智能排水采氣技術(shù)研究與應(yīng)用

摘 " 要：針對(duì)臨興區(qū)塊致密氣井積液嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)難度大，產(chǎn)量難以提升的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)油藏資料及井筒結(jié)構(gòu)分析，選取試驗(yàn)井利用智能排采技術(shù)進(jìn)行排采試驗(yàn)，確定符合該區(qū)塊試驗(yàn)井的排采工藝。該試驗(yàn)井在開(kāi)采前期已試用多種排采措施，措施未能取得持續(xù)產(chǎn)氣的效果。應(yīng)用智能排采技術(shù)調(diào)整回注氣舉流量及壓力、干管補(bǔ)能工藝及排量等措施，從根本上解決了積液難題；與氮?dú)鈿馀e、天然氣分段氣舉等傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有安全可靠、高效及低成本等明顯優(yōu)勢(shì)。裝置具有油管連續(xù)抽吸降壓、套管連續(xù)注氣增壓的“一進(jìn)兩出”流程功能，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)抽吸及氣舉兩種工藝。試驗(yàn)持續(xù)21 d，共增產(chǎn)氣量53萬(wàn) m3，平均日增氣量高達(dá)2.5萬(wàn)余 m3，超試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)2萬(wàn) m3，取得良好的試驗(yàn)效果，證明智能排采技術(shù)可廣泛應(yīng)用在地層儲(chǔ)量豐富但常規(guī)排采技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)致密氣井。

關(guān)鍵詞：致密氣；低滲透；智能排采；適用性；非常規(guī)

中圖分類號(hào)：TE934 " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.06.011

Research and Application of Intelligent Drainage and Gas Production Technology

ZHU Biao1， LI Dongxian1， ZHANG Zhonghao2， NIU Zhiwei1， MIAO Zaiqiang1， LI Guohao1

（ 1.China Oilfield Services Limited， Tianjin 300459，China;2.United Coalbed Methane Company， Lyuliang 033200，China）

Abstract：In response to the significant accumulation of liquid in tight gas wells in the Linxing block and the associated difficulty in utilizing production， an analysis of reservoir data and wellbore structure was conducted to identify a test well for a production test utilizing intelligent production technology. The production process most suitable for the test well in the block was then determined. The experimental well has employed a variety of drainage techniques during the initial stages of mining， however， these techniques have not resulted in sustained gas production. The implementation of intelligent drainage technology， which entails adjusting the injection gas lift flow rate and pressure， the dry pipe energy replenishment process， and displacement measures， has proven to be an effective solution for addressing the issue of liquid accumulation. When compared to traditional technologies such as nitrogen gas lift and natural gas staged gas lift， the device exhibits significant advantages in terms of safety， reliability， efficiency， and cost-effectiveness. The device is equipped with a \"one in two out\" process function， whereby it continuously suctions and reduces pressure through oil pipes and continuously injects and increases pressure through the casing. This enables the device to simultaneously achieve both suction and gas lift processes. The experiment was conducted over a 21-day period， during which time there was a total increase in gas production of 530，000 standard cubic meters， with an average daily production of over 25，000 standard cubic meters. This exceeds the experimental target of 20，000 standard cubic meters and demonstrates the efficacy of the intelligent drainage technology. It can be concluded that intelligent drainage technology has the potential for widespread application in gas wells with abundant geological reserves， whereas conventional drainage technology is unable to achieve the same level of densification.

Key words：tight gas; low permeability; synchronous rotation; applicability; unconventional

