水平井排水采氣工藝模擬試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

(中石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安 710000) (中國石油工程技術(shù)研究院有限公司海外所，北京 102206) (中石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司，河南 南陽 473132)

長慶氣田為低壓低產(chǎn)氣藏，部分先期開發(fā)氣井已進(jìn)入生產(chǎn)中后期，特別是水平井，已出現(xiàn)攜液能力差、井筒積液不斷增多等現(xiàn)象[1,2]。隨著低產(chǎn)低效井逐年增多，嚴(yán)重影響了氣井正常生產(chǎn)及最終采收率。排水采氣措施能有效排出井筒積液，提高氣井產(chǎn)量，是長慶氣田開發(fā)后期必備的配套生產(chǎn)措施[3]。目前長慶氣田開展的各項(xiàng)排水采氣工藝措施，由于缺乏必要的中試平臺(tái)而無法有效驗(yàn)證及優(yōu)化[4]。西南油氣田采氣研究院擁有一套采氣工藝模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其試驗(yàn)井為直井，井深940m，設(shè)計(jì)壓力35MPa；儲(chǔ)氣井為直井，井深181m，壓力25MPa，配套的相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)參數(shù)隨著水平井開發(fā)及排水采氣新技術(shù)的發(fā)展，已無法滿足需求[5]。開展排水采氣試驗(yàn)系統(tǒng)研制，進(jìn)行多相流流體試驗(yàn)研究、排水采氣工藝機(jī)理及試驗(yàn)研究，已成為實(shí)現(xiàn)排水采氣工藝技術(shù)和裝備創(chuàng)新發(fā)展的必要手段，這對(duì)科研成果的及時(shí)轉(zhuǎn)化和新技術(shù)的推廣應(yīng)用有著十分重要的意義。排水采氣試驗(yàn)系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，牽涉的學(xué)科多，技術(shù)難度大，為確保整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)能充分發(fā)揮其功用，創(chuàng)新地建立了一套自動(dòng)化測(cè)控及解釋系統(tǒng)[6,7]。

1 設(shè)計(jì)原理

水平井排水采氣工藝模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要由大斜度工藝試驗(yàn)井(1720m)、儲(chǔ)氣直井(1060m)、氣液混合精確控制注入系統(tǒng)、返出流體分離計(jì)量循環(huán)系統(tǒng)、井下多點(diǎn)直讀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、井筒流體解釋系統(tǒng)等部分組成。工藝試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全程數(shù)字化監(jiān)控，具備試驗(yàn)過程監(jiān)測(cè)、回放、預(yù)警功能。該系統(tǒng)流程圖如圖1所示，通過空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮后，經(jīng)高壓管線儲(chǔ)入儲(chǔ)氣井，為氣液混合橇持續(xù)供氣，同時(shí)柱塞泵經(jīng)過高壓管道、流量計(jì)等將試驗(yàn)液體泵入氣液混合橇；氣液兩相按設(shè)計(jì)比例在氣液混合橇中充分混合，從油套環(huán)空進(jìn)入工藝試驗(yàn)井后并沿油管返回井口，流體經(jīng)節(jié)流管匯入到達(dá)氣液兩相分離器分離；分離后的液體經(jīng)計(jì)量橇返回儲(chǔ)液罐，再經(jīng)過濾器處理后循環(huán)利用，分離后的氣體經(jīng)計(jì)量橇后，通過消聲裝置放空排放。工藝試驗(yàn)井利用測(cè)試短節(jié)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油管內(nèi)外溫度、壓力，地面配套設(shè)備通過智能變送器、壓力變送器、差壓變送器、流量計(jì)、液位計(jì)等現(xiàn)場(chǎng)儀表與監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)采集，利用解釋軟件實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)與分析。

圖1 工藝試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

2 硬件開發(fā)

2.1 試驗(yàn)井系統(tǒng)

