延北113—133致密氣藏水平井速度管柱安裝策略研究

胡 苗，馮利軍，王軍鋒，杜奎甫，翟中波，李 劍，米乃哲

(1. 斯倫貝謝長和油田工程有限公司，西安 710016；2. 斯倫貝謝，西安 710016；3. 陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，西安 710065)

1 研究背景

延北113—133區(qū)塊氣藏屬于彈性驅(qū)動的致密砂巖氣藏，主要利用長段水平井，通過多級壓裂技術進行開發(fā)，壓裂后由于返排不完全導致部分壓裂液進入儲層，隨著氣藏的持續(xù)開發(fā)，地層壓力和產(chǎn)量下降，氣井對液體的攜帶能力減弱，導致井筒出現(xiàn)積液，影響氣井產(chǎn)能發(fā)揮。延北113—133氣藏于2018年7月投產(chǎn)，2019年9月個別水平井陸續(xù)出現(xiàn)積液停產(chǎn)狀況，因此采用了行業(yè)內(nèi)主流的速度管柱排水采氣措施對該區(qū)積液井進行治理。截至2020年12月31日共投產(chǎn)水平井64口，利用速度管柱生產(chǎn)的井有23口。速度管柱安裝前水平井正常生產(chǎn)時平均單井日產(chǎn)3.4×104m3，速度管柱安裝后水平井平均單井日產(chǎn)1.6×104m3, 水平井產(chǎn)量恢復了47%，產(chǎn)量恢復比例較低，速度管柱排水采氣效果較差。

為了提高速度管柱排水采氣效果，較大程度恢復產(chǎn)能，2021年初開展了區(qū)塊內(nèi)速度管柱安裝策略研究。通過調(diào)研目前行業(yè)內(nèi)對于速度管柱安裝的策略，發(fā)現(xiàn)目前的研究大多集中在井筒及工藝技術層面，如李雪晴[1]從下入深度、臨界攜液流量和摩阻系數(shù)3個方面研究了速度管柱效果的影響因素，優(yōu)化速度管柱在大牛地氣田的安裝尺寸和深度。趙宏波等人[2]結合井身結構和油管串結構的研究，優(yōu)選出了合理尺寸的速度管柱，用速度管柱重力懸空時最大載荷80%的安全系數(shù)來設計其下入極限深度，用一體式封隔懸掛器把速度管柱懸掛在油管內(nèi)壁，通過對速度管柱的尺寸、下入深度、懸掛位置及懸掛器選擇進行合理配置以提高排水效果。很少有學者從油藏層面對速度管柱安裝效果進行研究。該文從油藏的角度研究了不同尺寸速度管柱、不同的下入時機對于不同油藏儲層特征及井筒狀況的適應性，最終針對不同類型的儲層及井筒狀況形成不同的速度管柱安裝策略。

主要研究思路：1)利用Petrel建立3個可代表本區(qū)不同儲層類型的地質(zhì)模型；2)利用數(shù)值模擬軟件Eclipse在3個地質(zhì)模型的基礎上建立數(shù)值模擬模型；3)利用Pipesim建立3類不同管柱尺寸的垂直管流井筒模型；4)設計不同的方案對數(shù)值模型和井筒模型進行耦合計算，研究不同儲層類型的井其速度管柱安裝的最優(yōu)方案；5)結合實際井筒和生產(chǎn)現(xiàn)狀制定不同儲層類型的井速度管柱安裝策略。

2 速度管柱安裝策略研究

2.1 地質(zhì)模型的建立

為了得到可代表延北113-133區(qū)好中差3種儲層類型的儲層物性參數(shù), 通過將區(qū)域內(nèi)定向井按照其產(chǎn)能進行分類, 統(tǒng)計出每一類井的儲層物性參數(shù)：Ⅰ 類井, 無阻大于7×104m3/d；Ⅱ類井, 無阻為(3～7)×104m3/d；Ⅲ類井, 無阻小于3×104m3/d。Ⅰ類井對應Ⅰ類儲層，Ⅱ類井對應Ⅱ類儲層，Ⅲ類井對應Ⅲ類儲層，表1為每一類井對應的儲層物性參數(shù)，該參數(shù)用于地質(zhì)模型物性參數(shù)輸入。

表1 直定向井儲層物性參數(shù)統(tǒng)計表

3個地質(zhì)模型除了物性參數(shù)不同, 其他參數(shù)保持一致, 圖1所示模型的網(wǎng)格大小為(25.0×25.0×0.2)m；網(wǎng)格總數(shù)為89×46×40；單井控制面積2 km2；井距 1 000 m；壓裂級數(shù)6級；水平井水平段長度1 000 m。