目前，我國(guó)已投入開(kāi)發(fā)的氣田中產(chǎn)水氣田占80%以上，天然氣儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的75%，年產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率超60%，是天然氣穩(wěn)產(chǎn)、上產(chǎn)和發(fā)展的基礎(chǔ)［1-2］。根據(jù)?？松梨?040年世界能源展望，預(yù)計(jì)到2040年，全球天然氣需求比2016年增長(zhǎng)37.2%，這一增速幾乎是石油的一倍［3］。提高油氣采收率、提高單井產(chǎn)量、降低噸油成本將是油氣開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期目標(biāo)。致密砂巖氣是目前國(guó)際上開(kāi)發(fā)規(guī)模最大的非常規(guī)天然氣，具有大面積連片分布、不存在氣水界面、氣藏邊界不明顯的分布特征。我國(guó)致密砂巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量占到全國(guó)天然氣總探明儲(chǔ)量的40%以上，已成為我國(guó)天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的主力［4-5］。與國(guó)外相比，我國(guó)致密砂巖氣具有氣層薄、含氣飽和度低、儲(chǔ)量豐度低和埋藏深度大的特點(diǎn)，規(guī)模效益開(kāi)發(fā)的難度更大，致密氣井井筒積液會(huì)使氣井產(chǎn)能快速下降，同時(shí)會(huì)對(duì)近井地帶儲(chǔ)層造成一定程度的傷害，尤其對(duì)于致密氣藏而言，由于其儲(chǔ)層物性差， 氣井產(chǎn)量普遍較低，攜液能力差，一旦發(fā)生積液，氣井產(chǎn)能將受到極大影響，如不及時(shí)處理，極易造成水淹。針對(duì)已經(jīng)發(fā)生積液的氣井，常用的排液技術(shù)包括泡排、氣舉、機(jī)抽、射流泵、電潛泵、有桿泵等。泡排技術(shù)［6］投資少、見(jiàn)效快，但產(chǎn)氣量較小時(shí)，效果較差；氣舉技術(shù)［7］沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于大斜度井等復(fù)雜井型，但需要高壓氣源；射流泵技術(shù)［8］排量范圍大、井下設(shè)備沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，但舉升效率低，維護(hù)費(fèi)用較高且不適用于氣水比太大工況；電潛泵技術(shù)［9］適用于水淹井復(fù)產(chǎn)排水、設(shè)計(jì)、安裝及維修方便，但成本較高且維修時(shí)需要?jiǎng)泳?；有桿泵技術(shù)［10］適用于水淹井復(fù)產(chǎn)、間噴井、小產(chǎn)水量氣井排水，作業(yè)前需要在地面加裝抽油機(jī)，維護(hù)成本較高。

目前智能排水采氣技術(shù)主要是柱塞氣舉、泡沫排水采氣等單一技術(shù)搭建數(shù)字化控制系統(tǒng)，解決氣井積液?jiǎn)栴}具有局限性。如氣舉排液［11-15］，雖然較為有效，但也存在不可忽視的問(wèn)題，具體工作過(guò)程仍存在以下問(wèn)題：高壓氣體進(jìn)入井底后，在提高井底壓力的同時(shí)，會(huì)將井底積液再次壓入儲(chǔ)層，造成二次傷害；氣舉往往伴隨放空同時(shí)進(jìn)行，放空不但造成天然氣浪費(fèi)，同時(shí)也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。針對(duì)該井的智能排水采氣技術(shù)井況特征，可采用單泵抽吸、雙泵并聯(lián)抽吸、雙泵串聯(lián)回注氣舉、干管補(bǔ)能雙泵串聯(lián)回注氣舉、干管補(bǔ)能雙泵并聯(lián)抽吸等多項(xiàng)工藝措施，結(jié)合數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制技術(shù)，制定合理的工作制度，使產(chǎn)氣量達(dá)到最佳，該技術(shù)能有效解決致密氣井生產(chǎn)周期短、產(chǎn)氣量下降、積液嚴(yán)重、儲(chǔ)層二次傷害及放空浪費(fèi)天然氣、危害環(huán)境等難題，為致密氣的排水采氣提供了一種新思路［15-17］。

1 智能排采系統(tǒng)技術(shù)及特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)組成

智能排采系統(tǒng)主要由多相混輸泵（主機(jī)）、防爆電機(jī)、進(jìn)氣緩沖系統(tǒng)、中間緩沖罐、排氣緩沖罐、冷凝器、閥門(mén)管線及橇座等組成。操作原理主要涉及氣體增壓流程、排水流程以及潤(rùn)滑油循環(huán)流程。該系統(tǒng)通過(guò)一系列的緩沖罐和閘閥，實(shí)現(xiàn)氣體的多級(jí)增壓和水的脫除，同時(shí)潤(rùn)滑油的循環(huán)使用保證了設(shè)備的高效運(yùn)行。多相混輸泵采用偏心機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的平動(dòng)式泵芯的容積泵原理，轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)沿一定軌跡運(yùn)動(dòng)，在氣缸和轉(zhuǎn)子之間形成可變體積的月牙形的容積腔，實(shí)現(xiàn)流體的壓縮功能。通過(guò)滑板和排出孔口這種特殊容積腔的分隔密封機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了吸入過(guò)程與排出過(guò)程的自動(dòng)隔離，從而能夠連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行排采。該系統(tǒng)主要用于致密性氣田氣井、頁(yè)巖氣氣井的排水采氣以及低品位區(qū)塊的開(kāi)發(fā)助采；其中多相混輸泵結(jié)構(gòu)原理及一個(gè)行程的增壓過(guò)程如圖1所示。

