頁巖氣井生產(chǎn)管柱優(yōu)選研究與應(yīng)用

王慶蓉 陳家曉 蔡道鋼 楊 智 陳 珂

1. 中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院， 四川 成都 610017;2. 四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司, 四川 成都 610056

0 前言

頁巖氣井開發(fā)初期,產(chǎn)量、井口壓力快速增加,產(chǎn)氣量達(dá)到峰值,大部分井直接采用空套管投產(chǎn)。當(dāng)產(chǎn)量快速下降時(shí),需及時(shí)下入生產(chǎn)管柱提高頁巖氣井的攜液能力。采用生產(chǎn)管柱后,產(chǎn)量再次大幅度波動,應(yīng)采取排水采氣工藝輔助氣井排液生產(chǎn)。針對頁巖氣井的生產(chǎn)特點(diǎn),在產(chǎn)量出現(xiàn)波動前就應(yīng)該根據(jù)氣井不同生產(chǎn)階段及時(shí)針對性地采取優(yōu)選管柱、柱塞、泡排等工藝措施消除積液影響,有效提高單井產(chǎn)量。下入生產(chǎn)管柱作為延長頁巖氣井自噴期的重要手段以及后期采取柱塞、泡排等排水采氣工藝的基礎(chǔ),優(yōu)選管柱工藝研究對頁巖氣規(guī)模開發(fā)并提高采收率有重要意義。目前,生產(chǎn)管柱下入的時(shí)機(jī)更多憑借現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)實(shí)施,如何選擇生產(chǎn)管柱尺寸、設(shè)置管柱結(jié)構(gòu)與后期接替排采工藝更好結(jié)合的一系列優(yōu)選管柱技術(shù)暫未形成,本文通過對氣井?dāng)y液生產(chǎn)的重要影響因素進(jìn)行計(jì)算分析,并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際提出一體化優(yōu)選管柱技術(shù),為延長氣井穩(wěn)產(chǎn)期起到支撐作用。

1 頁巖氣井下入生產(chǎn)管柱面臨的難題

根據(jù)頁巖氣井的生產(chǎn)特征,大致可將頁巖氣井采氣期分為三個(gè)階段：第一階段為頁巖氣井開發(fā)初期,井口壓力、產(chǎn)量快速增加,氣產(chǎn)量達(dá)到峰值,大部分井直接采用空套管投產(chǎn);第二階段氣井井口壓力、產(chǎn)量快速下降,需及時(shí)下入生產(chǎn)管柱提高頁巖氣井的攜液能力,延長自噴期;第三階段為氣井生產(chǎn)中后期采用生產(chǎn)管柱后,產(chǎn)量、壓力再次大幅度波動,出現(xiàn)井口壓力快速下降至輸壓、氣水產(chǎn)量同步大幅下降的現(xiàn)象,此時(shí)應(yīng)采取一定的排水采氣工藝措施來保證頁巖氣的正常采出。因此,科學(xué)合理的生產(chǎn)管柱技術(shù)是穩(wěn)定氣井生產(chǎn)并為排水采氣提供工藝基礎(chǔ)的技術(shù)保障。但該研究前期技術(shù)存在需要攻關(guān)的難點(diǎn)：一方面,投產(chǎn)后的早期,放壓放產(chǎn)生產(chǎn)方式下,不同氣井井口壓力、產(chǎn)量變化的差異性大,對生產(chǎn)管柱下入時(shí)間影響大,各井生產(chǎn)狀況差別大,簡單的生產(chǎn)管柱下入時(shí)間普適性不強(qiáng)；另一方面,受鋼絲作業(yè)能力限制,缺少生產(chǎn)管柱在井斜角50°～90°井段內(nèi)的生產(chǎn)流動壓力溫度剖面實(shí)測數(shù)據(jù),全井筒不同管徑在后期低壓小產(chǎn)條件下的生產(chǎn)流動特征缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)支撐分析,生產(chǎn)管柱下入深度優(yōu)化難度大。頁巖氣井規(guī)模上產(chǎn)速度快、井?dāng)?shù)多,積液對頁巖氣空套管生產(chǎn)井的影響越來越明顯。下入生產(chǎn)管柱能夠有效提高氣井?dāng)y液能力,因此亟需形成明確的生產(chǎn)管柱下入技術(shù)來指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。

