頁巖氣井連續(xù)油管采氣管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹孟京,吳曉東,安永生,李鵬

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;2.勝利油田魯勝石油開發(fā)有限公司,山東 東營(yíng) 257000)

0 引言

連續(xù)油管以可帶壓作業(yè)、起下速度快、施工時(shí)效性高和安全性高等特點(diǎn),在鉆井、壓裂、傳輸射孔、沖砂解堵和井下打撈等油氣井作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1].當(dāng)前,頁巖氣藏的開發(fā)和頁巖氣井的產(chǎn)能模型是研究熱點(diǎn),而針對(duì)連續(xù)油管在頁巖氣井中的壓后壓裂液返排和后期積液排采中的應(yīng)用研究較少[2-3].張宏錄等[4]針對(duì)單一排采工藝的不足,提出了一種頁巖氣井同心雙管排采新工藝,以滿足不同產(chǎn)液時(shí)期的氣井排采要求.王偉佳等[5]針對(duì)連續(xù)油管應(yīng)用存在的問題,提出了適合國(guó)內(nèi)頁巖氣開發(fā)的連續(xù)油管鋪助壓裂試氣集成技術(shù).閻洪濤[6]研制了涪陵頁巖氣田連續(xù)油管完井管柱,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,驗(yàn)證了連續(xù)油管在涪陵頁巖氣田實(shí)施的可行性.曹明等[7]分析了連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)在頁巖氣井中的應(yīng)用,重點(diǎn)優(yōu)化了一套連續(xù)油管鉆除橋塞及帶壓清理井筒的技術(shù).韓慧芬等[8]分析總結(jié)了頁巖氣井壓后返排的特征,并針對(duì)返排技術(shù)提出了5個(gè)方面的探索研究.黃燦[9]根據(jù)焦石壩頁巖氣井壓力測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)Orkiszewshi方法進(jìn)行了修正,建立了頁巖氣井垂直管流壓降計(jì)算新模型.

當(dāng)前,頁巖氣井連續(xù)油管采氣管柱的研究主要存在2個(gè)問題:一是未針對(duì)不同類型頁巖氣井開展連續(xù)油管的技術(shù)分析,二是尚未對(duì)作為采氣管柱的連續(xù)油管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).考慮以上原因,基于頁巖氣井分類和產(chǎn)能模型,采用節(jié)點(diǎn)分析方法,從協(xié)調(diào)產(chǎn)量、攜液要求和沖蝕要求等3個(gè)方面對(duì)連續(xù)油管尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以滿足頁巖氣井安全生產(chǎn)和攜液的需求.

1 頁巖氣井節(jié)點(diǎn)分析方法

氣井節(jié)點(diǎn)分析是將流入和流出動(dòng)態(tài)特性綜合在一起進(jìn)行分析的一種方法,通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)處流入曲線和流出曲線,確定氣井的合理產(chǎn)量[10-11].

1.1 頁巖氣井分類

針對(duì)頁巖氣井的生產(chǎn)差異性,參考涪陵頁巖氣田氣井的產(chǎn)能測(cè)試結(jié)果和配產(chǎn)方案[12-14],根據(jù)頁巖氣井的無阻流量、測(cè)試產(chǎn)量及實(shí)際產(chǎn)量,將氣井分為低產(chǎn)井、中產(chǎn)井和高產(chǎn)井3類(見表1).

表1 頁巖氣井分類 104m3.d-1

1.2 節(jié)點(diǎn)流入方程和流出方程

結(jié)合頁巖氣井試氣結(jié)果,分別確定3種類型頁巖氣井的二項(xiàng)式地層穩(wěn)定滲流方程[15]:

式中:pr為地層壓力,MPa;pwf為井底流動(dòng)壓力,MPa;α,β分別為層流項(xiàng)系數(shù)和紊流項(xiàng)系數(shù)(可由頁巖氣井試氣結(jié)果擬合得到),MPa2.(104m3/d)-2;qg為產(chǎn)氣量,104m3/d.

