塔里木超深油藏注氣驅油舉升工藝應用

周懷光,張 寶,王 鵬,孫玉國,王 玉,任利華

(中國石油塔里木油田分公司 油氣工程研究院,新疆 庫爾勒 841000)

塔里木油田碎屑巖油藏整體已進入中高含水期,但油藏普遍埋藏深(>4 000 m)、溫度高(110～140 ℃)、礦化度高(最高27 ×104mg/L),以聚合物、表面活性劑等應用為主體的化學法提高采收率技術在塔里木油田適應性較差。注氣驅油是一項較為成熟而有效的提高采收率技術,在國內外有著廣泛的應用,并且受溫度、礦化度的影響較小[1-4]。加之塔里木油田擁有豐富的天然氣資源,因此注氣提高采收率技術在塔里木油田具有巨大的應用潛力。東河1 石炭系油藏是塔里木油田首個碎屑巖油田注氣開發(fā)試驗區(qū)。前期室內實驗結果表明,所注天然氣與原油在油藏條件下可達到混相,在注氣過程中,隨受效程度加深,地層壓力及油氣相態(tài)發(fā)生復雜轉變,對注氣受效井在機采階段的生產將帶來多方面影響。一方面,井筒中氣液比將隨之不斷變化,氣液比最高達到了400 m3/t,一旦泵吸入口處含氣率超過機采泵的氣處理能力,將影響泵效甚至導致氣鎖現象[5],機采工藝需進行針對性優(yōu)化;另一方面,生產井井口壓力不斷升高,常規(guī)采油樹、穿越電纜及防噴盒存在超壓失控風險,帶來一系列井完整性問題。因此,為保障注氣開發(fā)試驗效果,需對注氣受效井機采工藝開展系統(tǒng)優(yōu)化工作。

1 機采階段主要工況分析

隨著注氣規(guī)模的擴大,地層壓力逐漸恢復,生產井氣液比逐漸升高,受效生產井將具備自噴能力。因此,需明確轉自噴前機采階段的氣液比、井口壓力等工況,為機采工藝的配套提供參考依據。

1.1 生產氣液比

根據井筒流動理論,油井是否具備自噴能力主要取決于地層壓力、采液指數、生產氣液比及含水率。根據采液指數的不同,將試驗區(qū)生產井劃分為三類:≤1 m3/(d·MPa)、3～4 m3/(d·MPa)、≥20 m3/(d·MPa)。以日產液40 m3、含 水 率20%、油壓1.8 MPa 作為自噴條件,分別對不同產液指數的井進行了自噴模擬計算,計算結果見圖1。

從圖1 中可以看出,隨采液指數的增大,臨界線向左移動,自噴條件區(qū)域隨之擴大,表明生產井越易達到自噴條件。目前該區(qū)地層壓力位于40～50 MPa,在最小地層壓力、最小采液指數條件下,該區(qū)生產井具備自噴條件的臨界氣液比為150 m3/m3。換言之,注氣開發(fā)機采階段所需滿足的最大氣液比為150 m3/m3。

1.2 泵吸入口處含氣率

1)泵吸入口處含氣率計算方法

為確定機采泵對不同氣液比的適應能力,需首先對泵吸入口處的含氣率進行準確計算。含氣率即游離氣在油、氣、水三相混合體系中的體積分數,計算公式如下:

式中,fg為泵吸入口處含氣率,%;fw為井口產出液的含水率,%;Rgo為生產氣油比,m3/m3;Rs為泵吸入口處溫度、壓力條件下的溶解氣油比,m3/m3;Bg、Bo及Bw分別為泵吸入口處溫度、壓力條件下氣、油及水的體積系數,m3/m3。

在式(1)中,fw、Rgo可直接由生產數據中獲取,Bw隨溫度、壓力變化相對較小,對最終計算結果的影響可忽略不計,此處可作Bw=1 處理。該油藏條件下,由于注入的天然氣可與地層中原油發(fā)生混相,流入井筒中的原油及天然氣的高壓物性將發(fā)生復雜的變化。

2)泵吸入口處含氣率變化規(guī)律分析

注氣井受效后,泵吸入口處含氣率主要受到氣油比及泵吸入口處壓力兩方面因素的影響。一方面,隨著注氣規(guī)模的擴大,氣驅前緣逐漸向生產井推移,氣液比將不斷上升。從圖2 中可以看出,生產氣油比的上升對含氣率有升高作用。而另一方面,注入氣使得地層壓力得到補充,動液面隨之升高,泵吸入口處壓力將逐漸上升(見圖3)。圖4 為相同生產氣油比、含水率條件時,不同泵吸入口處壓力下含氣率的模擬計算結果。從圖4 中可以看出,隨著泵吸入口處壓力的上升,含氣率呈現下降趨勢。

