榆林南地下儲氣庫注采井完井管柱的優化設計

汪雄雄 樊蓮蓮 劉雙全，2 韓強輝

1.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院 2.“低滲透油氣田勘探開發”國家工程實驗室

鄂爾多斯盆地榆林南地下儲氣庫選擇上古生界二疊系山西組二段為儲氣層。氣藏主砂體發育區氣層厚度較大，向兩側砂體尖滅形成泥巖遮擋，是典型的砂巖巖性氣藏，儲層表現出較強的非均質性。儲氣層山23亞段的孔隙度為6.36%，滲透率為13.84mD（最大值為409mD），為低孔、低—中滲氣藏。氣藏埋深為2 841m，原始地層壓力為27.2MPa，地層溫度為86℃。天然氣相對密度為0.58，甲烷含量為94%，H2S含量為4.05mg／m3，CO2含量為1.78%。

儲氣庫采用注氣和采氣雙功能水平井，水平段采用篩管完井［1］，連續油管均勻布酸酸洗工藝。設計以1a為1個注采周期，4個月采氣，8個月注氣和檢修。采氣最低井口壓力6.4MPa，注氣最高井口壓力28MPa。

1 注采井產能方程的確定

由于儲層非均質性強，氣井產能存在差異，榆林南儲氣庫注采井按照采氣量2類井（表1）設計。氣井二項式產能方程［2］如下：

式中a表示層流系數；b為紊流系數；qsc為氣井絕對無阻流量，104m3／d。

表1 榆林南儲氣庫注采水平井產能方程參數及注采能力設計表

2 油管敏感性分析

采用節點分析方法，計算不同油管對氣井產能的影響規律，用于指導注采井油管尺寸設計。選擇井底為節點，首先做出流入動態曲線（IPR），然后根據給定井口壓力（pwh），計算各種油管尺寸的產量和井底流壓（pwf）的關系，并做出油管動態曲線（TPR），IPR曲線和TPR曲線的交點即為各種油管的生產協調點［3－5］（圖1）。

圖1 油管尺寸對產量敏感性曲線圖

儲氣庫注采井產能高，油管對產量敏感。以無阻流量200×104m3／d的氣井為例， 114.3mm及以下尺寸的油管，隨著氣量的增加，井筒壓力損失增加明顯（圖2）。

3 油管尺寸的選擇

圖2 不同產量對應的井筒壓力損失圖

注采井油管尺寸的選擇首先需要滿足地質與氣藏工程設計的注、采氣量要求，同時需要滿足后期井下作業和連續酸洗作業的要求。

3.1 滿足采氣要求的油管尺寸

采氣管柱尺寸的選擇需要考慮協調點產量、沖蝕流量和臨界攜液流量等3個方面。

3.1.1 協調點產量計算

協調點產量是氣井在一定井口壓力條件下所能達到的最大氣量。運用節點分析軟件PIPESIM采用Hagedorn－Brown模型，在井口壓力6.4MPa條件下，對不同油管的協調點產量進行了計算。結果表明：在一定井口壓力條件下，隨著地層壓力下降，油管協調點產量下降；相同條件下管徑越大，協調點產量越大（圖3、4）。

3.1.2 抗沖蝕性分析

圖3 Ⅰ類井不同油管協調點產量圖

圖4 Ⅱ類井不同油管協調點產量圖

高速流動的氣體在金屬表面上運動，在氣體雜質機械磨損與腐蝕介質的共同作用下，會使油管腐蝕加速。實踐表明，氣體流速超過21.3m／s時，管柱沖蝕趨于嚴重。儲氣庫注采井運行過程中井口壓力為整個井筒壓力分布的最低點，沖蝕分析選擇井口為研究點。表2是不同油管在對應井口壓力下的沖蝕流量［6－8］。

表2 不同尺寸油管沖蝕流量計算值表

3.1.3 油管攜液能力分析

按照Turner攜液模型計算了不同井底流壓下的最小攜液流量（表3）。榆林南儲氣庫注采水平井產量高，產量能夠滿足攜液生產的要求，攜液能力不是油管尺寸確定的主要因素。

表3 氣井臨界攜液流量與井底流壓關系表

3.1.4 滿足采氣要求的油管尺寸

綜合考慮注采井協調點產量、沖蝕流量、攜液生產能力等因素。按照儲氣庫上限壓力（指地層壓力）24.6 MPa、下限壓力19.1MPa兩種情況，井口壓力6.4 MPa，計算不同油管的最大合理產量。