2 頁巖氣井優(yōu)選生產(chǎn)管柱工藝技術(shù)

2.1 生產(chǎn)管柱尺寸

頁巖氣套管生產(chǎn)井陸續(xù)出現(xiàn)自噴帶液困難時(shí),及時(shí)下入生產(chǎn)管柱能有效提高氣井的攜液能力,但不同尺寸油管的適應(yīng)性和攜液生產(chǎn)效果不同,主要影響因素有生產(chǎn)管柱的最大產(chǎn)氣量、抗氣體沖蝕能力、井筒壓力損失、攜液能力。因此,從這四個(gè)方面對常用內(nèi)徑42.8 mm、50.67 mm、62 mm的生產(chǎn)管柱進(jìn)行對比分析。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況,頁巖氣井日產(chǎn)氣量低于2×104m3,日產(chǎn)水量低于5 m3時(shí)應(yīng)下入生產(chǎn)管柱。因此,分析在井口壓力2 MPa、日產(chǎn)氣量2×104m3、日產(chǎn)水量5 m3條件下,常用三種管徑的最大理論產(chǎn)氣量,結(jié)果表明不同管徑生產(chǎn)管柱的最大理論產(chǎn)氣量均能滿足生產(chǎn)需求。同時(shí)計(jì)算出不同管徑生產(chǎn)管柱的最低臨界沖蝕流量為12.97×104m3/d,因此,長寧頁巖氣田目前配產(chǎn)10.5×104m3/d均不會產(chǎn)生沖蝕。從井筒壓力損失對比,內(nèi)徑50.67 mm和內(nèi)徑 62 mm 生產(chǎn)管柱井筒壓力損失僅0.1 MPa,而內(nèi)徑42.8 mm與內(nèi)徑 50.67 mm 生產(chǎn)管柱相比,井筒壓力損失超過0.6 MPa。攜液能力方面,井口流壓越高,內(nèi)徑越大,則臨界攜液流量越大。經(jīng)過計(jì)算,產(chǎn)氣量2×104m3/d以上時(shí),內(nèi)徑50.67 mm生產(chǎn)管柱能滿足攜液要求,產(chǎn)氣量3×104m3/d以上時(shí),內(nèi)徑62 mm生產(chǎn)管柱能滿足攜液要求,見圖1。綜合從輔助帶液、穩(wěn)定生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益考慮,推薦選用內(nèi)徑50.67 mm的生產(chǎn)管柱作為主要生產(chǎn)管柱。

圖1 不同尺寸生產(chǎn)管柱臨界攜液流量圖Fig.1 Critical liquid carrying flow of production string of different sizes

2.2 生產(chǎn)管柱下入時(shí)機(jī)

氣井投產(chǎn)初期采用套管生產(chǎn),過早或過晚下入生產(chǎn)管柱均不利于充分發(fā)揮氣井產(chǎn)能。在氣井產(chǎn)能充足時(shí)過早采用生產(chǎn)管柱生產(chǎn),高產(chǎn)條件下生產(chǎn)管柱內(nèi)摩阻大導(dǎo)致井筒壓力損失增加,產(chǎn)量或井口壓力會因此低于空套管生產(chǎn)。例如:相對于空套管生產(chǎn),若保持井口生產(chǎn)壓力不變,早期采用內(nèi)徑50.67 mm生產(chǎn)管柱生產(chǎn),產(chǎn)量將下降30%,采用油套環(huán)空生產(chǎn),產(chǎn)量將下降5%;若保持產(chǎn)量不變,早期采用內(nèi)徑50.67 mm生產(chǎn)管柱生產(chǎn),井口生產(chǎn)壓力將下降3～5 MPa。隨著氣井的不斷開采,產(chǎn)能和壓力不斷降低,當(dāng)氣井?dāng)y液能力逐漸下降后,若未及時(shí)下入生產(chǎn)管柱來提高氣井?dāng)y液能力,會出現(xiàn)積液現(xiàn)象,甚至水淹停產(chǎn)。下入生產(chǎn)管柱可以在氣井套管生產(chǎn)出現(xiàn)不穩(wěn)定前及時(shí)切換生產(chǎn)通道,保持穩(wěn)定帶液生產(chǎn),最大限度減少積液對氣井的影響。根據(jù)長寧區(qū)塊頁巖氣生產(chǎn)動態(tài)分析,當(dāng)套壓下降到4 MPa后,氣井產(chǎn)量低于11×104m3/d,套管生產(chǎn)井?dāng)y液會出現(xiàn)困難?？紤]到帶壓下生產(chǎn)管柱作業(yè)時(shí)間以及地層壓力遞減情況,應(yīng)在套壓高于10 MPa之前下入生產(chǎn)管柱。