圖1 單井地質(zhì)模型Fig.1 Geologic model of individual well

2.2 數(shù)值模型的建立

為了保證計算精確，數(shù)值模型的網(wǎng)格未進行粗化，其大小、數(shù)量與地質(zhì)模型保持一致。因為氣井壓裂返排情況直接影響著低滲致密氣藏氣井壓后的產(chǎn)能以及產(chǎn)量降至臨界攜液流量以下的時間[3]，因此需要考慮侵入?yún)^(qū)滲透率的損失、不同區(qū)域相滲曲線的差異，同時考慮返排初期含水飽和度和地層壓力不均勻分布的情況，對壓裂返排進行模擬[4]，在擬合真實返排率的基礎上進行方案設計，進行產(chǎn)量預測。

表2為壓裂反排模擬的參數(shù)設置，表3為巖石流體參數(shù)統(tǒng)計表，圖2為氣藏數(shù)值模型建立時的流體模型相滲曲線。

表2 壓裂返排數(shù)據(jù)

表3 巖石和流體參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Rock and fluid properties parameter

圖2 相滲曲線Fig.2 Relative permeability curve

2.3 井筒垂直管流模型的建立

采用Gray，Hagedorn & Brown，Beggs & Brill等多種垂直管流計算方法，對13口水平井井底流壓進行計算。對實測井底壓力資料進行對比分析，表明Gray法擬合程度較高[5]，因此選取Gray法分別對Φ88.90 mm，Φ50.80 mm，Φ38.10 mm和Φ31.75 mm的井筒垂直管流進行計算，生成各自的井筒模型。圖3為Φ88.90 mm油管井筒模型。

圖3 Φ88.90 mm油管井筒模型Fig.3 Φ88.90 mm tubing wellbore model

2.4 模擬方案設計

針對不同儲層類型、不同的速度管柱尺寸、不同的下入時間, 設計了72組數(shù)值模擬方案, 如表4所示, 機理模型井筒狀況理想。對不同的模型和速度管柱尺寸方案設置相同的生產(chǎn)制度, 因此可利用井底流壓來表征速度管柱下入時間, 井底流壓24 MPa時, 即投產(chǎn)就安裝速度管柱, 速度管柱安裝時間最早；井底流壓3 MPa時, 即積液停產(chǎn)后安裝速度管柱, 速度管柱安裝的時間最晚。

表4 數(shù)值模擬方案設計Table 4 Cases design of numerical simulation

2.4.1 速度管柱下入時機優(yōu)化

對于不同類型儲層的井，分別將Φ31.75 mm，Φ38.10 mm和Φ50.80 mm的速度管柱在井底流壓為3 MPa，6 MPa，9 MPa，12 MPa，15 MPa，18 MPa，21 MPa和24 MPa情況下下入，模擬結果顯示：速度管柱的下入時機對最終累采無影響，但影響采氣速度及早期的階段累計采出量，速度管柱尺寸越小，影響程度越大；儲層質(zhì)量越好，影響程度越大。

以Ⅱ類儲層為例，圖4為不同時間下入Φ31.75 mm的速度管柱的生產(chǎn)剖面。圖4表明Φ31.75 mm速度管柱安裝時機越早，采氣速度越小，階段累計采出越低。這是由于較小速度管柱其摩阻較大，與早期油管生產(chǎn)相比抑制了產(chǎn)能的發(fā)揮，影響初期的采氣速度，產(chǎn)能5×104m3/d的臨界井底流壓為21 MPa, 基本無法穩(wěn)產(chǎn)。圖5為不同時間下入Φ38.10 mm的速度管柱的生產(chǎn)剖面，圖5表明Φ38.10 mm速度管柱安裝時機越早，采氣速度越小，階段累計采出越低。由于Φ38.10 mm速度管柱摩阻小于Φ31.75 mm的但大于油管的摩阻，因此與早期油管生產(chǎn)相比，雖然抑制了產(chǎn)能的發(fā)揮，但抑制作用小于Φ31.75 mm的，產(chǎn)能5×104m3/d的臨界井底流壓為9 MPa。圖6為不同時間下入Φ50.80 mm的速度管柱的生產(chǎn)剖面，圖6表明Φ50.80 mm速度管柱對初期采氣速度的抑制作用較弱。由于Φ50.80 mm速度管柱摩阻小于Φ38.10 mm的但大于油管的摩阻，因此與早期油管生產(chǎn)相比，雖然抑制了產(chǎn)能的發(fā)揮，但抑制作用小于Φ38.10 mm的，產(chǎn)能5×104m3/d的臨界井底流壓為6 MPa。

