煤層氣連續(xù)管排液采氣一體化工藝研究與應(yīng)用*

朱 峰 郭智棟 陳世波 徐云喜 周士杰 劉新偉 羅 彬

(1.中石油江漢機械研究所有限公司 2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司 4. 川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)

0 引 言

我國煤層氣資源十分豐富，很多埋深超過1 500 m的煤層尚未投入開發(fā)。國內(nèi)煤系地層天然氣勘探開發(fā)難度和儲層上產(chǎn)壓力不斷增大，除復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造等因素影響外，煤層出水導(dǎo)致井筒積液，井筒液面不斷上升，生產(chǎn)壓差減小，進(jìn)而導(dǎo)致儲層流體無法進(jìn)入井筒，產(chǎn)量大幅度下降甚至停產(chǎn)。此外，井底流壓減小，影響了煤層氣解吸附效率，使得大量未解吸附的天然氣依然吸附在煤層中。因此，必須采取有效的排液措施以維持氣井正常生產(chǎn)。

胡世強等[1]進(jìn)行了氣井泡沫排液采氣的動態(tài)研究分析。該技術(shù)主要是在井筒中注入起泡劑，與井底積液混合產(chǎn)生泡沫，排除井筒積液，但是，起泡劑用量容易影響氣井生產(chǎn)成本和氣舉效果。殷慶國等[2]開展了柱塞氣舉排液采氣技術(shù)研究。氣井利用井筒儲集的能量推動油管內(nèi)柱塞向上運動，柱塞分隔氣液，有效阻止氣體上竄和液體回落，排除井底積液，但是在生產(chǎn)時往往會因為機械原因和技術(shù)人員經(jīng)驗不足導(dǎo)致井下事故發(fā)生，增加后期作業(yè)風(fēng)險。西部鉆探在蘇里格氣田應(yīng)用了機抽排液采氣工藝[3]。機器依靠活塞桿往復(fù)運動產(chǎn)生抽吸力，從而達(dá)到排液采氣的目的。這樣的工藝常見于抽油機類型的井口設(shè)備，存在轉(zhuǎn)抽作業(yè)污染嚴(yán)重、成本高和增產(chǎn)效果不明顯等問題。

注氮氣氣舉工藝和速度管柱工藝針對不同的井筒積液也有著相應(yīng)的應(yīng)用。注氮氣氣舉[4]的工藝原理是：由連續(xù)管注入氮氣，從管端排出，向上運動的過程中隨著壓力下降，氮氣體積膨脹，增大流速，促進(jìn)了段塞流形成，完成排水。連續(xù)管排液采氣工藝[5]是通過在生產(chǎn)管柱中安裝優(yōu)選的小直徑連續(xù)管來減小流動面積，面積減小會導(dǎo)致管柱內(nèi)氣體流速增大，當(dāng)管柱底部氣體流速大于臨界攜液流速時，氣井井底不產(chǎn)生積液，生產(chǎn)得以恢復(fù)。相較于其他工藝，這兩項工藝有著作業(yè)成本低和效率高等顯著優(yōu)勢。

本文提出將連續(xù)管注氮氣氣舉排液與速度管柱排液采氣兩套工藝結(jié)合的生產(chǎn)工藝，前者可以排采井筒積液，后者保證后期穩(wěn)產(chǎn)。該組合工藝借助排液采氣一體化井下工具，分步實施連續(xù)管注氮氣氣舉與速度管柱排液采氣工藝，建立老井速度管柱自生產(chǎn)作業(yè)條件，使井筒氣體流壓恢復(fù)正常。同時，一體化作業(yè)避免了二次起管井口帶壓作業(yè)，可降低老井后期排液復(fù)產(chǎn)的成本。

