頂部注氣重力驅(qū)控氣采液井筒可視化模擬實(shí)驗(yàn)

耿彤 秦義 楊小平 顧龔杰 翟錫芝 高艷芳 楊康

中國(guó)石油華北油田公司工程技術(shù)研究院

0 引言

華北雁翎油田屬于背斜構(gòu)造、斷鼻構(gòu)造、潛山構(gòu)造的輕質(zhì)油藏老油田，且具有埋藏較深(平均埋深 2 905 m)、油藏傾角大 (20～25°)、油層厚 (244 m)等特點(diǎn)，經(jīng)過歷年水驅(qū)開發(fā)后自然遞減逐年加快，在油藏頂部滯留“閣樓油”，存在高含水條帶。為使中、弱水淹層進(jìn)一步有效動(dòng)用，采取頂部注氣重力驅(qū)是目前注氣非混相驅(qū)中提高采收率幅度最高的一種新開發(fā)方式［1-3］。

國(guó)外許多學(xué)者對(duì)頂部注氣重力驅(qū)技術(shù)做了大量研究工作，約90%的文獻(xiàn)主要是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，其余文獻(xiàn)則僅評(píng)價(jià)了已成功實(shí)施注氣重力驅(qū)技術(shù)的油藏開發(fā)效果［4-9］。國(guó)內(nèi)關(guān)于頂部注氣重力驅(qū)技術(shù)研究相關(guān)報(bào)道也主要是利用數(shù)值模擬技術(shù)，進(jìn)行注氣驅(qū)替機(jī)理研究，通過綜合考慮油藏地質(zhì)參數(shù)、開發(fā)參數(shù)等方面因素，認(rèn)為氣油界面的穩(wěn)定性是注氣重力驅(qū)成功的關(guān)鍵，開發(fā)因素方面的臨界注氣速度、合理區(qū)域注采比、生產(chǎn)井射孔位置等是影響油氣界面穩(wěn)定性的關(guān)鍵定因素；初步定性、定量建立了適合注氣重力驅(qū)油藏篩選條件；針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)如何控制油氣界面穩(wěn)定性，提出“注采兼顧、分區(qū)控壓限產(chǎn)、追蹤界面調(diào)整”的注氣采油開發(fā)政策［10-16］。

Mahmoud 等［17-18］建立了一個(gè)可視化模型進(jìn)行注氣穩(wěn)定重力驅(qū)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究注氣驅(qū)油過程中油氣界面變化、注氣速度對(duì)采收率的影響。其中控制氣液界面穩(wěn)定性是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施注氣重力驅(qū)技術(shù)的核心。氣液界面可劃分為油藏生產(chǎn)井井筒氣液界面(即點(diǎn)界面)和油藏平面氣液界面(即平面界面)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中控制好點(diǎn)界面和平面界面，就相應(yīng)控制住了油藏體界面(即三維氣液界面)。提出的“注采兼顧、分區(qū)控壓限產(chǎn)”主要強(qiáng)調(diào)的是控制平面界面穩(wěn)定性；而井筒氣液界面控制控制的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究尚未查到有關(guān)報(bào)道。隨著不斷周期性注氣，油氣界面下移，不可避免會(huì)造成井筒氣竄，因此提出在重力驅(qū)前中期通過經(jīng)濟(jì)允許的套管放氣量和合理的抽汲參數(shù)達(dá)到井筒“氣液分疏、控氣采液”的采油舉升工藝思路。若后期地層生產(chǎn)層段全氣相，則井筒全部進(jìn)氣，采油階段結(jié)束。

為直觀研究注氣驅(qū)油過程，開展了注氣驅(qū)采油井筒可視化模擬研究，觀察氣液在模擬井筒的流動(dòng)狀態(tài)，判斷氣體在進(jìn)入井筒時(shí)及進(jìn)入井筒后的運(yùn)動(dòng)形態(tài)；通過套管放氣判斷在井筒內(nèi)能否形成穩(wěn)定氣液界面，獲得油井舉升、井口套管放氣時(shí)氣液分離過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直觀表述井筒流動(dòng)形態(tài)，為注氣重力驅(qū)油井生產(chǎn)中套管放氣量、尾管下入深度和泵抽參數(shù)等參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，供生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

