致密氣藏水平井速度管下入時間確定方法

吳武超，李治平，賴楓鵬，任廣磊，趙釗

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）非常規(guī)天然氣能源地質(zhì)評價與開發(fā)工程北京市重點實驗室，能源學(xué)院，北京 100083；2.中國石化華北分公司勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

對于低壓、低滲、低產(chǎn)及有水氣藏，氣井隨著產(chǎn)量下降而最終導(dǎo)致停產(chǎn)是很普遍的現(xiàn)象。為此，需通過降壓帶液、泡排、氣舉、優(yōu)選管柱（速度管）等排采工藝來改善氣井的積液情況，從而實現(xiàn)氣井的連續(xù)生產(chǎn)[1-2]。

針對致密氣藏水平井排液難題，不少氣田加裝速度管，現(xiàn)場應(yīng)用效果明顯[3]。速度管技術(shù)是通過在油管中下入同心連續(xù)油管，通過連續(xù)油管向油管和連續(xù)油管的環(huán)形空間注入高壓氣體（天然氣或氮氣），舉升井中的積液；或利用連續(xù)油管充當(dāng)生產(chǎn)管柱，依靠氣井自身能量，利用小油管特性，提高氣體流速，減小液體的滑脫損失，達到排水采氣的目的[4]。目前對速度管的研究主要是管柱尺寸優(yōu)化及工藝效果評價[3]，而關(guān)于速度管下入時間的研究很少，僅有部分學(xué)者從經(jīng)濟和技術(shù)角度進行了研究[5]。

通過對華北DND致密氣田實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的研究，提出了從井底開始積液的角度、利用井筒臨界攜液流量和生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合確定速度管下入時間的理論計算方法。

1 下入時間計算

1.1 研究思路

氣田的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗表明，隨著氣藏開發(fā)不斷深入，氣井必然積液。井筒積液會增加井筒回壓，導(dǎo)致氣井產(chǎn)能降低，嚴重時造成氣井停產(chǎn)。在氣井的實際生產(chǎn)中，提高排液能力對于氣井減少積液、保障連續(xù)生產(chǎn)具有十分重要的意義。如果能在氣井開始積液時增強氣井的排液能力，就能大大地改善氣井的生產(chǎn)情況。故本研究從積液的角度應(yīng)用臨界攜液流量模型計算速度管下入時間。

先選擇適合水平井的臨界攜液流量模型作為判斷氣井積液的標準，通過計算得到氣井的臨界攜液流量曲線，比較實際日產(chǎn)氣量與臨界攜液流量曲線。當(dāng)臨界攜液流量高于日產(chǎn)氣量時，此時氣井開始積液，對應(yīng)的時間即為速度管下入時間。

1.2 臨界攜液流量公式

目前關(guān)于臨界攜液流量的研究很多，如Turner等提出的球狀模型、Coleman等提出的球狀模型、Nosseir等提出的球狀模型、李閩等提出的橢球模型及楊川東模型等[6-10]。根據(jù)DND氣田部分井的生產(chǎn)資料，應(yīng)用上述臨界模型進行計算，預(yù)測結(jié)果見表1。

通過對比氣井實際生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)Turner和楊川東模型的計算結(jié)果往往較大；Coleman雖在Turner模型的基礎(chǔ)上進行了修正，但預(yù)測效果一般；李閩模型相對較好，對部分井適用。由于以上模型均沒有考慮井斜角和水平井段的影響，因而模型在水平井中的應(yīng)用效果不好，不適合作為判斷水平井積液的標準。

表1 部分井模型預(yù)測結(jié)果與實際生產(chǎn)情況對比

考慮水平井井身結(jié)構(gòu)的影響，本研究應(yīng)用了水平井臨界攜液流量模型[11]。將水平井臨界攜液流量模型分為3部分，即垂直段、水平段和造斜段臨界攜液流速模型。