1 排液采氣一體化工藝

1.1 工作原理

連續(xù)管排液采氣工藝過程如圖1所示。該工藝主要分3個階段：氣舉排液、懸掛完井及投球生產(chǎn)。在連續(xù)管入井過程中進(jìn)行注氮氣氣舉作業(yè)，利用氮氣循環(huán)攜液，從而排出井筒內(nèi)的積液，使得井底壓力逐漸恢復(fù)到滿足連續(xù)管排液采氣生產(chǎn)的要求；利用連續(xù)管排液采氣一體化作業(yè)井下工具，控制管內(nèi)壓力，通過井口專用懸掛裝置將整根連續(xù)管懸掛于井口；之后，通過投球加壓，泵出排液采氣一體化多功能工具的注氮頭和單流閥結(jié)構(gòu)，使井底與連續(xù)管形成連通；利用連續(xù)管管柱攜液采氣，實現(xiàn)對煤層氣的控壓生產(chǎn)。排液采氣一體化作業(yè)結(jié)合氣舉和速度管柱兩種工藝，一趟管柱作業(yè)，可提高效率，降低成本。

圖1 連續(xù)管排液采氣工藝過程示意圖Fig.1 Schematic process of liquid drainage and CBM production by coiled tubing

1.2 井下工具

1.2.1 結(jié)構(gòu)

連續(xù)管排液采氣一體化工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一是研制井下排液采氣多功能工具，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。連續(xù)管與工具之間的連接采用了輥壓式內(nèi)連接方式，為了保證工具的密封性采用了雙級密封處理；在注氣噴嘴的上部，為了保證連續(xù)管帶壓作業(yè)需要，地層與油管連通處設(shè)計了單流閥單元。

1—連接頭；2—剪切銷釘；3—二級封堵座；4—球座；5—單流閥；6—注氣噴嘴。圖2 連續(xù)管排液采氣一體化作業(yè)井下工具示意圖Fig.2 Schematic diagram of the downhole tool for the integrated operation of liquid drainage and CBM production by coiled tubing

1.2.2 工作原理

連續(xù)管與井下工具使用輥壓形式連接，并且與環(huán)空之間建立密封條件。在連續(xù)管排液期間，由連續(xù)管內(nèi)注入氮氣，正向壓力打開單流閥，并且經(jīng)過單流閥經(jīng)由注氣噴嘴、油套環(huán)空排出；當(dāng)連續(xù)管下入到指定深度時，停止注入氮氣，單流閥關(guān)閉，限制井底壓力進(jìn)入連續(xù)管內(nèi)部；觀察套壓之后，投球落入球座上，連續(xù)管內(nèi)加壓即可剪斷剪切銷釘，工具脫離外滑套。后期起管柱時，投密封元件落于坐落筒，控制井底壓力不進(jìn)入連續(xù)管內(nèi)，為起管提供條件。

1.2.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)煤層氣大吉區(qū)塊大吉-平04井現(xiàn)場作業(yè)條件，設(shè)計配套排液采氣一體化作業(yè)井下工具。性能參數(shù)如下：工具外徑為38.1 mm，投球外徑為14.0 mm，工具的氣舉工作排量最大為1 500 L/min。主要設(shè)計依據(jù)：①氣井下入的連續(xù)管尺寸，包括外徑、壁厚及材料；②天然氣產(chǎn)量；③氣舉排液設(shè)計流量；④地層壓力。

1.3 連續(xù)管帶壓懸掛

連續(xù)管下入到目標(biāo)深度之后，懸掛裝置的密封膠筒受頂絲作用，起到井控效果，連續(xù)管坐封懸掛井口如圖3所示。懸掛裝置包括主卡瓦和輔助卡瓦，起到雙級懸掛保護(hù)的作用；密封裝置由上、下2個密封擋圈、2套壓環(huán)以及密封膠筒組成，通過套管頭內(nèi)臺階和限位頂絲控制上、下壓環(huán)移動，當(dāng)井筒內(nèi)氣體上竄時，會在下壓環(huán)上產(chǎn)生上頂力，受到限位頂絲鎖止，密封膠筒會擠壓膨脹，達(dá)到環(huán)形密封效果[6]。

1—密封裝置；2—套管頭；3—限位頂絲；4—懸掛裝置；5—連續(xù)管。圖3 連續(xù)管坐封懸掛井口示意圖Fig.3 Schematic diagram of coiled tubing setting and hanging at wellhead

