長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣水平井柱塞工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

余 帆 陳家曉 葉長(zhǎng)青 向建華 楊 智 蔣 密 王慶蓉 陳 珂

1. 中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2. 四川頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司

0 引言

2012年3月，長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣區(qū)塊被批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)示范區(qū)。經(jīng)過(guò)十余年的技術(shù)攻關(guān)和生產(chǎn)建設(shè)形成規(guī)模產(chǎn)能，目前長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)示范區(qū)已成為我國(guó)最大的頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)，頁(yè)巖氣年產(chǎn)量突破100×108m3，已探明儲(chǔ)量超過(guò)10 000×108m3。

長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣井采用衰竭式開(kāi)發(fā)，初期壓力高、產(chǎn)氣量大，能夠自噴帶液生產(chǎn)。但隨著地層能量不斷衰減，進(jìn)入低壓小產(chǎn)量階段后，自身能量無(wú)法將井筒內(nèi)液體帶到地面，氣井估算最終采出量的40%需要依靠人工舉升采出。柱塞工藝作為主要的排水采氣技術(shù)措施[1]，由于其經(jīng)濟(jì)環(huán)保特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于常規(guī)氣井生產(chǎn)[2-4]。而柱塞工藝在頁(yè)巖氣井中的應(yīng)用，晚于常規(guī)氣井。北美地區(qū)最早開(kāi)展頁(yè)巖氣井的柱塞工藝試驗(yàn)，目前柱塞工藝已成為北美地區(qū)低壓低產(chǎn)頁(yè)巖氣井排水采氣的主要技術(shù)手段[5]。國(guó)內(nèi)中石油、中石化兩大公司在頁(yè)巖氣井柱塞工藝方面，都開(kāi)展了一系列的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[6-9]，取得了一定的成果，但仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)，制約著柱塞工藝的實(shí)施效果，如井下限位器的設(shè)計(jì)、工藝介入時(shí)機(jī)的選擇、水平井鋼絲的作業(yè)難度等。因此，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)大斜度井、水平井的井筒流動(dòng)規(guī)律，合理設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，從而有針對(duì)性地采取柱塞工藝措施，對(duì)確保頁(yè)巖氣區(qū)穩(wěn)產(chǎn)具有重大意義。

本文通過(guò)建立一套可視化井筒氣液兩相流實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，設(shè)置不同的液量、氣量、井斜角度及流速，觀察氣液兩相的井筒流動(dòng)規(guī)律，同時(shí)綜合考慮其他因素得出結(jié)論，用以指導(dǎo)工藝實(shí)施目標(biāo)井段與工藝介入時(shí)機(jī)；并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行鋼絲作業(yè)工具的配套、柱塞工具的選型，以確保工藝施工及運(yùn)行效果，形成了適用于長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊的一套柱塞工藝技術(shù)。

1 井筒流動(dòng)規(guī)律研究

1.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置

基于大斜度井、水平井的井筒氣水流動(dòng)規(guī)律與常規(guī)直井存在較大差異[10]，為了更好地研究大斜度井、水平井的井筒積液?jiǎn)栴}，建立了可視化井筒氣液兩相流實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，對(duì)比研究垂直段、傾斜段和水平段的積液現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝置采用內(nèi)徑50 mm，長(zhǎng)度18 m的可視化有機(jī)玻璃管來(lái)模擬井筒，管傾角可在0°～90°之間自由調(diào)節(jié)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度20℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在不同液量、氣量、管傾角度的條件下，采用高速攝像儀觀察和捕捉井筒流動(dòng)形態(tài)的變化，并實(shí)時(shí)記錄液膜反轉(zhuǎn)時(shí)的情況，以獲得不同氣液流量條件下的井筒流型分布。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置示意圖見(jiàn)圖1，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由進(jìn)氣系統(tǒng)、進(jìn)液系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)四部分組成。主要配套裝置包括空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、渦輪流量計(jì)、高壓隔膜泵、閥門、壓力傳感器、壓差傳感器、攝像裝置。

圖1 可視化井筒氣液兩相流實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置示意圖

1.2 工藝目標(biāo)井段

首先開(kāi)展了不同角度—不同液量條件下的臨界攜液流速測(cè)定實(shí)驗(yàn)。液量變化范圍設(shè)置為1×m3/d～5×m3/d，以1×m3/d遞增，液量模擬的是氣井生產(chǎn)過(guò)程中的水產(chǎn)量；管傾角度變化范圍設(shè)置為5°～90°，以5°遞增，管傾角度模擬的是井斜角度。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定在不同角度、不同液量條件下的液膜反轉(zhuǎn)氣流速，即臨界攜液流速，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同液量下，臨界攜液的氣體流速隨著井斜角度變化的趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為隨著井斜角度的增大，臨界攜液氣流速先增大后減??；在井斜角度為55°時(shí)，臨界攜液氣流速達(dá)到了最大值，同時(shí)液量變化對(duì)臨界攜液氣流速的影響也達(dá)到最大值。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同角度和液量條件下的液膜反轉(zhuǎn)氣流速變化圖

