頁巖氣平臺(tái)測(cè)試流程優(yōu)化研究與應(yīng)用

杜承強(qiáng)，劉正德，杜 靜，王方祥，賈全忠

（1.渤海鉆探井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280；2.大港油田天然氣公司，天津 300280）

我國是世界上繼美國和加拿大以外第三個(gè)勘探和開發(fā)頁巖氣的國家。截止2016 年，中國頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到78.82×108m3，僅次于美國和加拿大，位于世界第三[1]。近幾年頁巖氣開發(fā)在中國呈現(xiàn)井噴式的增長(zhǎng)情況，勘探開發(fā)領(lǐng)域不斷傳出喜訊，天然氣勘探儲(chǔ)量大幅增加。伴隨著大量工程服務(wù)單位、資源、設(shè)備進(jìn)入頁巖氣市場(chǎng)，我國的頁巖氣采出紀(jì)錄不斷刷新。但與美國、加拿大頁巖氣工業(yè)相比，我國起步晚，在頁巖氣行業(yè)迅速增長(zhǎng)的規(guī)模背后，還面臨著諸多問題需要解決。針對(duì)頁巖氣測(cè)試流程的計(jì)量精度低、施工效率低、投入高、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，通過對(duì)測(cè)試流程方案進(jìn)行研究、優(yōu)化改進(jìn)，在四川長(zhǎng)寧地區(qū)平臺(tái)的試驗(yàn)，取得了顯著的效果。

1 巖氣開發(fā)特征及測(cè)試排采難點(diǎn)

頁巖氣藏屬于非常規(guī)天然氣藏，目前主要采用水平井完井和可鉆式橋塞分層大型水力加砂壓裂等系列工藝技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。該方式給頁巖氣井后續(xù)的地面返排測(cè)試帶來諸多難題，如加砂壓裂后地層常常出砂嚴(yán)重，返排前期井口壓力高，返排液量大，返排時(shí)間長(zhǎng)，高壓特別是地層出砂時(shí)會(huì)給地面測(cè)試流程設(shè)備帶來嚴(yán)峻的考驗(yàn)，地面管線設(shè)備極易被沖蝕而引起刺漏，導(dǎo)致返排測(cè)試作業(yè)中斷，甚至導(dǎo)致井筒沉砂而終止測(cè)試[2]。

2 測(cè)試流程優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)頁巖氣平臺(tái)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換模塊，單排的多口井流程僅用一套捕屑器+除砂器的方案，各流程間通過轉(zhuǎn)向模塊將需要進(jìn)行捕屑或除砂作業(yè)的井導(dǎo)入捕屑器/除砂器流程，以滿足同平臺(tái)多井的轉(zhuǎn)向功能需求的擴(kuò)展。

2.1 平臺(tái)多井流程設(shè)計(jì)

針對(duì)頁巖氣平臺(tái)不同井?dāng)?shù)，使用功能模塊組合，可拓展平臺(tái)2～6 口井奇、偶數(shù)的序列排采測(cè)試作業(yè)。根據(jù)歷次平臺(tái)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，捕屑器、除砂器在輸氣排采的過程中使用率較低，僅在連續(xù)油管鉆塞及排采初期時(shí)使用。使用轉(zhuǎn)向模塊，實(shí)現(xiàn)同排列多井共用一套固相物捕捉系統(tǒng)，達(dá)到壓裂應(yīng)急放噴、鉆塞流程轉(zhuǎn)換、單井測(cè)試等功能的切換，捕屑器和除砂器的使用效率可提升20%以上，平臺(tái)6 口井的測(cè)試流程示意圖（見圖1）。

2.2 固相物捕捉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉆塞施工中，返出物多為金屬碎屑、壓裂砂等大小不一的固相物顆粒，影響測(cè)試計(jì)量精度。含有顆粒物的高速流體會(huì)磨損孔板影響計(jì)量精度；含有金屬顆粒的高速流體，會(huì)干擾電磁流量計(jì)的計(jì)量精度。因此，設(shè)計(jì)了捕屑器、除砂器兩級(jí)固相物捕捉系統(tǒng)，有效解決了上述問題，保障了計(jì)量精度，且解決了固相物堵塞流程、刺漏流程等安全隱患。

圖1 同平臺(tái)6 口井模塊化測(cè)試流程示意圖

2.2.1 雙通道捕屑器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)了流體固相捕捉及流體節(jié)流裝置[3]，能使捕屑器與油嘴管匯兩種設(shè)備合二為一，降低捕屑器、管匯等設(shè)備的使用數(shù)量，減少了過多設(shè)備占地空間，降低了成本。管補(bǔ)器中采用雙通道的捕屑裝置，避免單個(gè)捕屑器在使用過程中，出現(xiàn)堵塞必須關(guān)井對(duì)捕屑器進(jìn)行維護(hù)的麻煩。

2.2.2 除砂器設(shè)計(jì) 選擇新型旋流式除砂器裝置，除砂能力強(qiáng)、除砂儲(chǔ)備量大、承壓等級(jí)高，可處理含硫化氫流體的工作流體。最高可達(dá)日處理液量2 400 m3、氣處理量200×104m3/d 的能力，可連續(xù)進(jìn)行除砂作業(yè)，抗沖刷能力更強(qiáng)。根據(jù)離心沉降和密度差的原理，實(shí)現(xiàn)固體、液體、氣體的分流，達(dá)到除砂的目的。

