頁巖氣排采工藝技術(shù)適應性分析及對策

張宏錄，許 科，高詠梅，徐 騫，韓 倩

（1.中國石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210031；2.泰州油恒油氣工程服務有限公司，江蘇泰州225300）

國外的頁巖氣排水采氣技術(shù)主要是優(yōu)化噴嘴控制技術(shù)，通過選取不同直徑的噴嘴控制產(chǎn)氣量。國內(nèi)涪陵、彭水、武隆頁巖氣田排采工藝主要有優(yōu)選管柱、泡沫排采、壓縮機氣舉、柱塞氣舉、電潛泵、射流泵等排水采氣工藝技術(shù)[1]。通過CNKI 數(shù)據(jù)庫查詢，在頁巖氣組合排水采氣工藝方面，國內(nèi)涪陵頁巖氣田應用了渦流—柱塞組合排采工藝、同心雙管組合排采工藝[2-3]。電潛泵—氣舉組合排采工藝[4]目前還處于室內(nèi)研究階段。

華東油氣分公司平橋南主體區(qū)地層壓力系數(shù)介于1.30～1.32，目前已投產(chǎn)頁巖氣井28口，已投產(chǎn)井油壓5.81～17 MPa，套壓6.45～19 MPa，其中有27口井依靠地層自身能量自噴生產(chǎn)，1口井采用柱塞氣舉生產(chǎn)[5]。彭水、武隆區(qū)塊地層壓力系數(shù)介于0.92～0.96[6]，為常壓頁巖氣藏，目前有6口井。頁巖氣高壓自噴生產(chǎn)時間為3～4 a，平均日產(chǎn)氣量（4～8）×104m3，中低壓階段生產(chǎn)時間為4～11 a，平均日產(chǎn)氣量（0.3～4）×104m3。生產(chǎn)井進入中低壓階段后需要采用人工舉升工藝進行排水采氣。

頁巖氣單一的排采工藝都有一定的應用條件。泡沫排水采氣適用于低壓、日水產(chǎn)量低于30 m3的氣井[7-8]；氣舉排水采氣適用于排量大的氣井，適宜于氣藏強排液；電潛泵排采工藝適應于高液量頁巖氣井的排采，但不適應于產(chǎn)液量低于20 m3的排采井[9]；柱塞氣舉排水采氣工藝適用于地層有一定能量的排采井[10]，且排采井的套壓與輸壓達到5 MPa以上。本文分析研究了彭水、武隆常壓頁巖氣井及平橋南區(qū)排采工藝技術(shù)應用情況，找出排采工藝中存在的主要問題，提出相應的工藝技術(shù)對策，為平橋南區(qū)塊頁巖氣的排采工藝提供了一種新的技術(shù)支持。

1 頁巖氣排采工藝技術(shù)應用現(xiàn)狀

彭水、武隆及平橋南區(qū)塊應用的排采工藝主要有電潛泵、射流泵、連續(xù)氣舉、柱塞氣舉等排采工藝，通過現(xiàn)場試驗，取得了一定的應用效果。

1.1 電潛泵排采工藝技術(shù)

1）技術(shù)原理

電潛泵排采工藝適應于高液量頁巖氣井的排采。電潛泵是一種最早用于采油的人工舉升設備，它是采用多級離心泵下入井底，啟泵后將油管中積液迅速排出井口，以降低回壓，提高氣藏采收率的一種排水采氣工藝技術(shù)[11]。電潛泵排水采氣的工作原理是：地面電源通過變壓器、控制屏和電纜將電能輸送給井下電機，電機帶動多級離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)，將井液舉升到地面。電潛泵排采工藝要求排采井含砂量不超過0.05%，電潛泵沉沒度達到200 m 以上，氣液比小于15%。

2）現(xiàn)場應用情況

PY3井是彭水區(qū)塊的1口頁巖氣井，該井處于彭水區(qū)塊向斜核部，壓力系數(shù)大于1，地層能量較充足。投產(chǎn)1 079 d，實際生產(chǎn)714 d，早期作業(yè)頻繁，在解除壓裂液與地層的不配伍問題后實現(xiàn)穩(wěn)定自噴生產(chǎn)。該井初期電潛泵生產(chǎn)的下泵深度2 667 m（垂深），日產(chǎn)液35 m3，最高日產(chǎn)氣28 730 m3，生產(chǎn)60 d后，日產(chǎn)液25 m3，日產(chǎn)氣3 721 m3，日產(chǎn)液和日產(chǎn)氣不斷減少，經(jīng)檢泵作業(yè)發(fā)現(xiàn)電潛泵油氣分離器被泥砂堵塞。PY3井在下電潛泵生產(chǎn)的半年時間內(nèi)，因電潛泵缺相停機和過載停機，共進行了4 次檢泵作業(yè)，最后一次檢泵作業(yè)下泵深度2 725 m（垂深），日產(chǎn)液23 m3，日產(chǎn)氣5 870 m3。PY3井電潛泵生產(chǎn)曲線見圖1。