1.2 工藝原理

智能排采技術(shù)［18-23］是以多相混輸泵為基礎(chǔ)設(shè)備，通過(guò)配套液氣分離設(shè)備及管路分配器，實(shí)現(xiàn)一進(jìn)兩出功能：抽吸回注，抽吸進(jìn)管網(wǎng)；通過(guò)干管氣補(bǔ)能，并搭載高效的數(shù)字化控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端及近端控制檢測(cè)，并能實(shí)時(shí)切換，幫助氣井迅速恢復(fù)產(chǎn)能，保障現(xiàn)場(chǎng)排水采氣工作的安全順利進(jìn)行，具體流程如圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)采取兩種工藝流程進(jìn)行實(shí)施。

1） 氣舉工藝。

利用氣井自產(chǎn)氣實(shí)施氣舉工藝，氣井產(chǎn)氣部分經(jīng)兩級(jí)壓縮增壓回注至套管，其余氣液直接外輸至管線。通過(guò)該工藝，始終保持將氣井產(chǎn)氣量的一部分注入油套環(huán)空，實(shí)現(xiàn)油套環(huán)空循環(huán)補(bǔ)能，將循環(huán)氣量與井底產(chǎn)氣量結(jié)合，實(shí)現(xiàn)氣舉排液舉升作用。

2） 抽吸生產(chǎn)工藝。

將智能排采裝備串連接入氣井生產(chǎn)流程，通過(guò)裝置運(yùn)行，將氣井產(chǎn)氣、產(chǎn)液等經(jīng)井口抽吸增壓后外輸。通過(guò)裝置抽吸增壓作用，降低氣井井口生產(chǎn)油壓，達(dá)到增大氣井生產(chǎn)壓差，降低氣井臨界攜液流量目的，如圖3所示。

1.3 智能數(shù)字化控制系統(tǒng)

氣田排水采氣作業(yè)復(fù)雜，難度較大，利用數(shù)字化技術(shù)，開(kāi)展數(shù)字化排水采氣系統(tǒng)工作，搭建高效完善的數(shù)字化控制系統(tǒng)，是解決排水采氣問(wèn)題的最佳途徑；文中所闡述的不動(dòng)管柱排水采氣技術(shù)是搭建數(shù)字化控制系統(tǒng)，監(jiān)控整套系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警和自動(dòng)化控制，實(shí)時(shí)顯示壓力、溫度、電流、可燃?xì)怏w濃度、功率、運(yùn)行時(shí)間、發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)記錄。操作人員可通過(guò)手機(jī)APP操作啟?；蛄鞒剔D(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)和自動(dòng)控制的轉(zhuǎn)換，同時(shí)系統(tǒng)搭配影像監(jiān)控系統(tǒng)，方便實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，數(shù)字化技術(shù)裝備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)界面，如圖4所示。根據(jù)井筒油管、油套環(huán)空液柱高度變化對(duì)氣井油套壓的影響過(guò)程，利用采氣曲線動(dòng)態(tài)擬合計(jì)算井筒油套環(huán)空、油管積液高度的模型算法， 實(shí)現(xiàn)對(duì)氣井積液量的實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)測(cè)，其數(shù)據(jù)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)排水采氣工藝進(jìn)行指導(dǎo)。

