井下節(jié)流天然氣井理論產(chǎn)氣量及積液診斷方法

趙潤冬

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院采氣工藝研究所，河南 鄭州 450006)

引 言

東勝氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部，為典型的致密氣藏，氣水分異差，無明顯氣水界面，生產(chǎn)中表現(xiàn)為氣水同出的特點，主力產(chǎn)氣層位為二疊系下石盒子組，平均氣藏壓力系數(shù)0.9，單井平均日產(chǎn)氣量1.3×104m3/d，平均液氣比3 m3/104m3[1]，氣井攜液能力不足，生產(chǎn)過程中容易發(fā)生積液減產(chǎn)甚至水淹關(guān)井，需要及時識別積液減產(chǎn)氣井，指導(dǎo)排水采氣工藝的實施，從而保障氣井穩(wěn)定生產(chǎn)。

東勝氣田采用井下節(jié)流工藝，傳統(tǒng)的油套壓差法、流壓測試法均無法有效應(yīng)用[2-3]。同時，由于水平井井眼軌跡及井內(nèi)懸掛封隔器的存在，也限制了環(huán)空液面探測儀器使用[4]。本文提出了一種通過對比井下節(jié)流氣井理論產(chǎn)氣量與實際產(chǎn)氣量的差異，來判斷氣井是否處于積液狀態(tài)的方法，其核心是計算井下節(jié)流氣井的理論產(chǎn)氣量。

1 井下節(jié)流氣井理論產(chǎn)氣量

將井下節(jié)流氣井理論產(chǎn)氣量定義為井底不存在積液時的日產(chǎn)氣量。同時可證明，在某一個生產(chǎn)時間節(jié)點(地層壓力、無阻流量不變)，已知井下節(jié)流氣井套壓時，理論產(chǎn)氣量是該套壓下氣井能達到的最大產(chǎn)氣量。

天然氣井在生產(chǎn)過程中，當井筒積液時，下部為靜液柱，上部為靜氣柱，根據(jù)油套環(huán)空靜氣柱方程[5]，井底流壓

(1)

式中：pwf為井底流壓，MPa；pts為井口套壓，MPa；Δp為油套環(huán)空靜液柱附加壓力，MPa；H為靜氣柱垂直深度，m；γg為天然氣相對密度，無量綱；T為井筒靜氣柱平均熱力學(xué)溫度，K；Z為井筒靜氣柱平均壓縮因子，無量綱。

不同靜液柱高度下井口套壓折算井底流壓結(jié)果如圖1所示。當井口套壓保持不變時，隨著環(huán)空內(nèi)積液高度的降低，Δp逐漸減小，對應(yīng)的井底流壓也逐漸減小，當Δp=0時井底流壓達到最小值。根據(jù)氣井流入動態(tài)曲線[6-7](圖2)，井底流壓越小，日產(chǎn)氣量越大，當井底流壓為最小值時，對應(yīng)的日產(chǎn)氣量為最大值。因此，井筒無積液時，由套壓計算得到的井底流壓最小，對應(yīng)的氣井日產(chǎn)氣量最大，該產(chǎn)氣量即為定義的理論產(chǎn)氣量。

圖1 不同靜液柱高度下井口套壓折算井底流壓

圖2 氣井流入動態(tài)曲線

2 井下節(jié)流氣井理論產(chǎn)氣量計算方法

理論產(chǎn)氣量的計算是以靜氣柱模型、管流模型、嘴流模型為工具，以氣井實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為約束條件，通過試湊法來計算。具體計算方法如圖3所示，步驟如下：