圖1 PY3井電潛泵生產(chǎn)曲線Fig.1 Production curve of electric submersible of well-PY3

1.2 射流泵排采工藝技術(shù)

1）技術(shù)原理

井下管柱由內(nèi)管、外管和射流泵組成。地面動力液經(jīng)過柱塞泵加壓后沿內(nèi)管到達井下射流泵的噴嘴，高壓液體經(jīng)過射流泵的噴嘴噴射后在噴嘴的末端產(chǎn)生低壓區(qū)，地層液體被吸進低壓區(qū)與動力液混合，混合液體經(jīng)過射流泵的喉管升壓后沿內(nèi)管與外管的環(huán)形空間舉升至地面[12-13]。

2）現(xiàn)場應用情況

PY1井投產(chǎn)1 364 d，實際生產(chǎn)590 d，PY1井在使用電潛泵生產(chǎn)期間因地層返出物造成電泵卡共經(jīng)歷了5 次檢電泵作業(yè)，2 次氮氣氣舉作業(yè)，均未能實現(xiàn)該井的連續(xù)性排采。PY1井下射流泵生產(chǎn)時泵深2 207 m，動液面2 046 m，日產(chǎn)液6.1 m3，日產(chǎn)氣3 084 m3，累產(chǎn)氣653.64×104m3，累產(chǎn)液17 751.08 m3，返排率108.81%，套壓1.60 MPa。PY1 井下射流泵生產(chǎn)3 個月后因地面柱塞泵漏油無法正常生產(chǎn)。PY1井射流泵生產(chǎn)曲線見圖2。

圖2 PY1井射流泵生產(chǎn)曲線Fig.2 Production curve of jet pump of well-PY1

1.3 氣舉排采工藝技術(shù)

1.3.1 鄰井氣舉排采工藝技術(shù)1）技術(shù)原理

氣舉排水采氣工藝是目前國內(nèi)外頁巖氣應用最廣泛的排采技術(shù)。氣舉排水采氣適用于排量較大的排采井。氣舉排水采氣是依靠從地面注入井內(nèi)的高壓氣體與油層產(chǎn)出流體在井筒中匯合，利用氣體的膨脹使井筒中的混合液密度降低，以將其排出地面的一種舉升方式。在氣舉管柱中提前下入氣舉閥，當注入氣進入油套環(huán)空時，預先調(diào)試定壓的氣舉閥在注入氣壓力的作用下被打開，氣體經(jīng)閥進入油管，卸載閥以上的液柱被頂替至地面。這一過程從頂閥開始，由上而下依次打開各卸載閥，直至工作閥露出液面為止。氣舉氣源選擇主要有膜制氮氣和天然氣。鄰井有高壓氣的井選擇天然氣氣舉，鄰井沒有高壓氣的井選擇膜制氮氣氣舉[14-15]。

2）現(xiàn)場應用情況

PY3 井進行氣舉生產(chǎn)時用PY1 井的氣體作為氣舉的氣源，PY1 井日產(chǎn)氣7 000 m3，氣體經(jīng)過地面壓縮機增壓11 MPa后注入井下氣舉管柱。該井措施前日產(chǎn)氣5 870 m3，日產(chǎn)液23 m3，增壓連續(xù)氣舉在該井應用后日產(chǎn)液28 m3，日產(chǎn)氣17 424.65 m3。日增產(chǎn)氣11 554 m3。PY3井氣舉生產(chǎn)曲線見圖3。

圖3 PY3井氣舉生產(chǎn)曲線Fig.3 Production curve of jet pump of well-PY3

1.3.2 柱塞泵氣舉排采工藝技術(shù)

1）技術(shù)原理

柱塞排采是將柱塞作為氣液之間的機械界面，利用氣井自身能量推動柱塞在油管內(nèi)進行周期舉液的一種排采方式，能夠有效減少液體“滑脫”效應，起到助排的效果，可充分利用氣體的膨脹能量，提高舉升效率[16]。