3 天然氣產(chǎn)量計(jì)算

目前現(xiàn)場(chǎng)常用的有墊圈計(jì)算、井口壓力與節(jié)流閥尺寸之間的估算、臨界流速測(cè)氣法及丹尼爾孔板等4種。為了保證產(chǎn)量計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要對(duì)幾種不同的計(jì)算方式進(jìn)行分析，以便選擇最準(zhǔn)確，最適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算方法[4]。進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)墊圈流量計(jì)只適用于測(cè)量3 000 m3/d 以下的氣體流量；井口壓力與節(jié)流閥尺寸之間的估算方法，誤差值較大，只適用于現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)估算；臨界流速流量計(jì)不能滿足高含硫井的安全要求以及操作相應(yīng)復(fù)雜等因素；丹尼爾孔板流量計(jì)計(jì)算方式使用的參數(shù)較全面，且考慮到溫度及氣體密度系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

丹尼爾孔板流量計(jì)主要通過分離器靜壓，孔板系數(shù)，孔板上下游壓差以及氣體溫度這幾個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[5]，其計(jì)算公式如下:

式中:Qg-氣產(chǎn)量；C'-孔板流動(dòng)常數(shù)；hw-壓差；Pf-靜壓。

C'定義為:

式中:Fb-基本孔板系數(shù)；Fu-雷諾數(shù)；Y1-膨脹系數(shù)；Fpb-基本壓力系數(shù)；Ftb-基本溫度系數(shù)；Ftf-流溫系數(shù)；Fg-比重系數(shù)；Fpv-壓縮系數(shù)。

在計(jì)算過程中，通常將所有參數(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓力狀態(tài)下，故Fpb和Ftb為1。所以，C'（孔板流動(dòng)常數(shù)）公式可以簡(jiǎn)化為:

該計(jì)算方式計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，可滿足高含硫井地面測(cè)試的要求。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用

該套系統(tǒng)可滿足對(duì)井口壓力、井口溫度、分離器壓力、分離器溫度、孔板壓差、瞬時(shí)氣產(chǎn)量、累計(jì)氣產(chǎn)量等多項(xiàng)主要數(shù)據(jù)同時(shí)監(jiān)控的能力。包括安全環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)分析化驗(yàn)、施工日?qǐng)?bào)及施工設(shè)計(jì)、壓力計(jì)數(shù)據(jù)回放軟件等多個(gè)監(jiān)測(cè)模塊系統(tǒng)?？蓾M足測(cè)試過程中氣產(chǎn)量計(jì)算的準(zhǔn)確性要求，經(jīng)過模擬與測(cè)試，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行集成化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方式，與常規(guī)人工錄取的方式相比提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

在四川長(zhǎng)寧地區(qū)，選取了三種不同井?dāng)?shù)的平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)應(yīng)用均取得了良好效果。三個(gè)平臺(tái)9 口井壓裂后排采的井口壓力達(dá)到了50.8 MPa；單井排采液達(dá)到了21.6 m3/h；排采初期單井除砂量達(dá)到了2 m3；單井最高產(chǎn)氣量達(dá)到了44.47×104m3/d。

5.1 除砂效果統(tǒng)計(jì)

旋流除砂器在長(zhǎng)寧頁巖氣區(qū)塊使用廣泛、效果顯著，起到了很好的固相顆粒分離作用，壓裂砂等固相顆粒在節(jié)流降壓前能很好地除去，保障了排采的連續(xù)性。除砂效果統(tǒng)計(jì)（見表1），現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明除砂率＞95%。

表1 旋流除砂器使用效果統(tǒng)計(jì)表

5.2 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

模塊化測(cè)試流程的應(yīng)用，降低了管件及設(shè)備的使用數(shù)量；降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和人工數(shù)量，減少建設(shè)周期，提高了工作效率。3 口井的平臺(tái)，與常規(guī)平臺(tái)測(cè)試流程相比（見表2），優(yōu)化后的測(cè)試流程可節(jié)約50%以上高壓管件、捕屑器、除砂器等設(shè)備的使用數(shù)量；縮短流程的建設(shè)周期30%以上，且平臺(tái)井?dāng)?shù)越多，優(yōu)化的測(cè)試流程優(yōu)勢(shì)越明顯，天然氣計(jì)量相對(duì)越準(zhǔn)確；在測(cè)試排采、鉆塞、應(yīng)急放噴等作業(yè)轉(zhuǎn)換中安全平穩(wěn)，成功率100%，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

表2 平臺(tái)3 口井測(cè)試流程經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

（1）測(cè)試流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了設(shè)備數(shù)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了作業(yè)效率。

（2）與常規(guī)測(cè)試流程相比，模塊化設(shè)計(jì)的流程，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，走向清晰。

（3）模塊化測(cè)試流程，可廣泛應(yīng)用于不同井?dāng)?shù)量的平臺(tái)，高壓、高產(chǎn)井天然氣測(cè)試求產(chǎn)作業(yè)。