2.3 生產(chǎn)管柱下入深度

頁巖氣井直井段、斜井段、水平井內(nèi)流動規(guī)律差異大,滑脫現(xiàn)象主要出現(xiàn)在斜井段。垂直管一般以環(huán)狀流的形式攜帶液體,越接近臨界攜液點(diǎn),液膜越厚,液滴直徑越大;傾斜管管底液膜存在明顯的滑脫現(xiàn)象,呈現(xiàn)來回下降又上升的過程,部分液體直接被攜帶至垂直管,而部分管底厚液膜會回流至傾斜管末端,然后重新被攜帶上升;水平管以波動液膜攜液為主,形成的液滴較少,水平管內(nèi)的臨界攜液流量是最低的。通過不同尺寸生產(chǎn)管柱水平段壓力損失模擬計(jì)算可知,在井口壓力3 MPa,產(chǎn)氣量2.4×104m3/d,產(chǎn)水量3 m3/d條件下,水平井段流動壓力損失相對較小,均在1 MPa以內(nèi)。生產(chǎn)管柱下入到水平段增加了壓力損失,因此建議生產(chǎn)管柱下入至水平段以上?？紤]井筒積液特點(diǎn),為減少滑脫損失,降低井筒流動壓力損失,生產(chǎn)管柱下深應(yīng)位于射孔頂部以上,管鞋處井斜角70°～80°,由于頁巖氣井出砂,井筒會沉砂,為了避免生產(chǎn)管柱砂埋并利于攜帶積液,下傾井生產(chǎn)管柱宜下入至射孔段頂部以上10 m左右;上傾井生產(chǎn)管柱宜下至A點(diǎn)以上,且管鞋垂深應(yīng)高于射孔最大垂深10～20 m,具體到單井時(shí)還需考慮井筒積液特點(diǎn)及帶水采氣需求,同時(shí)滿足管鞋處井斜角≥70°,見圖2。

圖2 上傾井生產(chǎn)管柱下入深度示意圖Fig.2 Tubing depth in updip well

2.4 生產(chǎn)管柱配套工具

壓力計(jì)下深受井斜限制,液面位置不清楚,回聲儀液面測試解釋精度缺乏參照?；匾魳?biāo)可通過數(shù)據(jù)庫分析,指導(dǎo)環(huán)空及生產(chǎn)管柱內(nèi)測試解釋,輔助試井測試解釋,解決回聲儀測試液面的解釋精度難題。同時(shí)考慮為后續(xù)的柱塞工藝實(shí)施提前準(zhǔn)備,降低大斜度段坐放柱塞卡定器的施工難題,減少繩索作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。生產(chǎn)管柱柱上預(yù)置柱塞工作筒,可降低在大斜度段坐放卡定器的風(fēng)險(xiǎn),使柱塞應(yīng)用最大井斜68.8°,保障柱塞有效沉沒,提高柱塞工藝的應(yīng)用效果。