2）現(xiàn)場應用情況

JY194-4HF 井投產(chǎn)時采用油管控制生產(chǎn)，日均產(chǎn)氣3.24×104m3，日均產(chǎn)液51.5 m3。生產(chǎn)1 個月后，因外輸壓力上漲，油壓與輸壓同為6 MPa，采用油管敞放間歇生產(chǎn)，日均產(chǎn)氣2.44×104m3，日均產(chǎn)液14.83 m3。因產(chǎn)氣量下降采用同心管射流泵生產(chǎn)，日均產(chǎn)氣1.20×104m3，日均產(chǎn)液9.0 m3。生產(chǎn)2個月后，油壓6 MPa，輸壓5.9 MPa，因油壓接近輸壓，該井采用套管間開生產(chǎn)，生產(chǎn)3個月后，日均產(chǎn)氣1.1×104m3，日均產(chǎn)液6.47 m3，日產(chǎn)氣量不斷下降。該井射流泵下泵深度2 500 m，因該井動液面深度2 505 m，無法滿足生產(chǎn)需要，為了有效排出井筒積液，實現(xiàn)該井連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，采用柱塞氣舉排采工藝，日產(chǎn)氣3.32×104m3，日產(chǎn)液16.7 m3。JY194-4HF井生產(chǎn)曲線見圖4。

圖4 JY194-4HF井生產(chǎn)曲線Fig.4 Production curve of well-JY194-4HF

2 頁巖氣排采工藝適應性分析

彭水、武隆及平橋南區(qū)塊應用的排采工藝主要有電潛泵、射流泵、連續(xù)氣舉、柱塞氣舉等排采工藝，通過現(xiàn)場試驗，取得了一定的應用效果，但每一種排水采氣工藝都有自己的應用條件。

2.1 電潛泵排采工藝技術(shù)適應性分析

PY3 井電潛泵無法正常生產(chǎn)的原因主要有3 個方面：①氣液分離器被有機聚合物嚴重堵塞，堵塞物為分子量3.5×106以上的水溶性高分子聚合物材料及少量支撐劑顆粒；②地層出泥砂造成電潛泵過載停機；③當排采井液量小于20 m3時，造成電潛泵欠載停機。

電潛泵排水采氣工藝適用于頁巖氣井前期高液量時的排采，當后期地層產(chǎn)液量小于20 m3時，會造成電潛泵“燒泵”。地層返出的泥砂會堵塞電潛泵的氣液分離器，潛油電泵在油井中抽汲井液時，要求井液中含砂不超過0.05%，氣體量占氣液總體積流量的0～30 %，沉沒度達到200 m 以上，氣液比小于15%，當氣液比大于15%時，要將電潛泵下入水平段，并采取井下油氣分離措施[17]。

2.2 射流泵排采工藝技術(shù)適應性分析

PY1 井應用射流泵生產(chǎn)后未能實現(xiàn)該井的連續(xù)性排采，主要原因有以下三個方面：①地面柱塞泵漏油，不能實現(xiàn)平穩(wěn)運行；②排液過程中含有較多氣體，嚴重影響射流泵排液能力；③射流泵的泵效低[18]，且目前射流泵最大下泵深度不能超過2 500 m。

射流泵排水采氣工藝適用于氣井深度3 000 m以內(nèi)（垂深）的排水采氣，且地面柱塞泵的壓力大于35 MPa。目前南川頁巖氣水平井的垂深介于3 000～4 000 m，射流泵下泵深度應大于3 000 m，地面動力泵的額定壓力應介于35～40 MPa。射流泵排水采氣工藝不適應平橋南高壓頁巖氣井的排采。

2.3 氣舉排采工藝技術(shù)適應性分析

2.3.1 鄰井氣舉

PY3 井前期用電潛泵生產(chǎn)時，因該井產(chǎn)液量低、砂堵等問題，無法滿足生產(chǎn)需要，2014 年2 月在PY3井進行了鄰井氣舉工藝現(xiàn)場應用。PY3井氣舉采用鄰井PY1 井產(chǎn)出氣作為氣舉氣源，實現(xiàn)了常壓頁巖氣井的連續(xù)性排采。

鄰井氣舉工藝需要高壓鄰井作為氣舉氣源，而且地層壓力需要高于氣舉壓力。氣源井與氣舉井井距不宜過長（1 000 m以內(nèi)），地面增壓機設備有較好的砂、水分離裝置[18]。

2.3.2 柱塞氣舉

JY194-4HF 井于2018 年11 月18 日采用柱塞氣舉生產(chǎn)，至2019 年3 月25 日，該井油壓7 MPa，套壓12MPa，日產(chǎn)氣3.32×104m3，日產(chǎn)液16.7m3。JY194-4HF井采用柱塞氣舉工藝生產(chǎn)后，日產(chǎn)氣由措施前的1.20×104m3上升至目前的3.32×104m3，且生產(chǎn)平穩(wěn)運行，說明柱塞氣舉排水采氣工藝對平橋南區(qū)高壓頁巖氣舉升有較好的適應性。