對(duì)采液系統(tǒng)進(jìn)行全尺寸比例物理模擬，主要技術(shù)參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)裝置包括介質(zhì)供給系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)和采油模擬系統(tǒng)。采油模擬系統(tǒng)中的井筒管柱均采用透明有機(jī)玻璃鋼。其實(shí)驗(yàn)裝置及可視化試驗(yàn)井筒管柱示意圖分別見圖1、圖2。其中圖2中進(jìn)氣液位置可調(diào)，模擬的是地層產(chǎn)層流體進(jìn)入井筒的位置。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the simulation experiment device

圖1 模擬試驗(yàn)裝置Fig.1 Simulation experiment device

圖2 可視化模擬試驗(yàn)井井筒管柱Fig.2 Schematic string in the borehole of visual simulation experiment well

2 實(shí)驗(yàn)方法及分析

在做任何實(shí)驗(yàn)之前，先將油管分別下入產(chǎn)層以下2.3 m或4 m處(見圖3)，油套環(huán)空充滿水，調(diào)至供采平衡后方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.1 井口套管不放氣條件下實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)井不泵抽時(shí)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法及目的：在進(jìn)液量為0.12 m3/h實(shí)驗(yàn)條件下，分別以1 m3/h和5 m3/h的進(jìn)氣速度向產(chǎn)層供氣，觀察不同氣液比下氣體在井筒中的流動(dòng)狀態(tài)。

圖3 油管分別下入產(chǎn)層以下2.3 m和4 m處井筒Fig.3 Schematic borehole with the tubing at 2.3 m and 4 m below the producing pay

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在定液量下，隨著入口氣量增加，產(chǎn)層上部氣流型由泡狀流變?yōu)閿噭?dòng)流，但是產(chǎn)層下部仍為靜止液柱。分析隨著氣體進(jìn)入環(huán)空，氣體只會(huì)因重力分異上竄至壓力較小的產(chǎn)層上部環(huán)空，而不會(huì)對(duì)產(chǎn)層下部的靜液柱產(chǎn)生影響。說明當(dāng)油管下過生產(chǎn)層時(shí)，起到了很好的防氣效果，氣體將不會(huì)下竄至泵吸入口處，避免了氣體進(jìn)泵，對(duì)泵效造成影響。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)井泵抽時(shí)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

在沖程2 m、沖次3.33次/min、進(jìn)液量0.12 m3/h實(shí)驗(yàn)條件下，分別以 1 m3/h、2 m3/h、3 m3/h、4 m3/h和5 m3/h的進(jìn)氣速度向產(chǎn)層供氣，泵抽實(shí)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)氣液面降至泵吸入口上方之前結(jié)束。觀察不同氣液比下氣體在井筒中的流動(dòng)狀態(tài)，分析研究不同氣液比下氣液面下降速度。

結(jié)果表明，將油管分別下入產(chǎn)層以下2.3 m和4 m處2組平行實(shí)驗(yàn)中，隨氣量增加，產(chǎn)層上部油套環(huán)空從泡狀流逐漸變?yōu)閿噭?dòng)流，泵吸入口處始終保持純液狀態(tài)，油管內(nèi)無氣泡出現(xiàn)。但當(dāng)氣液面在產(chǎn)層上部時(shí)，氣液面下降速度較慢；當(dāng)氣液面降至產(chǎn)層以下時(shí)，氣液面下降速度較快。