如表4所示，無阻流量為200×104m3／d時，采用 139.7mm可以滿足86×104～126×104m3／d的采氣要求；無阻流量為80×104m3／d時，采用 114.3 mm可以滿足35×104～65×104m3／d的采氣要求。

3.2 滿足注氣的油管尺寸

注氣產能方程采用與采氣產能方程同一個產能方程。在注氣壓力28MPa條件下，分別計算各類井的注入能力（表5）。綜合考慮協調點注氣量和沖蝕流量，3種油管均能夠滿足注氣量要求。計算結果同時也表明，滿足采氣要求的油管尺寸均能夠滿足注氣要求。

3.3 油管尺寸選擇

綜合油管的注、采氣能力及后期作業需求，Ⅰ類井采用 139.7mm油管，Ⅱ類井采用 114.3mm油管。

4 管柱結構的優化設計

4.1 設計原則

①能夠實現井下快速關斷；②能夠實施更換管柱；③能夠建立井內循環；④能滿足動態實時監測的需要；⑤單井工具采用同一廠家成熟產品，具有良好的防腐和密封性能。

表4 不同尺寸油管采氣能力分析表 104 m3／d

表5 不同尺寸油管注氣能力分析表 104 m3／d

4.2 管柱結構及功能設計

根據榆林南儲氣庫基本情況和注采井運行過程中的功能需求，注采井采用井下懸掛壓力計測壓完井管柱（以下簡稱完井管柱），結構如圖5、表6所示。油管和完井工具采用氣密封扣，保證管柱整體密封性。完井管柱從上至下包括：流動短節＋井下液控安全閥＋流動短節＋滑套＋錨定總成＋永久式封隔器＋磨銑延伸筒＋堵塞工作筒＋帶孔管＋懸掛工作筒［9－10］。

圖5 井下懸掛壓力計測壓完井管柱示意圖

表6 儲氣庫注采試驗井主要完井工具下深表

完井管柱結構及功能特點：①安裝了井下液控安全閥，能夠在異常情況下快速關斷井筒，防止氣井失控；②循環滑套可以建立油套環空的通道，能夠進行壓井作業；③封隔器以上油管可以正旋起出；④永久封隔器配合環空保護液，可以減小生產流體對套管的腐蝕，延長氣井使用壽命；⑤可以實現封隔器下部油管堵塞，更換上部管柱作業；⑥井內可以懸掛監測儀器；⑦管柱整體通徑滿足連續油管通過和作業要求［11－13］。

4.3 完井管柱實施效果

榆林南儲氣庫注采試驗井榆A和榆B采用井下懸掛壓力計測壓完井管柱。榆A井采用 114.3mm油管，完井管柱全井段最小內徑67.7mm（RN坐落短節處）；榆B井采用 139.7mm油管，完井管柱全井段最小內徑112.9mm（RN坐落短節處）。完井工具入井前測試合格，完井管柱下入施工順利，封隔器一次坐封、試壓及功能測試正常。完井后鋼絲作業和連續油管儲層改造管柱通過順暢。

目前2口井已經完成了2個周期的注采試驗。油套環空無帶壓情況，注采過程中采用存儲式電子壓力計監測井底壓力變化（圖6、7），井下投撈檢測工具鋼絲作業順利，完井管柱功能正常。

榆林南注采試驗井榆A和榆B井注氣過程中，井筒壓力損失分析見表7所示，計算壓力損失與實測的誤差小于2%。現場試驗表明，室內節點分析軟件模擬計算結果符合氣井實際運行工況。

圖6 榆A井注采曲線圖

圖7 榆B井注采曲線圖

表7 井筒壓力實際監測與模擬計算對比表

5 結論及認識

1）利用節點分析方法模擬油管注采能力，是確定注采井油管合理尺寸的可靠方法。

2）井下懸掛壓力計測壓完井管柱能夠滿足井筒安全控制、井下動態檢測的要求。

3）懸掛壓力計測壓完井管柱采用的永久式封隔器能夠保護生產套管不與注采流體介質接觸，盡可能延長注采井使用壽命。

4）油管尺寸是限制管柱最大注采氣量的主要因素。

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