本文采用黃燦對(duì)Orkiszewski方法的修正模型作為節(jié)點(diǎn)分析的流出方程,計(jì)算頁巖氣井連續(xù)油管采氣管柱的井筒壓降損失.

1.3 臨界攜液流量方程和沖蝕流量方程

氣井積液是頁巖氣井生產(chǎn)過程中不容忽視的問題.當(dāng)氣井產(chǎn)氣量小于臨界攜液流量時(shí),氣井產(chǎn)生積液,影響氣井的正常生產(chǎn).特別是在生產(chǎn)后期,氣井產(chǎn)氣量較小,極易發(fā)生積液現(xiàn)象.臨界攜液流量模型可用來預(yù)測(cè)氣井井筒積液.Turner[16]提出了經(jīng)典的液體模型,并推導(dǎo)了Turner公式,得到了廣泛的應(yīng)用.李閩[17]推導(dǎo)了橢球型液滴模型,被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)氣井積液預(yù)測(cè).由于Turner公式計(jì)算的臨界攜液流量更大,用于積液預(yù)測(cè)更為保險(xiǎn)[18],因此本文采用經(jīng)典的Turner公式計(jì)算頁巖氣井臨界攜液流量:

臨界攜液流速為

式中:qsc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的臨界攜液流量,104m3/d;p為壓力,MPa;ucr為臨界攜液流速,m/s;A為連續(xù)油管截面積,m2;Z為氣體偏差系數(shù);T為溫度,K;σ為界面張力,N/m;ρL為液體密度,kg/m3;ρg為氣體密度,kg/m3.

在氣井生產(chǎn)中,高速氣體在油管中流動(dòng),會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生沖蝕磨損,影響管柱使用期限和氣井安全生產(chǎn).發(fā)生明顯沖蝕作用時(shí)的臨界流量為沖蝕流量,為保證氣井的安全生產(chǎn),產(chǎn)氣量應(yīng)小于沖蝕流量.

根據(jù)APIRP14E推薦公式計(jì)算沖蝕流量[19-20]:

式中:qe為沖蝕流量,104m3/d;C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(與氣體組分及夾帶固體顆粒有關(guān));d為連續(xù)油管直徑,m;γg為氣體相對(duì)密度.

本文參考涪陵頁巖氣井相關(guān)參數(shù)計(jì)算(見表2).

表2 基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)

2 連續(xù)油管優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 最大產(chǎn)氣量

以頁巖氣井的井底為節(jié)點(diǎn),根據(jù)流入動(dòng)態(tài)方程確定流入曲線,根據(jù)流出方程計(jì)算不同連續(xù)油管尺寸下的流出曲線.2條曲線的交點(diǎn)為一定油管尺寸、井口壓力和地層壓力條件下的合理產(chǎn)氣量,即在該壓力條件下連續(xù)油管滿足的氣井最大產(chǎn)氣量.

由圖1可知:井口壓力越大,最大產(chǎn)氣量越小;連續(xù)油管尺寸越大,氣井最大產(chǎn)氣量越大.

結(jié)合高產(chǎn)井的產(chǎn)量特點(diǎn),直徑為44.5 mm的油管不能滿足高產(chǎn)井的生產(chǎn)要求,滿足生產(chǎn)要求的連續(xù)油管直徑分別為50.8,60.3,73.0,88.9 mm.低產(chǎn)井和中產(chǎn)井的產(chǎn)氣量相對(duì)較小,5種連續(xù)油管都滿足其生產(chǎn)要求,即低產(chǎn)井和中產(chǎn)井滿足生產(chǎn)要求的連續(xù)油管直徑分別為44.5,50.8,60.3,73.0,88.9 mm.

圖1 不同連續(xù)油管尺寸的最大產(chǎn)氣量

2.2 壓力損失

氣井在連續(xù)油管自井底向井口流動(dòng)的過程中,會(huì)產(chǎn)生壓力損失.針對(duì)3類頁巖氣井,分別計(jì)算不同連續(xù)油管尺寸、不同產(chǎn)氣量時(shí)的井口壓力,分析頁巖氣井生產(chǎn)時(shí)的油管壓力損失.3種類型氣井的井口壓力與連續(xù)油管尺寸、產(chǎn)氣量的關(guān)系如圖2所示.