其次進(jìn)行了不同角度—不同氣量條件下的壓降和持液率測(cè)試實(shí)驗(yàn)。表觀氣流速（vsg）分別設(shè)置為0.5 m/s、3 m/s、9 m/s、15 m/s、21 m/s，表觀氣流速模擬的是氣井的產(chǎn)氣量；管傾角度變化范圍仍為5°～90°，以5°遞增，模擬井斜角度的變化。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定在不同角度、不同表觀氣流速條件下的井筒壓降和持液率數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。從圖3可以看出，不同氣量下，井筒壓降均隨井斜角度的增大而先增大后減小，最大壓降點(diǎn)均出現(xiàn)在井斜角度為55°時(shí)。從圖4可以看出，不同氣量下，井筒持液率隨著井斜角度的增大而先緩慢增大、后緩慢減小，持液率最大值仍出現(xiàn)在井斜角度為55°時(shí)，說(shuō)明該角度為最難攜液點(diǎn)。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同角度和氣量條件下井筒壓降變化圖

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同角度和氣量條件下井筒持液率變化圖

實(shí)驗(yàn)觀察表明，①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)，液膜厚度越厚，液滴直徑越大；②水平管則以波動(dòng)液膜攜液為主，形成的液滴較少，水平管內(nèi)的臨界攜液流量最低；③傾斜管中，管底液膜存在明顯的滑脫現(xiàn)象，呈現(xiàn)來(lái)回下降又上升的過(guò)程。分析認(rèn)為，頁(yè)巖氣井的滑脫現(xiàn)象主要出現(xiàn)在斜井段，水平井中水平井段的液體以液膜攜帶為主，而直井段中越接近井口，越以液滴攜帶為主[11-12]。綜合考慮實(shí)驗(yàn)得出的規(guī)律，臨界攜液流速、壓降和持液率均在井斜角55°附近出現(xiàn)峰值，是斜井段的最難攜液點(diǎn)，可以將其作為排水采氣工藝重點(diǎn)目標(biāo)井段，同時(shí)考慮液膜滑脫具有一定范圍，因此在頁(yè)巖氣井柱塞工藝設(shè)計(jì)編寫中，將工藝實(shí)施目標(biāo)井段設(shè)定在井斜60°～70°附近。

1.3 工藝介入時(shí)機(jī)

傳統(tǒng)臨界攜液模型忽略了井斜角度變化對(duì)臨界產(chǎn)量的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有較大偏差[13-15]，一些學(xué)者在對(duì)傳統(tǒng)模型進(jìn)行修正的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)修正系數(shù)主要與油管內(nèi)徑和井斜角相關(guān)，受管壁摩擦系數(shù)的影響較小[16-18]。本文針對(duì)頁(yè)巖氣水平井井型與高氣水比特點(diǎn)，在室內(nèi)可視化水平井模型氣液兩相管流研究的基礎(chǔ)上，將Belfroid[19]結(jié)合Fiedler模型[20]所提出的角度修正關(guān)系帶入Wallis模型，再通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，不再考慮液滴直徑，以管徑D作為影響因素，最終得到頁(yè)巖氣井的臨界攜液氣量模型：

式中vg表示臨界攜液流速，m/s；ρg表示氣體密度，kg/m3；ρL表示液滴密度，kg/m3；D表示管徑，m；g表示重力加速度，m/s2；β表示井斜角，（°）；qsc為臨界攜液氣量，104m3/d；A表示油管橫截面積，m2；p表示壓力，MPa；T表示溫度，K；Z表示氣體偏差因子，無(wú)量綱。

由這個(gè)修正后的頁(yè)巖氣井臨界攜液氣量模型，可以計(jì)算得到臨界攜液流速，繼而得到臨界攜液氣量。當(dāng)氣井的日產(chǎn)氣量低于臨界攜液氣量時(shí)，將不能正常帶液生產(chǎn)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)柱塞工藝施工周期，同時(shí)考慮頁(yè)巖氣產(chǎn)量遞減速度，研究結(jié)論為：在氣井的日產(chǎn)氣量降到1.2倍臨界攜液流量之前，作為實(shí)施柱塞工藝的最佳時(shí)機(jī)。以此確保在氣井產(chǎn)量低于臨界攜液流量之前投運(yùn)柱塞，使氣井能夠穩(wěn)定帶液生產(chǎn)。