從氣液面與生產(chǎn)時(shí)間關(guān)系圖4和氣液面與套壓關(guān)系圖5分析，隨生產(chǎn)時(shí)間增加，同一工作制度不同氣液比下，氣液面降至產(chǎn)層位置時(shí)的套壓均存在一個(gè)拐點(diǎn)，這是因?yàn)闅庖好嬖诋a(chǎn)層上部時(shí)套壓較小，對(duì)應(yīng)井底流壓較小，產(chǎn)層供液不受影響，氣液面下降速度較慢，套壓上升幅度較大；當(dāng)氣液面降至產(chǎn)層以下時(shí)套壓較大，井底流壓增大，影響地層供液，打破之前供采平衡狀態(tài)，采液速度大于供液速度，導(dǎo)致氣液面下降較快，套壓上升幅度減??；不同進(jìn)氣速度造成套壓上升速度不同，供氣速度越大，套壓上升越快，氣液面下降至泵吸入口所需時(shí)間越短。

圖4 同一工作制度，不同氣液比下，氣液面與時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between gas-liquid contact and time at different gas/liquid ratios in the same working system

圖5 同一工作制度，不同氣液比下，氣液面與套壓關(guān)系Fig.5 Relationship between gas-liquid contact and casing pressure at different gas/liquid ratios in the same working system

圖6 油管下入產(chǎn)層以上4 m處井筒示意圖Fig.6 Schematic borehole with the tubing at 4 m above the producing pay

2.2 井口套管放氣條件下實(shí)驗(yàn)

2.2.1 油管下入相對(duì)產(chǎn)層不同位置時(shí)，不同氣液比對(duì)泵效影響

實(shí)驗(yàn)方法及目的：將油管分別下入產(chǎn)層以下2.3 m(圖3)和產(chǎn)層以上4 m(圖6)，油套環(huán)空充滿水，調(diào)至供采平衡，在不同工作制度下，進(jìn)液量0.12 m3/h，井口套壓65 kPa的實(shí)驗(yàn)條件下，分別以0.5、1、3和5 m3/h的進(jìn)氣速度向產(chǎn)層供氣，觀察不同氣液比下氣體在井筒中的流動(dòng)狀態(tài)，研究泵抽過程中不同氣液比對(duì)泵效的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在油管下入產(chǎn)層以下2.3 m實(shí)驗(yàn)中，隨氣液比增大，產(chǎn)層上部油套管環(huán)空從泡狀流逐漸變?yōu)閿噭?dòng)流，泵吸入口處始終保持純液狀態(tài)，油管內(nèi)無氣泡出現(xiàn)。

在油管下入產(chǎn)層以上4 m實(shí)驗(yàn)中，隨氣液比增大，油套管環(huán)空和油管內(nèi)均由泡狀流變?yōu)閿噭?dòng)流，泵吸入口處氣泡增加，氣體進(jìn)泵。

從油管分別下入產(chǎn)層以下2.3 m和產(chǎn)層以上4 m，不同工作制度下，通過分析圖7不同氣液比與泵效的關(guān)系可知，相同工作制度，純液狀態(tài)下，油管相對(duì)產(chǎn)層不同位置時(shí)，其泵效差異不大。但隨氣液比增加，油管下入產(chǎn)層上部4 m處時(shí)的泵效迅速下降，這是由于在該生產(chǎn)條件下，氣液在產(chǎn)層位置混合，氣體向壓力低處流動(dòng)，當(dāng)產(chǎn)層位于泵吸入口下部時(shí)，上沖程過程中，泵內(nèi)形成負(fù)壓，固定閥打開，氣體大量進(jìn)泵，導(dǎo)致泵效大幅度下降，當(dāng)氣液比增至1 150 m3/m3時(shí)，泵效僅為16.7%。

當(dāng)油管下入產(chǎn)層以下2.3 m處，開始進(jìn)氣時(shí)，由于密封問題，有少許液體從井口盤根處漏失，導(dǎo)致泵效有所下降，但泵吸入口處，觀察不到氣體進(jìn)泵現(xiàn)象，隨著氣液比進(jìn)一步增大，泵效不再發(fā)生變化，當(dāng)氣液比達(dá)到1 150 m3/m3時(shí)，泵效仍高達(dá)81%。

2種生產(chǎn)工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：氣體進(jìn)入井筒后，氣體全部沿環(huán)空上行，油管下過產(chǎn)層可以有效防止氣體進(jìn)泵。