圖4 不同時機下入Φ31.75 mm的速度管柱生產(chǎn)剖面Fig.4 The production profile of Φ31.75 mm velocity string was run at different times

圖5 不同時機下入Φ38.10 mm的速度管柱生產(chǎn)剖面Fig.5 The production profile of Φ38.10 mm velocity string was run at different times

圖6 不同時機下入Φ50.80 mm的速度管柱生產(chǎn)剖面Fig.6 The production profile of Φ50.80 mm velocity string was run at different times

通過圖7統(tǒng)計階段累產(chǎn)(投產(chǎn)至油管生產(chǎn)停產(chǎn)這一段時間), 得出對于Ⅰ類、Ⅱ類儲層的井，越晚下入速度管柱越好，較早下入速度管柱會大大抑制產(chǎn)能的發(fā)揮，降低采氣速度。因此應該在流壓小于3 MPa，即采出程度約大于33%時下入速度管柱。對于Ⅲ類儲層的井，速度管柱的下入時間可稍早于Ⅰ類、Ⅱ類儲層的井，即當井底流壓小于6 MPa，采出程度約大于19%時下入速度管柱。

圖7 不同時間下入不同尺寸速度管柱階段累計產(chǎn)量對比Fig.7 Cumulative production in early period with different velocity string installation time and size

2.4.2 速度管柱尺寸優(yōu)化

在井底流壓為3 MPa時，不同儲層類型的井分別安裝Φ50.80 mm，Φ38.10 mm和Φ31.75 mm的速度管柱，通過對累計產(chǎn)量的統(tǒng)計得出如下結論：1)圖8顯示速度管柱尺寸越大初期產(chǎn)氣速度越高，速度管柱尺寸越小生產(chǎn)周期越長；2)圖9顯示Ⅰ類、Ⅱ類儲層的井，速度管柱尺寸越大初期產(chǎn)氣增加幅度越大；3)圖10顯示Ⅲ類儲層的井，速度管柱尺寸越小，后期產(chǎn)氣增加幅度越大；4)速度管柱的尺寸隨著井產(chǎn)能類別的升高而升高，Ⅰ類、Ⅱ類儲層的井應安裝較大尺寸的速度管柱，Ⅲ類儲層的井應安裝較小尺寸的速度管柱。

圖8 不同儲層類型下入不同尺寸速度管柱累計產(chǎn)量Fig.8 Cumulative production with different velocity string installation size under different reservoir quality

圖9 早期Φ50.80 mm速度管柱對比Φ38.10 mm累產(chǎn)增加幅度Fig.9 Increase in CUM of Φ50.80 mm velocity string compared with Φ38.10 mm at early period

圖10 晚期Φ31.75 mm速度管柱對比Φ38.10 mm累產(chǎn)增加幅度Fig.10 Increase in CUM of Φ31.75 mm velocity string compared with Φ38.10 mm at later period

3 不同儲層類型井的速度管柱安裝策略

以上研究論證了在穩(wěn)定的生產(chǎn)制度和理想井筒狀況下，理論上速度管柱的安裝時機和尺寸。但是實際生產(chǎn)情況復雜多變，需要在理論框架下針對單井實際生產(chǎn)制定速度管柱安裝策略。

1)針對下入時機：一般生產(chǎn)中，常以臨界攜液流量作為速度管柱安裝時機的指標，認為當氣井產(chǎn)量降至該井的臨界攜液流量以下時，便可下入速度管柱生產(chǎn)[4]。但產(chǎn)量降至臨界攜液流量的原因不同，若是正常生產(chǎn)造成能量衰減，導致油管不能正常攜液，該時間點是安裝速度管柱的合理時間；但是如果由于砂堵等井況原因造成產(chǎn)量下降導致該井不能正常攜液，則該時間點非速度管柱的合理下入時機，因此下入速度管柱前應該根據(jù)生產(chǎn)情況通過動態(tài)分析做出初步診斷。

2)針對下入尺寸：研究表明，好儲層井應安裝較大尺寸速度管柱，差儲層井應安裝較小尺寸速度管柱，但由于各個井降至臨界攜液流量以下時的累計采出程度不同，所以井的能量不同，因此，對于具體的尺寸選擇應根據(jù)該井排液后生產(chǎn)能力確定，原則上應保證該井排液后正常產(chǎn)量在即將安裝速度管柱的臨界攜液流量以上。表5為統(tǒng)計的氣藏實際參數(shù)，表6為Turner模型[6]計算3 MPa流壓下不同管徑的臨界攜液流量。

