頁(yè)巖氣井射流泵排水采氣工藝下泵深度優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 浩， 張志全， 劉 捷， 陳夢(mèng)思， 紀(jì)國(guó)法

(長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院， 武漢 430100)

目前，中國(guó)頁(yè)巖氣藏?fù)碛芯薮蟮拈_(kāi)采儲(chǔ)量潛力，根據(jù)研究表明潛力可采儲(chǔ)量達(dá)30×1012m3。但頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)難度較大，國(guó)內(nèi)相應(yīng)的開(kāi)采技術(shù)并未取得決定性突破，還沒(méi)有形成完善的頁(yè)巖氣井開(kāi)采開(kāi)發(fā)體系。其中頁(yè)巖氣井排水采氣工藝在整個(gè)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中處于極其重要的地位[1]。頁(yè)巖氣常用的排采工藝主要有泡沫排水采氣、氣舉排水采氣、電潛泵排水采氣和有桿泵排水采氣等。其中射流泵排采工藝的管柱中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不會(huì)出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，可靠性強(qiáng)；在更換泵芯時(shí)不需要起出管柱，具有經(jīng)濟(jì)效益好、適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)；并且在啟動(dòng)初期就可以大量排出井底積液同時(shí)帶出井底污物[2-3]。這些優(yōu)勢(shì)提高了頁(yè)巖氣井的排水采氣效率，降低了壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的損害，確保了頁(yè)巖氣井的穩(wěn)定開(kāi)采[4]。目前針對(duì)射流泵排水采氣工藝中下泵深度確定方法的相關(guān)研究寥寥無(wú)幾，國(guó)內(nèi)各大油田主要是通過(guò)氣井的生產(chǎn)情況分析產(chǎn)能，以氣井的IPR曲線為根據(jù)，結(jié)合井筒內(nèi)壓力的分布，由射流泵的吸入口壓力確定下泵深度，或者依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式以射流泵的沉沒(méi)度超過(guò)泵掛深度的30%兩種設(shè)計(jì)方法。但是目前關(guān)于頁(yè)巖氣井射流泵的吸入口壓力的確定還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；且經(jīng)驗(yàn)公式缺少理論支持，下泵深度的確定方法模糊，具有一定的局限性。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)以滿足頁(yè)巖氣井正常帶液生產(chǎn)和節(jié)省管柱、提高經(jīng)濟(jì)效益為目的，以氣井產(chǎn)氣量能夠滿足攜液要求時(shí)的液面為分析目標(biāo)，從氣井產(chǎn)能和臨界攜液流量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行分析，最終確定頁(yè)巖氣井射流泵的下泵深度，形成一套完整的頁(yè)巖氣井射流泵排水采氣工藝下泵深度的設(shè)計(jì)流程。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)

射流泵的主要工作元件(圖1)由噴嘴、喉管和擴(kuò)散管三個(gè)部分組成。射流泵排采工藝主要利用噴射原理,將由地面高壓泵提供的高壓動(dòng)力液通過(guò)噴嘴形成的高流速低壓頭的流體泵入喉管中,與通過(guò)吸入口進(jìn)入喉管的井底積液均勻混合[5]。當(dāng)混合液通過(guò)具有不斷增大的橫截面積的擴(kuò)散管時(shí),液體的流速持續(xù)不斷地降低,而壓力不斷升高,即混合液的動(dòng)能持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換為壓能,直至混合液壓力高于液體靜液柱的壓力時(shí),井底積液將被舉升至井口。

An為噴嘴出口斷面面積，Aj為喉管斷面面積圖1 射流泵工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of jet pump

2 頁(yè)巖氣井射流泵下泵深度分析

提出一種針對(duì)常壓高氣液比頁(yè)巖氣井的新型射流泵深度設(shè)計(jì)思想，從氣井產(chǎn)能和臨界攜液流量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行分析，通過(guò)將射流泵下入頁(yè)巖氣井內(nèi)某一深度后排出其上部所有積液，使頁(yè)巖氣井在該動(dòng)液面高度下產(chǎn)氣量高于同一井底流壓下的臨界攜液流量，以達(dá)成頁(yè)巖氣井依靠自身的地層能量進(jìn)行間歇自噴生產(chǎn)和節(jié)省管柱、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

