產(chǎn)水氣田排水采氣技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

曹光強 姜曉華 李楠 賈敏 張義 王浩宇

1. 中國石油勘探開發(fā)研究院；2. 中國石油集團采油采氣重點實驗室

中國已投入開發(fā)的氣田中產(chǎn)水氣田占80%以上，天然氣儲量占總儲量的75%，年產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率超60%，是天然氣穩(wěn)產(chǎn)、上產(chǎn)和大發(fā)展的基礎(chǔ)［1］。國內(nèi)主要產(chǎn)氣盆地的統(tǒng)計表明，出水井?dāng)?shù)由2011年的不到3 000口迅速增加到2018年的8 000余口，占總開井?dāng)?shù)的50%以上。氣井出水是氣田開發(fā)過程中影響產(chǎn)量穩(wěn)定和采收率的主要因素之一，一方面導(dǎo)致氣井產(chǎn)氣量急劇下降，甚至水淹停產(chǎn)；另一方面地層中出水封隔儲層，致使大量天然氣儲量無法有效采出，大幅降低采收率。排水采氣技術(shù)作為保障出水氣田穩(wěn)產(chǎn)和提高采收率的主體工藝，在國內(nèi)外數(shù)十年的氣田開發(fā)實踐中得到了驗證［2-3］。以我國主要產(chǎn)氣盆地的統(tǒng)計為例，年施工總量9萬余井次、增產(chǎn)天然氣近30億m3，有效保障了出水氣田的穩(wěn)產(chǎn)且提高采收率。然而，隨著時間的推移和天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，部分老氣田逐漸進(jìn)入開發(fā)中后期，不同復(fù)雜類型氣田不斷投入開發(fā)，水平井、大斜度井等特殊井型的大量使用，給現(xiàn)有排水采氣工藝帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不適應(yīng)問題逐漸突出。因此，系統(tǒng)開展產(chǎn)水氣田排水采氣技術(shù)現(xiàn)狀梳理與發(fā)展趨勢研究十分迫切且意義重大。

1 排水采氣技術(shù)在氣田開發(fā)中的作用及地位

排水采氣是解決氣井井筒及井底附近地層積液過多或產(chǎn)水，并使氣井恢復(fù)正常生產(chǎn)的工藝措施，其目的是延緩、避免氣井水淹，改善氣藏生產(chǎn)狀況，提高氣藏開發(fā)效益與采收率，在氣田開發(fā)過程中有著舉足輕重的作用。

1.1 氣田出水具有普遍性

截至2018年底，我國已投入開發(fā)的氣田共有812個，其中陸上672個、海上140個，主要分布在四川、鄂爾多斯、塔里木、柴達(dá)木等盆地，其中80%以上的氣田都不同程度存在邊水、底水、層間/層內(nèi)水等明確的地層水水體(表1)［4］。隨著開發(fā)時間的增加，氣井會逐漸出水，即使極個別氣田不存在明確的地層水體，在開發(fā)中后期也會有凝析水產(chǎn)出。因此，氣田出水具有普遍性，不出水是相對的。

表1 國內(nèi)部分含氣盆地典型氣田水體類型統(tǒng)計Table 1 Statistics of water body types of typical gasfields in some domestic gas bearing basins

1.2 出水會帶來嚴(yán)重的危害

氣藏出水會給儲層、井筒等帶來一系列的影響，大幅降低氣井產(chǎn)能、產(chǎn)量、采收率。對于儲層方面的影響：侵入水會沿高滲透帶和裂縫對氣層進(jìn)行分隔與阻擋，造成大量的天然氣儲量無法有效采出，降低氣田采收率，降幅可達(dá)40%～50%；同時由于地層水進(jìn)入儲層，擠占天然氣的滲流通道，大幅降低氣井的產(chǎn)能。對于井筒方面的影響：地層水進(jìn)入井筒，一方面腐蝕井筒和生產(chǎn)管柱，增加開采成本和開發(fā)風(fēng)險；另一方面井筒由純氣體的單相流轉(zhuǎn)變?yōu)闅狻⒁簝上嗔鲃樱蟠笤黾恿司擦鲃幽芰繐p耗，氣井自噴能力減弱，產(chǎn)量大幅下降，甚至水淹停產(chǎn)。統(tǒng)計國內(nèi)9個典型氣田、5 000余口氣井出水對天然氣產(chǎn)量的影響情況，結(jié)果表明，出水導(dǎo)致的產(chǎn)量降幅為19.5%～87%，給氣田的穩(wěn)產(chǎn)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1.3 排水采氣是解決氣田出水的主體工藝