表5 計算臨界攜液流量實際參數(shù)Table 5 Reservoir actual parameter of critical liquid carrying flow rate calculation

表6 不同尺寸管柱臨界攜液流量(Turner)Table 6 Critical liquid carrying flow rate of different string size(Turner)

在實際生產(chǎn)中，某些氣井的工作制度并不穩(wěn)定，井筒狀況也不理想，無法用井底流壓來表征下入速度管柱的合適時機，但可根據(jù)以上理論模型計算的合理下入速度管柱時機對應的累計產(chǎn)量來表征，Ⅰ類儲層井底流壓3 MPa時對應的累計產(chǎn)量為5 071× 104m3，Ⅱ類儲層井底流壓3 MPa時對應的累計產(chǎn)量為3 379×104m3，Ⅲ類儲層井底流壓6 MPa時對應的累計產(chǎn)量為1 484×104m3。

綜合以上研究成果和區(qū)塊實際生產(chǎn)情況，制定了符合延北113-133區(qū)塊不同儲層類型的井速度管柱安裝策略，圖11為Ⅰ類儲層的井速度管柱安裝決策樹，圖12為Ⅱ類儲層的井速度管柱安裝決策樹，圖13為Ⅲ類儲層的井速度管柱安裝決策樹。

圖11 Ⅰ類儲層井速度管柱安裝策略Fig.11 Velocity string installation strategy for class Ⅰ reservoir wells

圖12 Ⅱ類儲層井速度管柱安裝策略Fig.12 Velocity string installation strategy for class Ⅱ reservoir wells

圖13 Ⅲ類儲層井速度管柱安裝策略Fig.13 Velocity string installation strategy for class Ⅲ reservoir wells

4 現(xiàn)場應用效果

從2019年至今，延北113—133區(qū)塊水平井安裝速度管柱井數(shù)為34口，2019—2020年為速度管柱安裝的探索階段，無具體的安裝策略，速度管柱的安裝較盲目。

2021年通過以上速度管柱安裝理論研究，經(jīng)過實踐總結形成了速度管柱安裝策略，應用該策略實施速度管柱安裝決策。從圖14可以看出，2021年對比2019—2020年速度管柱效果明顯變好。

圖14 單井速度管柱安裝效果對比柱狀圖Fig.14 Single well velocity string installation effect comparison bar chart

從產(chǎn)量恢復比例角度對比：2021年安裝速度管柱后平均單井產(chǎn)量恢復比例為67.8%，較2020年的52.0%提高了15.8%，較2019年的36.2%提高了31.6%。

從井數(shù)恢復比例角度對比：2021年安裝速度管柱11口，單井產(chǎn)量恢復到50%以上的井數(shù)為10口，井數(shù)恢復比例為91%。只有YB002-H06這一口井產(chǎn)量恢復較差，主要由于該井速度管柱安裝時間較短，井底壓力過低，目前還在啟動中。2021年安裝速度管柱后產(chǎn)量恢復較好的井數(shù)比例較2020年的60%提高了31%，比2019年的33%提高了58%。

從生產(chǎn)時率角度對比：表7顯示出安裝了速度管柱后生產(chǎn)時率可大大提高。

表7 速度管柱安裝策略運用實施效果對比表

通過實施效果對比發(fā)現(xiàn)，該安裝策略適用性較強，可大大提高氣井開發(fā)效果。

5 結論

1)安裝速度管柱前需要進行井筒診斷，有砂堵問題的井不可直接安裝速度管柱，應處理完井筒問題后根據(jù)產(chǎn)量恢復狀況判斷是否需要安裝速度管柱。

2)Ⅰ類、Ⅱ類儲層的井在采出程度大于33%時即可安裝速度管柱，Ⅲ類儲層的井在采出程度大于19%時即可安裝速度管柱。

3)Ⅰ類儲層的井速度管柱合適尺寸為Φ(38.10～50.80) mm，Ⅱ類儲層的井速度管柱合適尺寸為Φ(31.75～44.45) mm，Ⅲ類儲層的井速度管柱合適尺寸為Φ(31.75～38.10) mm。具體尺寸的選擇應根據(jù)該井排液后正常產(chǎn)能確定，以保證安裝速度管柱的臨界攜液流量小于該井排液后的正常產(chǎn)能。