因此,受以上兩方面因素的影響,在注氣受效井達到自噴條件前,含氣率并非呈現持續(xù)上升的規(guī)律。轉自噴前,含氣率的上升規(guī)律可劃分為三個階段(見圖5)。在受效的最初階段,由于地層壓力恢復相對較慢,泵吸入口處壓力上升幅度較小,含氣率主要受到氣液比上升的影響而不斷升高;但當氣液比上升到一定程度時,隨著地層壓力的逐步恢復,泵吸入口處壓力對含氣率的影響逐漸增強,含氣率開始小幅下降;待氣油比與泵吸入口處壓力對含氣率的影響達到動態(tài)平衡后,含氣率穩(wěn)定在50%左右。

2 舉升工藝優(yōu)化與評價

根據上述分析,在注氣受效井轉自噴前,需應對泵吸入口處含氣率50%～60%的工況,這超出了常規(guī)抽油機及電泵舉升工藝的適用范圍。為此,分別開展了高氣液比工況下電泵及抽油機舉升工藝的優(yōu)化研究。

2.1 電泵舉升工藝

為降低氣體對電泵的影響,目前國內普遍采用安裝氣液分離器的處理方法。但氣液分離器的氣體處理能力最高僅達到40%(含氣率),無法滿足該區(qū)塊生產井最高62%的含氣率條件[7]。

為此,選用高效分離器+氣體處理器解決高含氣率問題。氣體處理器是一種具備高攜氣能力的氣液混輸裝置[8-9]。該裝置結構如圖6 所示,由轉動部分和固定部分組成。其高攜氣能力主要來自于特殊的葉輪及導輪結構,能夠減小氣泡的體積,并將氣液混合得更為均勻,使得氣液混合流體的流動性更加接近單相流,其氣體處理能力可達70%。

典型井D-H4 井,于2016 年5 月下入高效分離器+氣體處理器電泵機采管柱。圖7 為D-H4 井轉自噴前生產曲線。從圖7 中可以看出,該井轉自噴前氣液比最高達到450 m3/t,計算泵吸入口處含氣率在50%～62%,期間配合采用套管放氣方式,未出現氣鎖、氣蝕現象,滿足了注氣受效井的高氣液比生產工況。

2.2 抽油機舉升工藝

針對高氣液比工況下的抽油機舉升工藝技術,為降低氣體對泵效的影響,目前國內外主要通過兩方面的途徑解決。一是降低泵吸入流體的含氣量,主要的實施方式包括加深泵掛、安裝氣錨及套管放氣等;二是減小進入泵的游離氣對泵的影響,主要的實施方式包括提高沖程、采用防氣泵等[10-11]。結合該區(qū)塊具體工況,選用氣砂錨+防氣抽油泵的組合方式解決高氣液比舉升問題。氣砂錨性能參數如表1 所示,所選氣砂錨可應用在含砂量≤0.5%、氣油比≤300 m3/m3工況下。

在采用氣砂錨降低進泵流體含氣量的基礎上,選用防氣抽油泵降低進泵氣體對抽油泵的影響,防氣抽油泵的工作原理如圖8 所示。相較于常規(guī)抽油泵,防氣抽油泵增加了氣腔室結構。上沖程時,固定閥開啟,游動閥關閉,當柱塞下端進入氣腔室時,泵內流體中氣體上升,直至上沖程結束。下沖程時,固定閥關閉,游動閥開啟,當柱塞上端進入氣腔室時,氣腔室與油管聯通,存儲在氣腔室中的氣液混合體上逸,直至下沖程結束。中空管的設置給泵內氣體的排出留出通道,從而增加了工作筒內液體的充滿系數,降低了泵內的含氣率,有利于泵效的提高。

表1 氣砂錨性能參數表

典型井D-10H 井,于2016 年6 月下入氣砂錨+防氣抽油泵機采管柱,圖9 為D-10H 井轉自噴前生產曲線。從圖9 中可以看出,該井轉自噴前氣液比最高達到140 m3/t,計算泵吸入口處含氣率在5%～20%,期間配合采用套管放氣方式。根據該井日產液20 t、生產氣液比119 m3/t 生產條件下所測示功圖,認為氣體對泵的影響較小。

3 結論

1)針對泵吸入口處含氣率的計算方法,所選經驗公式對于東河油藏流體物性具有較好適應性,可綜合采用經驗公式及PVT實驗數據進行含氣率的計算;

2)針對所研究油藏,在注氣開發(fā)過程中,受到氣液比上升及地層壓力上升的雙重影響,機采井轉自噴前,泵吸入口處含氣率呈現出先快速上升、后逐漸下降并趨于平穩(wěn)的變化趨勢,機采井所需面對的最高含氣率位于50%～60%;

3)井下工具配套方面,電泵井采用高效分離器+氣體處理器的組合方式,抽油機井采用氣砂錨+防氣抽油泵的組合方式,配合套管放氣工藝,能夠有效應對轉自噴前高達62%的含氣率工況,基本滿足注氣受效井轉自噴前生產需求。