試驗(yàn)井系統(tǒng)主要由工藝試驗(yàn)井及大容量儲(chǔ)氣井組成。工藝試驗(yàn)井為大斜度井，井筒承壓70MPa，井深1720m，直井段1200m，斜井段520m，斜度80°，斜井段平緩，雙套管懸掛井筒，外層采用?7in TPCQ 套管固井完井，內(nèi)部可懸掛?3～?5in標(biāo)準(zhǔn)套管，配套70MPa油套管頭及KQ65-70采氣樹，共計(jì)2套環(huán)空和6路流體流入、流出管路，可根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行切換。大容量儲(chǔ)氣井設(shè)計(jì)為直井，?9in井筒，井筒工作壓力70MPa，井深1060m，采用?9in TPCQ套管鋼級(jí)完井，?2in油管作為完井管柱，采用下沉式KQ65-70井口，可滿足常壓下10×104m3/d的氣體供給能力。

2.2 地面混合-分離-計(jì)量系統(tǒng)

1)氣液混合供給系統(tǒng) 流體混合供給系統(tǒng)包括電控箱、蓄能器總成、電動(dòng)泵總成、高壓管匯系統(tǒng)總成、橇架總成(見圖2)。該系統(tǒng)能有效模擬氣井儲(chǔ)層壓力、流體組成、流量，將高壓氣液兩相按照設(shè)計(jì)要求的比例進(jìn)行精確控制調(diào)配混合，均勻注入試驗(yàn)井中。采用電液結(jié)合的控制方式，液壓系統(tǒng)可滿足高壓施工中的穩(wěn)定控制動(dòng)力，具備本地與遠(yuǎn)程的控制功能；蓄能器滿足了系統(tǒng)緊急情況下的控制功能，系統(tǒng)工作壓力70MPa，工作液量0～720m3/d，氣量1000～100000m3/d。

圖2 氣液混合供給系統(tǒng)

2)分離計(jì)量控制系統(tǒng) 為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程返出氣體及液體循環(huán)利用，設(shè)計(jì)開發(fā)了氣液兩相分離器和返排處理消聲裝置。氣液兩相分離器設(shè)計(jì)氣體處理量30×104m3/d，液體處理量1000m3/d，測(cè)量精度1%。

2.3 井下多點(diǎn)直讀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

井下多點(diǎn)直讀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見圖3)是在試驗(yàn)井內(nèi)不同的深度安裝多個(gè)全通徑測(cè)量短節(jié)，實(shí)時(shí)測(cè)量井內(nèi)的壓力、溫度參數(shù)，通過傳輸介質(zhì)上傳給地面系統(tǒng)，由地面系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集處理。測(cè)量短節(jié)主要由雙壓力溫度測(cè)量組件、托筒及傳輸電纜組成(見圖4)，采用模塊化設(shè)計(jì)，通過TEC電纜連接到雙壓力溫度測(cè)量組件上，建立電纜高速遙傳工作模式。

圖3 井下多點(diǎn)直讀監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 圖4 入井測(cè)量短節(jié)

3 軟件開發(fā)

圖5 數(shù)據(jù)解釋原理

試驗(yàn)井包含大環(huán)空、小環(huán)

空與油管3個(gè)通道。試驗(yàn)過程中，可以任選其中1個(gè)通道作為注氣注水通道，其他2通道可任選1個(gè)作為排出通道，可形成6種通道組合進(jìn)行試驗(yàn)，即3個(gè)注入通道與2個(gè)排出通道的組合。

井筒流體解釋系統(tǒng)軟件動(dòng)態(tài)鏈接庫由輸入模塊、計(jì)算模塊和輸出模塊組成。通過在輸出模塊輸入測(cè)量數(shù)據(jù)，選擇適當(dāng)?shù)臄y液模型，利用計(jì)算模塊完成數(shù)據(jù)計(jì)算與參數(shù)反演(見圖5)，在輸出模塊進(jìn)行流體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄顯示。