柱塞氣舉排水采氣工藝主要用于地層有一定能量的低產(chǎn)頁巖氣井排采。氣井自身具有一定的產(chǎn)能，氣井的套壓大于該井的輸壓2 MPa，排采井的日產(chǎn)液量小于30 m3。當排采井的套壓接近輸壓時，地面需要配套壓縮機增壓設備。

3 頁巖氣排采工藝技術(shù)對策

平橋南主體區(qū)地層壓力系數(shù)在1.30～1.32之間，頁巖氣井高壓生產(chǎn)階段依靠地層自身能量自噴生產(chǎn)，隨著生產(chǎn)進入中后期，氣井無法實現(xiàn)自噴生產(chǎn)，需要借助人工舉升排水采氣，從前面的分析得知，電潛泵、射流泵和氣舉排采工藝都有一定的缺點，單一的排采工藝只能適應排采井不同的排采時期，為了克服電潛泵、射流泵和氣舉排采工藝的不足，建議采用電潛泵—氣舉組合排采工藝管柱[19]，一趟生產(chǎn)管柱適應生產(chǎn)井不同的排采時期。

3.1 技術(shù)組成

頁巖氣電潛泵—氣舉組合排采工藝管柱由?73 mm 油管、套管、氣舉閥、智能開關(guān)、電潛泵組成。組合排采工藝管柱見圖5。

3.2 技術(shù)原理

排采前期，當?shù)貙佑幸欢ü┮耗芰r，采用電潛泵排液舉升工藝管柱。液體經(jīng)過電潛泵驅(qū)動后舉升，經(jīng)過智能開關(guān)、氣舉閥及油管的中心通道排出地面，氣體經(jīng)油管與套管的環(huán)形空間排出地面。

圖5 組合排采工藝管柱Fig.5 Composite drainage and gas recovery string

排采后期，當電潛泵的沉沒度下降至100～200 m時，打開油管柱上智能開關(guān)，采用氣舉誘噴[20]。此時，從油管與套管的環(huán)空注氮氣，氮氣經(jīng)氣舉閥后到達油管，液體經(jīng)智能開關(guān)后到達油管，氮氣進入油管后與油管內(nèi)的液體混合，氣舉閥以上的液體被頂替至地面。最終實現(xiàn)氣舉終止后，氣體經(jīng)地層壓力驅(qū)動后自動從套管噴出，同時將井底積液帶出地面，實現(xiàn)頁巖氣排采井的連續(xù)性排采[21]。

3.3 技術(shù)特點

1）組合排采工藝技術(shù)克服了電潛泵、射流泵和氣舉排采工藝的缺點，一趟管柱適應排采井不同的排采階段。

2）組合排采工藝減少了電潛泵等排采工藝作業(yè)次數(shù)，節(jié)約了成本費用。

3）工藝管柱設計新穎，施工工藝簡單可靠，成功率高。

4）電潛泵—氣舉組合排采工藝技術(shù)的創(chuàng)新性在于一趟生產(chǎn)管柱實現(xiàn)了頁巖氣排采井的連續(xù)性排采。該管柱既可用于頁巖氣排采井液面充足時正常電潛泵排水采氣生產(chǎn)，又可用于當液面降低到一定程度時，進行氣舉誘噴作業(yè)，減少了電潛泵等排采工藝作業(yè)次數(shù)，實現(xiàn)頁巖氣排采井的連續(xù)性排采。

3.4 技術(shù)參數(shù)

頁巖氣電潛泵—氣舉組合排采工藝管柱配套的主要工具有?73 mm 油管、氣舉閥、智能開關(guān)、電潛泵。井下配套管柱及工具技術(shù)參數(shù)見表1。

4 結(jié)論

1）頁巖氣排采工藝主要有電潛泵、射流泵、連續(xù)氣舉、柱塞氣舉等，但每一種排采工藝都有一定的應用條件，不同的排采工藝只能適應頁巖氣井特定的時期，目前沒有一種排采工藝能夠適應頁巖氣井整個生產(chǎn)過程。

表1 井下配套管柱及工具技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of underground supporting string and tools

2）電潛泵排采工藝適應于高液量頁巖氣井的排采，但不適應于產(chǎn)液量低于20 m3的排采井；柱塞氣舉工藝對平橋南區(qū)高壓頁巖氣井中期排采具有較好的適應性，但不適宜于頁巖氣井后期排采；射流泵排水采氣工藝適用于氣井深度3 000 m 以內(nèi)（垂深）的排采井。

3）在平橋南區(qū)建議開展電潛泵—氣舉組合排采工藝管柱現(xiàn)場試驗，一趟生產(chǎn)管柱適應生產(chǎn)井不同的排采時期，最終實現(xiàn)頁巖氣井連續(xù)性排采。