由圖2可以看出:連續(xù)油管尺寸一定時(shí),產(chǎn)氣量越高,油管壓力損失越大,井口壓力越小;氣井產(chǎn)氣量一定時(shí),連續(xù)油管尺寸越小,油管壓力損失越大,井口壓力越小.同時(shí),相比于低產(chǎn)井和中產(chǎn)井,隨產(chǎn)氣量的增加和連續(xù)油管尺寸的減小,高產(chǎn)井的井口壓力減小幅度更大.

圖2 不同連續(xù)油管尺寸的井口壓力

根據(jù)井口壓力計(jì)算結(jié)果,滿足低產(chǎn)井和中產(chǎn)井生產(chǎn)要求的連續(xù)油管直徑為44.5,50.8,60.3,73.0,88.9 mm.滿足高產(chǎn)井生產(chǎn)要求的連續(xù)油管直徑分別為60.3,73.0,88.9 mm.

2.3 油管攜液和沖蝕分析

由臨界攜液流量和沖蝕流量計(jì)算公式可知,連續(xù)油管尺寸直接影響著連續(xù)油管的攜液能力和抗氣體沖蝕能力.分別計(jì)算低產(chǎn)井、中產(chǎn)井和高產(chǎn)井在不同連續(xù)油管尺寸和井口壓力下的臨界攜液流量和沖蝕流量,以確定滿足頁巖氣井?dāng)y液和生產(chǎn)安全要求的連續(xù)油管尺寸.

以高產(chǎn)井為例,不同連續(xù)油管尺寸的臨界攜液流量和沖蝕流量如圖3所示.由圖3a可知,井口壓力一定時(shí),連續(xù)油管尺寸越大,臨界攜液流量越大,即尺寸越小的連續(xù)油管攜液能力越強(qiáng).

由圖3b可知,井口壓力一定時(shí),連續(xù)油管尺寸越大,沖蝕流量越大,即尺寸越大的連續(xù)油管抗沖蝕能力越強(qiáng).與臨界攜液流量相比,連續(xù)油管尺寸一定時(shí),井口壓力越大,氣井沖蝕流量越大.

圖3 不同連續(xù)油管尺寸的臨界攜液流量和沖蝕流量

2.4 尺寸優(yōu)選

綜合以上分析結(jié)果,從合理產(chǎn)氣量、油管壓力損失、油管攜液和抗氣體沖蝕等方面,優(yōu)選出的低產(chǎn)井連續(xù)油管直徑分別為44.5,50.8,60.3 mm,中產(chǎn)井連續(xù)油管直徑分別為50.8,60.3,73.0 mm,高產(chǎn)井連續(xù)油管直徑分別為60.3,73.0,88.9 mm.

3 結(jié)論

1)為更合理確定不同生產(chǎn)井的連續(xù)油管尺寸,根據(jù)頁巖氣井無阻流量、測(cè)試產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量,將頁巖氣井分為低產(chǎn)井、中產(chǎn)井和高產(chǎn)井3類.

2)結(jié)合產(chǎn)能方程和管流壓降方程,分別建立低產(chǎn)、中產(chǎn)和高產(chǎn)井的節(jié)點(diǎn)分析模型,計(jì)算不同連續(xù)油管尺寸的最大產(chǎn)氣量、井口壓力、臨界攜液流量和沖蝕流量,并分析連續(xù)油管尺寸對(duì)氣井產(chǎn)量、井筒管流壓力損失、攜液和抗沖蝕的影響.

3)綜合考慮最大產(chǎn)氣量、管流壓力損失、連續(xù)油管攜液和抗氣體沖蝕等因素,優(yōu)選出3種類型的頁巖氣井連續(xù)油管尺寸,可滿足不同類型頁巖氣井的安全生產(chǎn)和攜液要求.