采用這種新型射流泵排采設(shè)計(jì)后，頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)模式會(huì)有所變化：在頁(yè)巖氣井見(jiàn)產(chǎn)之前下入射流泵，啟泵，排出射流泵上部的所有井液，當(dāng)頁(yè)巖氣井通過(guò)自身的地層能量放噴生產(chǎn)時(shí)，停泵；隨著氣井放噴生產(chǎn)的進(jìn)行，井筒積液增加，當(dāng)?shù)貙硬荒転闅饩試娚a(chǎn)提供足夠能量時(shí)，啟泵排水，減小液柱對(duì)氣井地層能量的影響，當(dāng)井筒積液降低到氣井能夠自噴時(shí)停泵，繼續(xù)放噴生產(chǎn)，如此不間斷循環(huán)；此外頁(yè)巖氣井也可以在射流泵排水的同時(shí)，通過(guò)大環(huán)空采氣進(jìn)行生產(chǎn)。

2.1 頁(yè)巖氣井的產(chǎn)能分析

氣井產(chǎn)量和井底流壓的數(shù)據(jù)是擬合頁(yè)巖氣井產(chǎn)能方程必要條件，但由于采排測(cè)試中沒(méi)有測(cè)試井底流壓數(shù)據(jù)，所以只能通過(guò)井筒多相管流理論將地面測(cè)試的井口壓力折算井底流壓，進(jìn)而分析頁(yè)巖氣井產(chǎn)能。

根據(jù)前人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)氣液比大于2 000 m3/m3時(shí)，井筒中流體流型以霧狀流為主，可以采用擬單相流公式求取井底流壓。當(dāng)氣液比小于2 000 m3/m3時(shí)，液相的影響不可忽略，宜采用氣液兩相流方法求取井底流壓。

Beggs-Brill模型適用于計(jì)算氣液兩相流井筒壓力分布及井底流壓，其基本模型如下：

(1)

式(1)中:p為壓力，MPa；g為重力加速度，m/s2；v為混合物平均流速，m/s；vsg為氣相表觀流速，m/s；θ為管線與水平方向夾角，(°)；ρl為液相密度，kg/m3；ρg為氣相密度，kg/m3；Hl為持液率，%；λ為流動(dòng)阻力系數(shù)；D為管的內(nèi)徑，m；A為油管截面積，m2。

常規(guī)天然氣井的產(chǎn)能方程主要有指數(shù)式和二項(xiàng)式，其數(shù)學(xué)表達(dá)式分別如式(2)和式(3)所示。

(2)

(3)

式中:Pr為井底靜壓，qsc為井口流量，Pwf為井底流壓。

式(3)變形可得

(4)

2.2 頁(yè)巖氣井的臨界攜液流量分析

在頁(yè)巖氣井正常開(kāi)發(fā)時(shí)，氣體為連續(xù)相，主要由壓裂液組成的井底積液為分散相顆粒。在充足的地層壓力保證下，積液以液滴的形式被氣體連續(xù)不斷地?cái)y帶至井口，但隨著頁(yè)巖氣井生產(chǎn)時(shí)間的增加，氣藏的地層壓力逐漸減小，井下氣體流速下降，氣體的攜帶液滴的能力不斷降低，最終無(wú)法將積液持續(xù)不斷地舉升至地面，致使氣井產(chǎn)量降低甚至停產(chǎn)。為了保證氣井不積液，氣井的產(chǎn)量必須大于臨界攜液流量[6-7]。

根據(jù)對(duì)XX區(qū)塊鄰井井史的調(diào)研，該區(qū)塊頁(yè)巖氣井在正常攜液生產(chǎn)初期屬于常壓高氣液比頁(yè)巖氣井，并且隨著生產(chǎn)開(kāi)發(fā)，頁(yè)巖氣井的井底液量逐漸減少，氣井正常攜液生產(chǎn)時(shí)的氣液比會(huì)逐漸增大，故該區(qū)塊頁(yè)巖氣井適用于Turner等模型分析其臨界攜液流量[8]。

臨界攜液流量作為判斷氣井是否積液至關(guān)重要的數(shù)據(jù)，中外專家學(xué)者提出了多種確定頁(yè)巖氣井的臨界攜液流量的相關(guān)模型，這些模型是根據(jù)某一區(qū)塊的地質(zhì)特征在Turner理論的基礎(chǔ)上根據(jù)液滴的不同形態(tài)又或是不同雷諾數(shù)Re等條件下建立的。在公式中由于不同曳力系數(shù)CD的取值導(dǎo)致系數(shù)a不同[9]。因此，最終推導(dǎo)出的計(jì)算公式中的各項(xiàng)系數(shù)不同，如表1所示。

表1 不同臨界攜液流速公式對(duì)比

2.3 頁(yè)巖氣井射流泵的下入深度分析

為保證頁(yè)巖氣井的正常帶液生產(chǎn)，對(duì)氣井產(chǎn)能和臨界攜液流量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行分析，以氣井的產(chǎn)氣量能夠滿足攜液要求時(shí)的液面為下泵深度的依據(jù)，最終確定頁(yè)巖氣井射流泵的下泵深度。頁(yè)巖氣井射流泵下泵深度設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 射流泵下泵深度設(shè)計(jì)流程框圖Fig.2 Flow chart of pump depth design of jet pump