式中：vcr1，vcr2，vcr3分別為垂直段、水平段、造斜段的臨界流速，m/s；籽g，籽l分別為氣相、 液相密度，kg/m3；滓l為液相表面張力，N/m；茲為井斜角，（°）；g為重力加速度，m/s2；Qcr為臨界攜液流量，104m3/d；Ati為油管截面積，m2；vcr為臨界流速，m/s；d 為油管內(nèi)徑，m；p 為壓力，MPa；Z 為壓縮因子；T 為溫度，K。

其中，液相表面張力采用Katz公式計算[12]：

結(jié)合華北DND氣田水平井實際參數(shù)，計算結(jié)果表明，水平井臨界攜液流量呈3段分布。由于水平井造斜段傾斜角較大，因此造斜段的臨界攜液流量最大，水平段次之，垂直段最?。ㄒ姳?）。同時根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場反饋，造斜段的積液最難攜帶，因此以造斜段臨界攜液流量模型來判斷積液更為可靠。

表2 部分井測試階段攜液計算結(jié)果

1.3 速度管下入時間

選取33口裝有速度管的水平井，油管尺寸均為88.9 mm。結(jié)合華北DND氣田水平井資料，應(yīng)用造斜段臨界攜液流量模型，分別得到水平井生產(chǎn)曲線及對應(yīng)的臨界攜液流量曲線，從而確定速度管下入時間。

現(xiàn)以X-1井為例，具體說明確定速度管下入時間的方法（見圖1）。從生產(chǎn)記錄資料可知，X-1井在生產(chǎn)初期進行了多次泡排作業(yè)，在500 d時又重新調(diào)整配產(chǎn)到3.1×104m3/d，發(fā)現(xiàn)此時該井的生產(chǎn)能力已達不到3.1×104m3/d。同時從圖1可以看出，在500 d后實際日產(chǎn)氣量開始大范圍低于臨界攜液流量，故在500 d時井底最可能形成積液，此時應(yīng)下入速度管。

圖1 X-1井實際日產(chǎn)氣量與臨界攜液流量曲線

2 生產(chǎn)效果評價

華北DND氣田為多氣層疊置的彈性驅(qū)動定容無邊（底）水致密砂巖氣藏，水平井已成為該氣田開發(fā)的重要技術(shù)手段。2013年有50口水平井先后下入速度管，生產(chǎn)效果良好，速度管推廣取得重大進展。隨著油氣田的不斷開發(fā)，低產(chǎn)氣井逐年增多，速度管技術(shù)將會得到更大規(guī)模的應(yīng)用[13]。為了研究速度管合理下入時間，參照華北DND氣田的速度管生產(chǎn)效果評價標準，把速度管生產(chǎn)效果分為好、一般、差。

速度管生產(chǎn)效果評價標準按以下4個步驟進行：1）判斷氣井在下入速度管后是否發(fā)生積液水淹。若水淹，效果差；否則，進行下一步判斷。2）判斷氣井在下入速度管后是否穩(wěn)定（下入后生產(chǎn)時率是否大于下入前，且在90.0%以上）。若不穩(wěn)定，效果差；否則，進行下一步判斷。3）判斷氣井在下入速度管后助排措施是否增加。若增加，效果差；否則，進行下一步判斷。4）判斷氣井在下入速度管后氣液比是否增加。若增加，效果一般；否則，效果好。

為了方便進行以上4個步驟，現(xiàn)分別設(shè)定每個步驟的指標：第1步指標為下速度管生產(chǎn)60 d的平均臨界攜液流量與日產(chǎn)氣量，第2步指標為下速度管60 d前后的生產(chǎn)時率，第3步指標為下速度管前后平均每月的助排措施次數(shù)，第4步指標為下速度管前后60 d的氣液比（見表3）。

根據(jù)上述4個速度管評價指標，分別統(tǒng)計了33口φ38.1 mm速度管的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。其中，生產(chǎn)效果好的井有21口，差的井有10口，一般的井有2口。