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

1） 功能齊全，同時(shí)實(shí)現(xiàn)抽吸、補(bǔ)能、氣舉等功能。

2） 排液量大，不受井型井深限制。

3） 邊抽吸邊回注，有效穩(wěn)定地層壓力，產(chǎn)氣量高于臨界攜液流量。

4） 無(wú)氣閥等易損件， 能實(shí)現(xiàn)任意氣液比混輸抽吸， 連續(xù)吸氣和排氣。

5） 以抽吸代替放空排液， 減少放空排液造成的天然氣浪費(fèi)和環(huán)境污染。

6） 替代人工經(jīng)驗(yàn)判斷，積液早期介入排采，降低水淹風(fēng)險(xiǎn)。

7） 后臺(tái)監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

山西某區(qū)塊某井在開(kāi)采初期，無(wú)阻流量在6萬(wàn) m3/d，日產(chǎn)氣量4萬(wàn) m3/d，經(jīng)7個(gè)月的開(kāi)采，該井產(chǎn)氣量衰減很快，從4萬(wàn) m3/d下降至2 000 m3/d，在距離井口以下300 m位置射了三個(gè)孔，管柱如圖5所示，位置a為打孔段，實(shí)現(xiàn)油套連通，對(duì)該井進(jìn)行氮?dú)鈿馀e、泡沫排水措施后，產(chǎn)量一度恢復(fù)至3萬(wàn) m3/d，持續(xù)時(shí)間約1個(gè)月，產(chǎn)量降至0 m3/d，再上氮?dú)鈿馀e和泡沫排水措施后無(wú)效果，該井處于停噴狀態(tài)，無(wú)法生產(chǎn)。

根據(jù)該井產(chǎn)能預(yù)測(cè)及砂體屬性分析，該井在近井地帶儲(chǔ)量較低，需要從遠(yuǎn)井地帶向近井地帶滲透氣量，同時(shí)該井是氣水同層，會(huì)形成水鎖，致使天然氣被阻隔在遠(yuǎn)井地帶；利用智能排采技術(shù)將原井氣加壓回注至套管，形成微型氣舉，能有效將積液帶出，同時(shí)在不斷循環(huán)過(guò)程中，原井地帶的氣量聚集，壓力提升，沖破水鎖，天然氣將積液逐漸帶出井筒。當(dāng)積液處于豎直段時(shí)，可以通過(guò)抽吸工藝、抽吸氣舉工藝、干管補(bǔ)能工藝排水；當(dāng)積液處于造斜段時(shí)，可以選擇抽吸工藝或者干管補(bǔ)能工藝或者將兩種工藝組合。考慮到干管補(bǔ)能工藝需要從干管取氣，為防止將水注入地層，對(duì)注氣壓力有要求，所以在第一階段試驗(yàn)首選抽吸工藝，通過(guò)抽吸工藝的試驗(yàn)可以分析出。單獨(dú)采用抽吸工藝時(shí)，雖然產(chǎn)氣增加后可以將積液攜帶出井，會(huì)導(dǎo)致氣井中能量損失較大，造成油套壓力下降過(guò)快，該工藝需要關(guān)井恢復(fù)差能，為快速排液，需要考慮抽吸、回注氣舉與干管補(bǔ)能組合工藝。2022-01-03—08，開(kāi)始第二階段試驗(yàn)，如表1所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以充分證明智能排采技術(shù)適合無(wú)阻流量高、滲透率相對(duì)較高、積液多、氣水同層、油套連通的井，利用干管補(bǔ)能+雙泵并聯(lián)抽吸工藝，試運(yùn)行一個(gè)周期2～3 d，產(chǎn)氣量呈現(xiàn)上升-平穩(wěn)-下降的規(guī)律，將該工藝實(shí)施數(shù)個(gè)周期后，即實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣的可持續(xù)性，達(dá)到了增產(chǎn)目的，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。對(duì)應(yīng)排采階段生產(chǎn)曲線，如圖6所示。

3 結(jié)論

1） 智能排采技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)向套管增壓注氣實(shí)施連續(xù)氣舉作業(yè)，提高氣井?dāng)y液能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)抽吸、補(bǔ)能、氣舉等功能，可以有效解決積液?jiǎn)栴}，是新型的增壓排水采氣工藝技術(shù)。

2） 適用于油套底部連通、封隔器上方連通等多種井型，增大排量提升氣舉的實(shí)施效果；排液效率高，穩(wěn)產(chǎn)周期越長(zhǎng)。

3） 針對(duì)高產(chǎn)水區(qū)塊的氣井，可實(shí)現(xiàn)“ 連續(xù)運(yùn)行”的生產(chǎn)模式，及時(shí)排出井筒積液；針對(duì)低產(chǎn)水區(qū)塊的氣井，可實(shí)現(xiàn)“輪換運(yùn)行”的生產(chǎn)模式，排出積液，恢復(fù)氣井產(chǎn)能。

4） 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳、控制功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

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