3 實(shí)例

為了驗(yàn)證提出的頁(yè)巖氣井射流泵下泵深度研究的可行性，同時(shí)為該區(qū)塊同類頁(yè)巖氣井射流泵下泵深度的確定探索新的技術(shù)途徑。XX工程院于2019年5月選用同心雙管射流泵在XX區(qū)塊XX井進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。XX井是一口常壓高氣液比的頁(yè)巖氣井，該井通過(guò)采取靜壓測(cè)試措施(壓力計(jì)下入氣層中部深度3 000 m)，實(shí)測(cè)井下壓力為27.23 MPa，壓力系數(shù)為0.908，同時(shí)測(cè)得該儲(chǔ)層的地層靜溫是84.37 ℃，地溫梯度為2.55 ℃/100 m。由于XX井在壓裂后無(wú)法采用套管完成測(cè)試求產(chǎn)，氣舉無(wú)法激活；之后采用間歇電潛泵抽排試氣，4次測(cè)試求產(chǎn)，測(cè)試氣產(chǎn)量(6.4～14.7)×104m3/d，水量2～6 m3/h，測(cè)試期間電潛泵排液量115 m3，套管放噴339 m3，累計(jì)排液454 m3，2019年11月30日停止測(cè)試，起出電潛泵排采管柱。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 XX井四次排采測(cè)試情況統(tǒng)計(jì)

3.1 根據(jù)XX井史測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行該井的流入動(dòng)態(tài)分析

由于XX井4個(gè)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)的氣液比均低于2 000 m3/m3，并且該井的電潛泵的下泵深度為2 380 m，所以在井底流壓的計(jì)算中2 380 m以上部分井筒的壓力的計(jì)算應(yīng)使用Beggs-Brill方法。而2 380 m以下部分的壓力分布則按照靜液柱壓力計(jì)算[10]。根據(jù)XX井四次排采測(cè)試情況，分析和計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 XX井四次排采測(cè)試情況統(tǒng)計(jì)

圖3 指數(shù)式產(chǎn)能方程擬合曲線Fig.3 Fitting curve of exponential capacity equation

根據(jù)指數(shù)式產(chǎn)能方程變形后的線性回歸曲線可以計(jì)算得出，該產(chǎn)能方程中常數(shù)n=2.194，常數(shù)C=4.95×10-5，將系數(shù)代入產(chǎn)能方程中，得到

(5)

根據(jù)產(chǎn)能方程計(jì)算繪制該井的井底流壓與井口產(chǎn)氣量的流入動(dòng)態(tài)曲線如圖4所示。

3.2 根據(jù)Turner液滴模型對(duì)XX井進(jìn)行臨界攜液流量分析

頁(yè)巖氣井在正常帶液生產(chǎn)時(shí)，氣流從井筒上升的過(guò)程中受到的壓力逐步減小，氣體流速增加，氣體的攜液能力增加，所以井底附近是確定臨界攜液流量的關(guān)鍵點(diǎn)。選取了三個(gè)在中國(guó)各大油田應(yīng)用廣泛具有代表性的模型，并根據(jù)XX井不同的井底流壓推導(dǎo)得出臨界攜液流量的變化趨勢(shì)，如圖5所示。

圖5 XX井臨界攜液流量與井底流壓的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between critical liquid-carrying flow and bottom-hole flow pressure in well XX

根據(jù)圖5可以看出在不同模型中臨界攜液流量隨井底流壓變化的趨勢(shì)相似，系數(shù)a的取值越大，某一確定井底流壓下對(duì)應(yīng)的臨界攜液流量值就越高。為了確保頁(yè)巖氣井能夠完成間歇自噴生產(chǎn)，應(yīng)選取最安全的臨界攜液流量作為確定下泵深度的條件。所以選用系數(shù)最大的Turner模型進(jìn)行氣井的最大攜液流量分析，計(jì)算不同井底流壓時(shí)氣井的臨界攜液流量。

根據(jù)Turner模型理論推導(dǎo)出的臨界流速公式為

(6)

式(6)中：a=(4g/3CD)0.25；v為臨界流速，m/s；CD為曳力系數(shù)，無(wú)因次；g為重力加速度，m/s2；ρl、ρg為液相、氣相的密度，kg/m3；σ為氣液表面張力，N/m。