表3 部分井速度管評價指標

3 現(xiàn)場實例分析

以華北DND氣田X-2井、X-3井和X-4井為例，結(jié)合氣井的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)及速度管效果評價，來檢驗速度管下入時間計算結(jié)果的可靠性（見表4），這3口井的實際日產(chǎn)氣量與臨界攜液流量曲線見圖2。

在X-2井的生產(chǎn)記錄中，該井生產(chǎn)的前23 d內(nèi)，共進行6次泡排作業(yè)，并進行了多次注醇解堵作業(yè)，但排液情況仍得不到改善。結(jié)合圖2a可知，X-2井從開井生產(chǎn)，臨界攜液流量便一直大于日產(chǎn)氣量，井筒積液情況嚴重。由于速度管具有降低臨界攜液流量、減少滑脫損失、提高氣井排液能力的優(yōu)勢，所以盡早地下入速度管，能夠及時改善氣井的排液情況。實際生產(chǎn)中，在23 d下入速度管，生產(chǎn)效果不錯。而盡快下入速度管的話，該井的積液情況及生產(chǎn)潛力均要優(yōu)于23 d時的氣井，故針對X-2井盡快安裝速度管，可以保證其生產(chǎn)效果好。

表4 部分井速度管下入時間

圖2 實際日產(chǎn)氣量與臨界攜液流量曲線

X-3井計算的速度管下入時間為236 d，實際下入時間為283 d。在236～283 d生產(chǎn)時間內(nèi)，該井日產(chǎn)氣量均低于臨界攜液流量，處于積液狀態(tài)，而在283 d時的氣井積液情況比236 d時嚴重（見圖2b）。同時，這2個時間點的油壓變化不大，但由于積液會在井底產(chǎn)生回壓，進而影響氣井產(chǎn)能，因而速度管在236 d處的生產(chǎn)潛力更好。現(xiàn)場實施表明，即使在283 d安裝速度管也能取得不錯的生產(chǎn)效果，那么在生產(chǎn)潛力較好的236 d也能確保速度管具有較好的生產(chǎn)效果，因此下入時間計算結(jié)果具有一定的可靠性。

X-4井在下入速度管前，日產(chǎn)氣量幾乎都高于對應(yīng)的臨界攜液流量（見圖2c），攜液情況很好，井筒不易產(chǎn)生積液，此時下入速度管，只會增加井筒摩阻，造成氣井產(chǎn)能的浪費。對比X-3井的分析可知，當(dāng)氣井生產(chǎn)到開始積液的時刻，下入速度管能取得好的生產(chǎn)效果。故X-4井在173 d后可繼續(xù)生產(chǎn)，等井筒開始積液再下入速度管。

依照上述3口井的分析思路，逐一檢驗了生產(chǎn)效果好的21口井，發(fā)現(xiàn)有19口井下入時間的計算結(jié)果能夠保證更好的生產(chǎn)效果，可靠性較高。

4 結(jié)論

1）造斜段最易形成積液，應(yīng)作為水平井積液研究的重點。從造斜段形成積液的角度，應(yīng)用臨界攜液模型研究了速度管下入時間的問題，并結(jié)合華北DND氣田速度管的生產(chǎn)效果評價標準和生產(chǎn)實例，檢驗了速度管下入時間計算結(jié)果的準確性。

2）依照DND氣田速度管生產(chǎn)效果評價標準，分別設(shè)定了對應(yīng)的評價指標。統(tǒng)計研究結(jié)果表明，速度管總體應(yīng)用效果較好。

3）通過實例分析可知，利用臨界攜液流量計算的下入時間安裝速度管，能獲得較好的生產(chǎn)效果。21口生產(chǎn)效果好的井中，有19口井的計算結(jié)果能夠保證更好的生產(chǎn)效果，說明通過判斷積液形成來確定速度管下入時間的方法可靠性高，可以在相關(guān)氣井推廣應(yīng)用。

致謝：感謝中國地質(zhì)大學(xué)（北京）李治平教授及中西部地區(qū)碎屑巖儲層預(yù)測、保護與改造技術(shù)項目課題組對本文的幫助與支持。

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