3 優(yōu)選管柱工藝應(yīng)用情況

優(yōu)選管柱工藝技術(shù)總體成熟,有利于延長氣井生命周期、穩(wěn)定生產(chǎn),已大規(guī)模推廣。截至2020年12月31日,長寧區(qū)塊累計(jì)下入生產(chǎn)管柱268口。2018年后,半年內(nèi)下入生產(chǎn)管柱井占比達(dá)到90%,2020年達(dá)到95%,優(yōu)選管柱工藝的應(yīng)用呈逐年增長的趨勢,為后續(xù)排水采氣措施的及時(shí)實(shí)施、有效維護(hù)氣井產(chǎn)能提供了技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)長寧區(qū)塊頁巖氣生產(chǎn)動態(tài)分析,當(dāng)套管生產(chǎn)井的井口壓力接近輸壓時(shí),就會出現(xiàn)帶液生產(chǎn)困難,產(chǎn)量大幅度波動,甚至水淹停產(chǎn)的現(xiàn)象。優(yōu)選管柱工藝的應(yīng)用情況表明,套管生產(chǎn)水淹井在內(nèi)徑50.67 mm生產(chǎn)管柱生產(chǎn)條件下,提高了帶液生產(chǎn)能力,初期日產(chǎn)氣量恢復(fù)到10×104m3以上,在5×104m3左右日產(chǎn)氣量水平上相對穩(wěn)產(chǎn)了13個(gè)月,見圖3。另一方面,在套管生產(chǎn)井的井口壓力未接近輸壓時(shí),采用生產(chǎn)管柱生產(chǎn),可以消除套管生產(chǎn)的積液階段,并明顯降低產(chǎn)量遞減率,見圖4。總體上,套管出現(xiàn)波動后4個(gè)月內(nèi),及時(shí)下入生產(chǎn)管柱生產(chǎn)的井,能有效改善帶液效果,增加帶液生產(chǎn)穩(wěn)定性,普遍有一定的產(chǎn)能恢復(fù)。

圖3 生產(chǎn)管柱增強(qiáng)帶液生產(chǎn)能力代表井采氣曲線圖Fig.3 ubing enhancement with fluid production capacity represents a well gas recovery curve

圖4 早期下入生產(chǎn)管柱井消除套管生產(chǎn)積液階段代表井采氣曲線圖Fig.4 The early stage of eliminating fluid in casing production represents a well gas recovery curve

4 結(jié)論

1)綜合生產(chǎn)管柱理論計(jì)算不同尺寸生產(chǎn)管柱最大理論產(chǎn)氣量、井筒壓力損失、抗氣體沖蝕能力、攜液能力,并從輔助帶水、穩(wěn)定生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益考慮,推薦選用內(nèi)徑 50.67 mm 的生產(chǎn)管柱作為頁巖氣長寧區(qū)塊主要生產(chǎn)管柱。

2)當(dāng)套壓下降到4 MPa后,氣井產(chǎn)量低于11×104m3/d,套管生產(chǎn)井?dāng)y液會出現(xiàn)困難。在套管產(chǎn)量、壓力等出現(xiàn)波動后,及時(shí)下入生產(chǎn)管柱生產(chǎn),能有效改善帶液效果,增加帶液生產(chǎn)穩(wěn)定性,延長氣井生命周期?？紤]到帶壓下生產(chǎn)管柱作業(yè)時(shí)間以及地層壓力遞減情況,應(yīng)在套壓高于 10 MPa 之前下入生產(chǎn)管柱。

3)頁巖氣上傾井生產(chǎn)管柱下入至A點(diǎn)以上,管鞋垂深原則上應(yīng)超過A、B點(diǎn)中間位置的垂深。下傾井中采用大通徑橋塞完成的井,生產(chǎn)管柱下至第一個(gè)橋塞面10 m左右位置;壓裂后套管為全通徑的井,生產(chǎn)管柱下入至A點(diǎn)端第一個(gè)射孔段頂部10 m左右。

4)推薦生產(chǎn)管柱柱上帶回音標(biāo),可通過建立數(shù)據(jù)庫,指導(dǎo)環(huán)空及生產(chǎn)管柱內(nèi)測試解釋,輔助試井測試解釋,解決回聲儀測試液面解釋精度難題,同時(shí)生產(chǎn)管柱柱上宜預(yù)置柱塞工作筒,可降低在大斜度段坐放卡定器的風(fēng)險(xiǎn),保障柱塞有效沉沒。