m3/d，增產(chǎn)液量1.05 m3/d。運(yùn)行76 d后，取出自緩沖柱塞，彈簧無變形，柱塞端面完整，無損傷；順利打撈出單流裝置，裝置完好。

4 結(jié)論

（1）單流裝置可投放到井斜角70°位置，易投放、易打撈，解決了常規(guī)井下工具無法在大斜度井段投放的難題，實(shí)現(xiàn)了氣液?jiǎn)蜗蛄魍ǖ墓δ?，起到了接力舉升積液的作用。

（2）長慶低滲透氣田采用了“自緩沖柱塞與井下單流裝置接力式舉液”的水平井柱塞氣舉技術(shù)，應(yīng)用于長慶低滲透氣田排水采氣，試驗(yàn)井產(chǎn)氣量提高了3倍，解決了長慶氣田水平井油管縮徑點(diǎn)以下井段（包括部分斜井段和水平段）內(nèi)積液無法舉升的問題，有較好的適用性，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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