4 應(yīng)用

針對(duì)積液嚴(yán)重的停產(chǎn)井開展復(fù)產(chǎn)模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)工藝流程如圖6所示。試驗(yàn)前氣井為水淹停產(chǎn)井或者嚴(yán)重水淹低產(chǎn)井，氣井油管和油套環(huán)空存在明顯氣液界面，通過氣舉措施，利用壓縮空氣將井筒內(nèi)積液排出。采出井?5in套管和?2in油管與大氣連通，通過柱塞泵向?7in套管注入純水，利用井筒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀察?5in套管和?2in油管內(nèi)的液面高度，設(shè)置不同的試驗(yàn)初始井筒積液高度。液面準(zhǔn)備就緒后，關(guān)閉?5in套管和?2in油管閥門，從?7in套管注氣，設(shè)置不同的初始地層壓力，觀察井筒內(nèi)壓力和液面的變化情況以及井口壓力的變化情況。為與氣井真實(shí)舉升情況接近，在設(shè)定好地層壓力后，緩慢打開?2in油管閥門，逐級(jí)降低井口油壓，觀察井筒液面變化情況，在降低油壓期間為保證地層壓力穩(wěn)定，持續(xù)向?7in套管注入壓力，當(dāng)井口油壓、套壓和地層壓力穩(wěn)定時(shí)，開始進(jìn)行氣舉復(fù)產(chǎn)試驗(yàn)，分別監(jiān)測(cè)套管和油管的壓力、液面變化，待液面完全排出為止。通過試驗(yàn)逐級(jí)增加井筒內(nèi)的液面深度和地層壓力，驗(yàn)證在不同地層壓力和不同積液高度下，氣舉復(fù)產(chǎn)的難易程度。

圖6 氣井積液氣舉復(fù)產(chǎn)模擬試驗(yàn)工藝流程

工藝條件如下：地層持續(xù)供氣10000m3/d，井筒積液3.5m3。氣舉連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)曲線如圖7所示，試驗(yàn)開始油壓6.83MPa、套壓7.5MPa，試驗(yàn)注入水氣比20.9m3/104m3，試驗(yàn)停止時(shí)油壓4.17MPa、套壓1.92MPa，產(chǎn)氣量1313m3，累計(jì)排液量2.4m3。對(duì)于氣井在地層能量較低、井底壓力較低情況下，出現(xiàn)嚴(yán)重積液時(shí)，利用自身能量很難排除，通過采取憋壓氣舉排水措施，瞬間產(chǎn)氣量可達(dá)10000m3/d，可以實(shí)現(xiàn)迅速排液。

通過逐級(jí)增加井筒內(nèi)的液面深度和地層壓力，可完成在不同地層壓力和不同積液高度下，氣舉復(fù)產(chǎn)難易程度的驗(yàn)證，為氣井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)開展水平井氣舉排水工藝作業(yè)提供實(shí)踐指導(dǎo)。

5 結(jié)論

1)完成了水平井排水采氣工藝試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)開發(fā)。主要包括試驗(yàn)井系統(tǒng)、井下多點(diǎn)直讀測(cè)試系統(tǒng)、地面混合-分離-計(jì)量系統(tǒng)、井筒流體解釋系統(tǒng)及視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，該試驗(yàn)系統(tǒng)整體處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

2)建立了一套具有控制、管理和監(jiān)測(cè)功能的智能測(cè)控及井下多點(diǎn)溫度壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。及時(shí)掌握運(yùn)行參數(shù)，分析試驗(yàn)過程中各物理量隨時(shí)間變化規(guī)律，同步采集，能有效監(jiān)控整個(gè)試驗(yàn)過程，實(shí)現(xiàn)工藝流程控制、歷史數(shù)據(jù)回溯與分析，有利于開展工藝模擬試驗(yàn)。

3)通過開展氣舉生產(chǎn)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、設(shè)備安全性、參數(shù)準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)的開發(fā)將有利于開展排水采氣理論研究及接近工況下的工藝性能評(píng)價(jià)，為氣井排水采氣工藝模擬及工程試驗(yàn)提供有效手段，為解決長期困擾水平井生產(chǎn)積液難題提供試驗(yàn)平臺(tái)。