圖3 井下節(jié)流氣井理論產(chǎn)氣量計算方法示意圖

①假設(shè)井下節(jié)流氣井不存在積液，且保持套壓、液氣比、氣體組分不變；

②由井口套壓，根據(jù)靜氣柱方程計算無積液時的井底流壓；

③由井底流壓，根據(jù)氣液兩相管流模型計算井下節(jié)流器入口壓力；

④由井口油壓，根據(jù)氣液兩相管流模型計算井下節(jié)流器出口壓力；

⑤設(shè)定一個日產(chǎn)氣量初始值，根據(jù)氣液兩相嘴流模型，結(jié)合計算得到的節(jié)流器進、出口壓力計算節(jié)流器嘴徑；

⑥根據(jù)節(jié)流器嘴徑的計算值與實際值的誤差，不斷調(diào)整日產(chǎn)氣量，當誤差滿足設(shè)定的精度要求時所對應(yīng)的產(chǎn)氣量即為理論產(chǎn)氣量。

2019年，東勝氣田在2口氣井的節(jié)流器上下不同深度位置，放置多只壓力計來連續(xù)監(jiān)測井筒壓力變化。兩口氣井計算與實測井筒壓力剖面如圖4所示。由圖4 可知，A井和B井井筒壓力梯度均勻且絕對值較小，證明氣井不存在積液。以此為約束條件，通過理論壓降模型模擬發(fā)現(xiàn)，采用“靜氣柱模型(式(1)，Δp=0)+Beggs & Brill氣液兩相管流模型[8-9]+Perkins氣液兩相嘴流模型[10-11]”擬合的井筒壓力剖面與實測井筒壓力剖面符合度最高，誤差在4%以內(nèi)，可作為計算井下節(jié)流氣井理論產(chǎn)氣量的壓降理論模型。

圖4 兩口氣井計算與實測井筒壓力剖面

3 井下節(jié)流氣井井筒積液識別方法

根據(jù)氣井實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量的比值，可判斷井筒積液情況。選取89口氣井不同時間節(jié)點的數(shù)據(jù)，計算254井次實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量比值，并通過對比不同比值區(qū)間內(nèi)的套壓降速率、產(chǎn)氣量月遞減率、泡沫排水工藝實施氣井比例及實施效果等指標差異建立判斷標準，見表1，方法符合率91.6%。

表1 東勝氣田實際與理論產(chǎn)氣量比值法判斷氣井工況

東勝氣田實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量不同比值區(qū)間套壓降速率與產(chǎn)氣量遞減率，如圖5所示。從圖5中可以看出，比值小于0.9的情況有84井次， 套壓降速率最小，且產(chǎn)氣量月遞減率最大，說明氣井受積液減產(chǎn)影響，出現(xiàn)產(chǎn)氣量快速下降而壓力升高的現(xiàn)象，其中又以比值0.75為界，產(chǎn)氣量月遞減率出現(xiàn)一個較明顯的臺階，與比值小于0.75的氣井相比產(chǎn)氣量月遞減率相對減緩，積液程度減弱；比值大于1.2的情況有23井次，套壓降速率最大，且產(chǎn)氣量月遞減率相對較高，說明井下節(jié)流器故障，真實的流動通道大于標定的節(jié)流器嘴徑，實際產(chǎn)氣量偏高引起氣井產(chǎn)能下降；比值為0.9～1.2的情況有147井次，具有最低的產(chǎn)氣量月遞減率，實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量基本一致，說明氣井不存在積液減產(chǎn)。

圖5 東勝氣田實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量不同比值區(qū)間套壓降速率與產(chǎn)氣量遞減率柱狀圖

東勝氣田實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量不同比值區(qū)間泡排井比例及泡排效果，如圖6所示。從圖6可以看出，比值小于0.9的氣井具有較高的泡排工藝實施比例，且實施效果較好的氣井比例較高，同時以比值0.75為界，泡排工藝實施比例出現(xiàn)一個較明顯的臺階；比值大于1.2的氣井，由于早期對積液氣井的認識不充分，泡沫排水工藝實施比例較高，但實施效果不明顯，說明積液減產(chǎn)不是產(chǎn)氣量快速下降的原因；比值在0.9～1.2的氣井，泡排工藝實施比例最低，實施效果不明顯，說明氣井不存在積液影響。

圖6 東勝氣田實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量不同比值區(qū)間泡排井比例及泡排效果統(tǒng)計