2 柱塞工具選型配套

2.1 施工工具串配套

基于前述研究成果，柱塞工藝目標(biāo)井段為井斜角為60°～70°的井段，而常規(guī)工具串在大斜度井段施工困難。為保證工藝順利實(shí)施，配合井下柱塞卡定器的投放，需要對(duì)鋼絲作業(yè)工具進(jìn)行配套優(yōu)化。通過(guò)專用工具評(píng)價(jià)及研制，引入滾珠扶正器（圖5）、井下飛輪（圖6）以及研制滾輪柔性短節(jié)等低摩阻工具，解決了工具串在水平井大井斜角施工時(shí)的摩阻問(wèn)題。作業(yè)工具串的配套優(yōu)化，使柱塞卡定器在大斜度井段投放施工中的安全適用性、通過(guò)性及投撈成功率得到有力保障。2020年該技術(shù)在長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊，成功完成106口井的柱塞卡定器施工投放工作，成功率100%。整體施工技術(shù)也通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐得到進(jìn)一步提升，柱塞卡定器投放的最大井斜角從最初的50°，逐步突破到65°，目前65°大井斜段的施工作業(yè)已實(shí)現(xiàn)常態(tài)化。

圖5 滾珠扶正器示意圖

圖6 井下飛輪示意圖

2.2 柱塞工具選型

通過(guò)調(diào)研、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的不同井況，研發(fā)形成工藝柱塞選型標(biāo)準(zhǔn)。

總體上柱塞應(yīng)具備如下功能：①在井下天然氣壓力恢復(fù)的作用下，以段塞方式將液體舉出井口；②作為液柱和舉升天然氣之間的隔離面，應(yīng)盡量減少漏失；③清潔油管內(nèi)壁，防止結(jié)蠟或結(jié)垢。

在基本功能的基礎(chǔ)上，適用于水平井的柱塞，還需要考慮柱塞偏磨、大斜度井段的漏失等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比分析不同類型柱塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、適用范圍與氣液比適用條件等（表1），結(jié)合長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣井生產(chǎn)特征，優(yōu)選出柱狀柱塞、旋轉(zhuǎn)柱塞作為區(qū)塊主體柱塞。

表1 不同類型柱塞工具選擇條件對(duì)比表

3 柱塞工藝應(yīng)用效果

2020年在長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣水平井中實(shí)施柱塞工藝87口井，部分井的工藝數(shù)據(jù)與增產(chǎn)效果見(jiàn)表2。表中可見(jiàn)多口井的柱塞井下限位器下入井段，井深較深、井斜角較大，對(duì)應(yīng)施工難度大，但均成功實(shí)施了柱塞工藝。工藝后平均單井日增產(chǎn)氣量0.5×104m3，平均油套壓差下降20%，年增產(chǎn)氣量1.02×108m3，柱塞工藝應(yīng)用效果良好。預(yù)計(jì)2025年將有1 228口頁(yè)巖氣井投產(chǎn)，頁(yè)巖氣井柱塞舉升排水采氣系列技術(shù)將具有廣闊應(yīng)用前景。

表2 2020年長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣水平井部分柱塞氣舉工藝效果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)井斜為55°左右時(shí)，臨界攜液流速、壓降和持液率均出現(xiàn)峰值，液膜回落現(xiàn)象最明顯，同時(shí)考慮液膜滑脫具有一定范圍，因此在柱塞工藝設(shè)計(jì)編寫中，將工藝實(shí)施目標(biāo)井段設(shè)定為井斜60°～70°附近。

2）基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)Wallis模型進(jìn)行修正。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工周期以及頁(yè)巖氣產(chǎn)量遞減速度，研究結(jié)論為：在氣井的日產(chǎn)氣量降到1.2倍臨界攜液流量之前，作為實(shí)施柱塞工藝的最佳時(shí)機(jī)。

3）現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)引入滾珠扶正器、井下飛輪以及研制滾輪柔性短節(jié)等低摩阻工具，解決了工具串在水平井大井斜角施工時(shí)的摩阻問(wèn)題，使柱塞卡定器投放65°大井斜段的施工作業(yè)實(shí)現(xiàn)常態(tài)化。

4）通過(guò)工具對(duì)比評(píng)價(jià)，優(yōu)選柱狀柱塞、旋轉(zhuǎn)柱塞作為長(zhǎng)寧區(qū)塊主體柱塞，整體帶液效果良好。

5）實(shí)驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)，從工藝實(shí)施目標(biāo)井段、工藝介入最佳時(shí)機(jī)，到施工工具串配套、柱塞工具選型，形成了適用于長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊的一套柱塞工藝技術(shù)，應(yīng)用效果良好，前景廣闊。