換算成標(biāo)況下的氣井臨界攜液流量公式，如式7所示：

qc=2.5×104AvP/ZT

(7)

式(7)中:qc為臨界流量，104m3/d；A為油管橫截面積，m2；P為壓力，MPa；T為溫度，K；Z為天然氣偏差系數(shù)，無(wú)因次。

3.3 根據(jù)XX井流入動(dòng)態(tài)以及最大臨界攜液流量確定下泵深度

從XX井的產(chǎn)能和最大臨界攜液流量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行分析，將該井的流入動(dòng)態(tài)曲線(圖4)以及根據(jù)Turner液滴模型確定的臨界攜液流量與井底流壓的關(guān)系曲線(圖5)繪制在同一坐標(biāo)系中，兩條曲線相交于一點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 XX井流入動(dòng)態(tài)與臨界攜液流量分析曲線Fig.6 Analysis curve of inflow dynamics and critical liquid-carrying flow rate in well XX

圖6中的橫坐標(biāo)表示該井的產(chǎn)氣量，縱坐標(biāo)表示根據(jù)XX井史數(shù)據(jù)計(jì)算得出的井底流壓。根據(jù)XX井流入動(dòng)態(tài)與臨界攜液流量曲線可以分析得出，當(dāng)井底流壓小于交點(diǎn)23.86 MPa時(shí)，在固定井底流壓下，氣井的產(chǎn)氣量大于臨界攜液流量，氣井能夠正常生產(chǎn)。

同心雙管射流泵在正常生產(chǎn)時(shí)流體流動(dòng)通道為油套環(huán)空，按最大外輸壓力4 MPa計(jì)算，當(dāng)井底壓力為23.86 MPa時(shí)，該氣井的動(dòng)液面深度為2 050 m。也就是說(shuō)，井筒液體被掏空至2 050 m時(shí)氣井就能正常生產(chǎn)，為了確保舉升液體后能夠正常生產(chǎn)，可以將射流泵下至2 100 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

4.1 射流泵啟泵排水效果評(píng)價(jià)

XX井于2019年6月依據(jù)確定的射流泵下泵深度及其配套的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行施工排水，根據(jù)前期測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)測(cè)得動(dòng)液面在167 m，射流泵下深2 100 m，尾管下深2 800 m，接近A靶點(diǎn)。該井合計(jì)啟泵工作14.2 h，在啟泵工作10 h后，井筒內(nèi)動(dòng)液面下降到2 100 m，井口開(kāi)始有氣體產(chǎn)出，氣井開(kāi)始啟泵生產(chǎn)。啟泵排水的過(guò)程中地層累計(jì)產(chǎn)水量為40.83 m3，混合液累計(jì)排液量為96 m3，射流泵的平均泵效為20%，證實(shí)了射流泵可高效攜帶液體出井筒并且有效降低了井筒液柱對(duì)地層回壓的影響，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣井的快速排水采氣，減少了壓裂液對(duì)氣藏的傷害，提高了氣井的采收率。

4.2 頁(yè)巖氣井自噴生產(chǎn)效果評(píng)價(jià)

XX井在啟泵工作14.2 h后停泵，通過(guò)小油管環(huán)空進(jìn)行自噴生產(chǎn)，氣井的累計(jì)產(chǎn)氣量104.01×104m3，累計(jì)產(chǎn)水量86.75 m3，氣液比為11 921.74 m3/m3，由于氣井產(chǎn)氣量較大，地層產(chǎn)水成連續(xù)相被氣體攜帶出小油管環(huán)空。其生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)頁(yè)巖氣井的自噴生產(chǎn)數(shù)據(jù)，該井平均產(chǎn)氣量為14.86×104m3/d，遠(yuǎn)大于最大臨界攜液流量6.752×104m3/d，證明設(shè)計(jì)的射流泵下泵深度滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要，能夠保證該井在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)正常帶液生產(chǎn)并且節(jié)省管柱，降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

表4 XX井正常自噴攜液生產(chǎn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

(1)XX區(qū)塊XX井的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)證實(shí)了提出的常壓高氣液比頁(yè)巖氣井射流泵下泵深度設(shè)計(jì)思想的可行性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具有指導(dǎo)意義。

(2)根據(jù)本工藝計(jì)算得到的射流泵最佳下泵深度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，能夠節(jié)省管柱，有效降低生產(chǎn)成本，對(duì)頁(yè)巖氣井射流泵排水采氣工藝的使用和推廣具有積極作用。

(3)對(duì)于準(zhǔn)備采用確定射流泵下泵深度設(shè)計(jì)的頁(yè)巖氣井，應(yīng)采用實(shí)測(cè)的IPR曲線進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，以減小工程誤差。