4 應(yīng)用舉例

以東勝氣田C井為例，其全歷史生產(chǎn)動態(tài)曲線如圖7所示。該井無阻流量10.12×104m3/d，生產(chǎn)1 104 d，累計產(chǎn)氣2 197×104m3，累計產(chǎn)水5 393 m3，水氣比2.5 m3/104m3，整個生產(chǎn)周期可分為5個階段，并選取了22個時間節(jié)點計算實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量的比值。

圖7 東勝氣田C井全歷史生產(chǎn)動態(tài)曲線圖

階段1：實際產(chǎn)氣量由5.7×104m3/d降至3.0×104m3/d，套壓降速率0.022 3 MPa/d，產(chǎn)氣量月遞減率5.8%，實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量比值大于1.5，超產(chǎn)明顯，說明節(jié)流器未完全失效。

階段2：更換節(jié)流器，實際產(chǎn)氣量1.5×104m3/d未遞減，套壓降速率0.003 7 MPa/d，實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量比值介于0.76～0.87，說明嘴徑調(diào)整后產(chǎn)氣量大幅激動，出現(xiàn)輕度積液現(xiàn)象。節(jié)流器上部井筒流壓監(jiān)測顯示(圖8)，由于攜液能力不足1 200 m處有氣液滑脫現(xiàn)象，與計算結(jié)果相同可相互驗證，且該井實施泡排工藝后未明顯改變積液情況。

圖8 東勝氣田C井2018年9月4日流壓數(shù)據(jù)

階段3：再次更換節(jié)流器，前期產(chǎn)氣量波動較明顯，之后由2.7×104m3/d降至1.4×104m3/d，套壓降速率0.009 2 MPa/d，產(chǎn)氣量月遞減率3.8%，實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量比值介于0.77～1.03，該井存在輕度積液。通過配套連續(xù)泡排制度，雖然產(chǎn)氣量呈下降趨勢(東勝氣田、蘇里格氣田井下節(jié)流氣井投產(chǎn)后產(chǎn)氣量呈遞減趨勢，屬于正?，F(xiàn)象[12-14])，但實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量比值在0.9以上，氣井維持在無積液狀態(tài)。

階段4：泡排逐漸停止后產(chǎn)氣量出現(xiàn)明顯波動，套壓上升，實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量比值由0.83降至0.50，氣井出現(xiàn)嚴重積液，節(jié)流器上部井筒流壓監(jiān)測顯示(圖9)，500 m處有氣液滑脫現(xiàn)象，與計算結(jié)果可相互驗證。

圖9 東勝氣田C井2020年4月6日流壓數(shù)據(jù)

階段5：打撈節(jié)流器，受積液減產(chǎn)影響日均生產(chǎn)僅8 h，配套自動加藥裝置連續(xù)泡排后，氣井產(chǎn)氣量由0.4×104m3/d上升至1.01×104m3/d，泡排效果明顯，表明在階段4該井出現(xiàn)嚴重積液而減產(chǎn)。

從東勝氣田C井來看，利用實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量對比法，可以進行氣井全歷史生產(chǎn)工況診斷分析，有助于掌握氣井生產(chǎn)特點，指導(dǎo)排采工藝的實施。

5 結(jié) 論

(1)井下節(jié)流氣井理論產(chǎn)氣量是井筒不存在積液時的產(chǎn)氣量，是指定套壓下節(jié)流器無故障時氣井的最大產(chǎn)氣量；

(2)提出了井下節(jié)流氣井理論產(chǎn)氣量通用計算方法，但具體的壓降模型需要各氣田根據(jù)井筒壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)予以優(yōu)選，東勝氣田由實測數(shù)據(jù)優(yōu)選出“靜氣柱模型+Beggs & Brill管流模型+Perkins嘴流模型”的壓降模型組合；

(3)根據(jù)實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量的比值，可判斷井筒的積液程度，但具體的比值界限需要各氣田根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)予以標定，對于東勝氣田，若實際產(chǎn)氣量與理論產(chǎn)氣量比值小于0.75，說明井筒積液嚴重，需要及時配套排水采氣工藝。