2.2.2 不同放氣量(套壓)和氣液比下，保證實(shí)驗(yàn)井穩(wěn)定生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法及目的：將油管分別下入產(chǎn)層以下2.3 m和4 m(圖3)，油套環(huán)空充滿水，調(diào)至供采平衡后，關(guān)閉套管放氣閥，以5 m3/h的進(jìn)氣速度向產(chǎn)層供氣，目測(cè)當(dāng)氣液面由上往下壓至泵吸入口處后，沖程1 m、沖次3.13 次/min、進(jìn)液量0.12 m3/h、進(jìn)氣速度分別為3 m3/h和5 m3/h實(shí)驗(yàn)條件下，緩慢打開套管放氣閥，放氣量由小變大，記錄氣液面穩(wěn)定后的高度及對(duì)應(yīng)套壓，觀察井筒流態(tài)，研究實(shí)驗(yàn)井穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)，氣液面和套壓變化及對(duì)泵效的影響規(guī)律。

圖7 油管相對(duì)產(chǎn)層不同位置下，不同氣液比與泵效關(guān)系Fig.7 Relationship between gas/liquid ratio and pump efficiency for different relative positions of tubing to producing pay

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：將油管分別下入產(chǎn)層以下2.3 m和4 m處2組平行實(shí)驗(yàn)中，通過井口放氣量調(diào)節(jié)，氣液面可調(diào)控穩(wěn)定在不同位置，井筒氣液從泡狀流逐漸變?yōu)閿噭?dòng)流。從油管分別下入產(chǎn)層以下2.3 m和4 m處，同一工作制度，不同放氣量和氣液比下，分析氣液面位置與套壓、套壓和放氣量與泵效關(guān)系(圖8～圖10)。

圖8 不同放氣量下氣液面位置與套壓的關(guān)系Fig.8 Relationship between gas-liquid contact position and casing pressure at different gas releasing rates

圖9 不同放氣量下套壓與泵效的關(guān)系Fig.9 Relationship between casing pressure and pump efficiency

圖10 不同氣液比下放氣量與泵效的關(guān)系Fig.10 Relationship between gas releasing rate and pump efficiency at different gas/liquid ratios

不同氣液比下，隨放氣量增加，氣液面與套壓均成正比關(guān)系；由于套壓越高，氣柱段越長(zhǎng)，動(dòng)液面越低，導(dǎo)致沉沒度越低，使得泵效隨套壓升高而減小。實(shí)驗(yàn)表明：通過控制套管放氣量，能保持井筒氣液面相對(duì)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)井正常生產(chǎn)。

3 結(jié)論與建議

(1)任何條件下，產(chǎn)層氣體進(jìn)入井筒中均快速向上運(yùn)動(dòng)，氣液兩相流型主要為泡狀流和攪動(dòng)流。若將油管下入產(chǎn)層以上時(shí)，注入氣進(jìn)入井筒后，部分進(jìn)泵，部分沿環(huán)空上行；隨著進(jìn)氣量的增加，發(fā)生氣竄，說明常規(guī)生產(chǎn)管柱不適應(yīng)高氣液比下的帶氣生產(chǎn)。

(2)將油管下入產(chǎn)層以下時(shí)，由于氣液密度差，氣體全部沿環(huán)空上行，說明非混相注入氣依靠重力可以分異；若套管不放氣，氣體密度小，直接向油套環(huán)空聚集，無氣體進(jìn)泵，但隨進(jìn)氣量增大，套壓上升，氣液面下降，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)；套管放氣量越大，氣液面越高，套壓越小，通過控制套管放氣量，維持氣液面穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)一段時(shí)間的正常生產(chǎn)。

(3)建議在頂部重力驅(qū)油藏生產(chǎn)過程中發(fā)生井筒氣竄時(shí)，可在允許最大經(jīng)濟(jì)放氣量下開展套管放氣試驗(yàn)，通過摸索井口放氣量和合理的工作制度，實(shí)現(xiàn)油井氣液分疏、穩(wěn)定生產(chǎn)。