擰緊懸掛器頂絲，通過膠筒將連續(xù)管環(huán)空壓力密封住。密封連續(xù)管過程中必須同時頂對角2個頂絲，盡量保證頂絲速率和圈數(shù)一致，4個頂絲全部擰緊到位；通過操作窗上的考克對井口泄壓，待壓力降至0后，關(guān)閉防噴器壓井端口，觀察井口壓力15 min，確認(rèn)沒有壓力上升；加壓操作窗完全開啟，投放卡瓦并安裝于連續(xù)管外徑上，下放連續(xù)管至懸重為0后，觀察3～5 min，如懸重?zé)o變化，下壓連續(xù)管20～30 kN，觀察3～5 min，如懸重?zé)o變化，則確認(rèn)懸掛可靠，再上提至連續(xù)管懸重為0。在距離懸掛裝置上法蘭面之上380 mm位置剪斷連續(xù)管，安裝輔助卡瓦和輔助密封，恢復(fù)采氣樹[7]。

2 工藝設(shè)計與管柱優(yōu)選

在連續(xù)管排液采氣一體化工藝的兩個主要環(huán)節(jié)中，工藝設(shè)計的準(zhǔn)確性決定了作業(yè)效果。氣舉設(shè)計重點在于注氮排量及連續(xù)管下入速度計算，生產(chǎn)管柱設(shè)計主要是考慮管徑與沿程摩阻[8]。

2.1 氣舉階段工藝設(shè)計

2.1.1 井下積液面上

連續(xù)管氣舉作業(yè)下入速度標(biāo)準(zhǔn)：距離積液面深度大于50 m，速度不宜大于20 m/min，斜井段、水平井段不大于10 m/min；距離積液面深度50 m以內(nèi)，速度宜小于5 m/min。

2.1.2 井下積液面下

當(dāng)連續(xù)管處于注氮氣氣舉目標(biāo)位置之后，氮氣返排流速需滿足井筒攜液臨界流速計算模型[9]：

(1)

式中：ucc為氣井?dāng)y液臨界流速，m/s；σ為氣液表面張力，N/m；ρw為液體密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3；θ為傾斜角，(°)。

在實際作業(yè)過程中，井筒內(nèi)積液不斷被排出，液面不斷產(chǎn)生變化，所以連續(xù)管下入速度與液體排出速度密切相關(guān)。設(shè)計時無法直接計算液體排出流速Q(mào)L，QL由推算得到，即有：

QL=uccS/λ

(2)

式中：QL為液體排出流速，m3/min；S為井筒過流截面積，m2；λ為氮氣流速和液體流速的比值，推薦取值50～100[10]。

結(jié)合式(1)和式(2)設(shè)計連續(xù)管下入速度，計算公式為：

(3)

式中：vRIH為連續(xù)管下入速度，m/min；D為完井管柱的內(nèi)徑，mm。

2.2 管柱設(shè)計

臨界油管內(nèi)徑?jīng)Q定了井口壓力一定井筒中的油管臨界攜液過流面積，連續(xù)管排液采氣工藝的單日產(chǎn)量Q0是管柱設(shè)計的主要影響因素，結(jié)合井筒積液的臨界攜液流速計算，可以求得臨界油管直徑[11]：

(4)

式中：G為天然氣對空氣的相對密度，取0.565 6；Z為空氣壓縮因子，取0.9；T為井底熱力學(xué)溫度，K；pwf為井底流壓，MPa。

正常條件下，井底流壓無法測量，可以通過井口壓力與井筒氣柱壓降進(jìn)行估算，即有：

pwf=p0+kL

(5)

式中：p0為井口壓力，MPa；k為井筒壓力梯度系數(shù)，MPa/m；L為井垂深，m。

2.3 排液采氣性能分析

連續(xù)管管徑的選擇主要考慮的是摩擦壓降最小化、生產(chǎn)能力最大化、穩(wěn)產(chǎn)時間足夠長及以最大程度收回速度管柱投放成本。與常規(guī)排液采氣工藝不同，針對天然氣井后期積液嚴(yán)重的問題，連續(xù)管下入階段需要進(jìn)行注氮排液，更多關(guān)注的是環(huán)空攜液流量臨界值與連續(xù)管沿程摩阻；而后期轉(zhuǎn)為生產(chǎn)管柱，更多考慮的是連續(xù)管攜液流量臨界值。不同外徑(60.3、38.1、31.8和25.4 mm)的連續(xù)管的臨界攜液流量和3 300 m沿程摩阻壓降與井口壓力的關(guān)系分別如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可知：在井口壓力相同的條件下，連續(xù)管外徑越大，臨界攜液流量越大，摩阻壓降越小，且臨界攜液流量變化趨于平緩；不同外徑的連續(xù)管臨界攜液流量變大，?60.3 mm連續(xù)管比?38.1 mm連續(xù)管臨界攜液流量高1倍左右；隨著井口壓力的增大，連續(xù)管臨界攜液流量增大，沿程摩阻壓降減小，且沿程摩阻變化趨于平緩，不同外徑(60.3、38.1和31.8 mm)的連續(xù)管沿程摩阻壓降差距不大，?25.4 mm連續(xù)管比?38.1 mm連續(xù)管摩阻壓降高1.8～2.3 MPa。

圖4 不同規(guī)格管柱臨界攜液流量隨井口壓力的變化曲線Fig.4 Calculation results of the variation of critical liquid carrying capacity with wellhead pressure for strings of different specifications

圖5 不同規(guī)格管柱摩阻壓降隨井口壓力的變化曲線Fig.5 Calculation results of the variation of frictional pressure drop with wellhead pressure for strings of different specifications

3 現(xiàn)場應(yīng)用

大吉-平04井位于大吉區(qū)塊，井深2 910 m，最大井斜12.6°，基本井況如表1所示。該井應(yīng)用連續(xù)管排液采氣一體化工藝之前，生產(chǎn)油壓小于1 MPa，關(guān)井壓力2 MPa左右，采用反復(fù)憋壓措施進(jìn)行產(chǎn)氣作業(yè)，產(chǎn)氣量降至0.2×104m3/d左右，氣井積液程度越來越嚴(yán)重。該井連續(xù)管控壓生產(chǎn)11 d井筒壓力曲線如圖6所示。為高效排出井底積液，實現(xiàn)煤層氣控壓穩(wěn)產(chǎn)，使用?38.1 mm連續(xù)管進(jìn)行排液采氣一體化作業(yè)。轉(zhuǎn)用連續(xù)管之后，產(chǎn)氣量顯著增長，峰值超過3.26×104m3/d，穩(wěn)產(chǎn)達(dá)到0.58×104m3/d，提高了200%，該井連續(xù)管控壓生產(chǎn)11 d日產(chǎn)氣量曲線如圖7所示。

表1 大吉-平04井基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of Well Daji-P04

圖6 大吉-平04井連續(xù)管控壓生產(chǎn)11 d井筒壓力曲線Fig.6 Wellbore pressure of Well Daji-P04 during its 11 days’ pressure-control production by coiled tubing

圖7 大吉-平04井連續(xù)管控壓生產(chǎn)11 d日產(chǎn)氣量曲線Fig.7 Daily gas production of Well Daji-P04 during its 11 days’pressure-control production by coiled tubing

4 結(jié) 論

(1)與常規(guī)的連續(xù)管氣舉和速度管柱作業(yè)相比，連續(xù)管排液采氣一體化工藝實現(xiàn)了一趟管柱兩種工藝，達(dá)到了高效且節(jié)省成本的目的。

(2)該工藝的核心雖然建立在連續(xù)管排液采氣之上，但是針對積液嚴(yán)重的井，先利用注氮氣氣舉恢復(fù)到正常采氣壓差，比連續(xù)管排液采氣工藝的直接應(yīng)用有更好的適應(yīng)性。

(3)井下工具是連續(xù)管排液采氣一體化作業(yè)的技術(shù)關(guān)鍵，研制的井下工具既可以完成帶壓作業(yè)，也可以實現(xiàn)注氮、生產(chǎn)及無壓井作業(yè)。

(4)通過管柱攜液能力和不同外徑連續(xù)管3 300 m沿程摩阻壓降的對比分析，選擇較大和較小管徑的連續(xù)管都不利于完成煤層氣控壓穩(wěn)產(chǎn)，?38.1 mm連續(xù)管在沿程損失不大的情況下更容易達(dá)到生產(chǎn)臨界攜液流量。