在氣田開發(fā)的中后期，地層壓力和氣井產(chǎn)量逐漸下降，當(dāng)產(chǎn)量下降到臨界流量以下后，氣井無法將產(chǎn)出的地層水全部帶出到地面，部分液體回落至井底形成積液，導(dǎo)致生產(chǎn)壓差降低、產(chǎn)量下降，攜液能力進(jìn)一步減弱，如此反復(fù)循環(huán)最終導(dǎo)致氣井水淹停產(chǎn)，這就是出水導(dǎo)致氣井天然氣產(chǎn)量降低和不穩(wěn)定的原因。因此，要想保證出水氣井的穩(wěn)產(chǎn)，在氣井自身能量不足的情況下，必須采取必要的技術(shù)輔助氣井將產(chǎn)出的地層水及時排出，避免積液導(dǎo)致產(chǎn)量下降，這種技術(shù)就是排水采氣。根據(jù)國內(nèi)外已開發(fā)氣田的統(tǒng)計，出水氣田中大約40%～50%的天然氣儲量需要依靠排水采氣工藝采出；而對于致密氣田，排水采氣的作用更加重要，高達(dá)70%的儲量需要依靠排水采氣工藝采出，且80%的開發(fā)時間都處在排水采氣期內(nèi)［5］。表2統(tǒng)計了國內(nèi)幾個重點產(chǎn)氣盆地2018年采氣工藝的情況，可以看出排水采氣無論是在施工井?dāng)?shù)還是在增產(chǎn)天然氣量上都占主導(dǎo)地位，是解決氣田出水問題的主體工藝。

表2 國內(nèi)主要產(chǎn)氣盆地2018年采氣工藝統(tǒng)計Table 2 Statistics of gas production technologies used in domestic main gas producing basins in 2018

2 國外排水采氣研究現(xiàn)狀

隨著不斷研究與完善，國外單井排水采氣已發(fā)展了氣舉、柱塞、機抽、電潛泵等多種成熟技術(shù)，在氣田現(xiàn)場使用取得了良好效果，大大提高了氣田的采收率。

2.1 成熟工藝配套技術(shù)完善方面成果顯著

(1)氣舉排水采氣。氣舉優(yōu)化設(shè)計軟件和氣舉井下工具等方面發(fā)展迅速，氣舉配套工具已基本形成系列，產(chǎn)品主要有氣舉閥、偏心工作筒、封隔器、間歇氣舉裝置、洗井裝置等［6］。

(2)電潛泵排水采氣。近年來研制成功高效多級電潛泵、大功率電機等新設(shè)備；同時，在電壓保護(hù)、電纜、氣體處理器等方面也進(jìn)展巨大，使電潛泵的泵效和使用壽命大大提高。在實驗研究方面，美國塔爾薩大學(xué)搭建了仿真的電潛泵可視化實驗平臺，構(gòu)建了出砂、乳化液、氣體對電潛泵性能影響的數(shù)學(xué)模型，并開發(fā)了性能優(yōu)化軟件［7］。

(3)柱塞排水采氣。針對不同井況形成了不同材質(zhì)系列化的柱塞產(chǎn)品，開發(fā)了分體式柱塞、刷式柱塞等新品種［8］。分體式柱塞可有效減少氣井關(guān)井時間，增加氣井產(chǎn)量；刷式柱塞可用于出砂氣井。在控制系統(tǒng)方面，BP等公司開發(fā)了柱塞氣舉智能化控制系統(tǒng)，可根據(jù)井筒的生產(chǎn)狀態(tài)自動調(diào)整柱塞到達(dá)時間、后續(xù)流動時間等參數(shù)，無需人工干預(yù)，從而實現(xiàn)產(chǎn)氣量的最大化與效益的最優(yōu)化。另外，通過對配套工具、工藝的改進(jìn)，在大斜度井、水平井上開展了應(yīng)用，最大井斜角可達(dá) 67°［9］。

(4)機抽排水采氣。發(fā)展了多種變形產(chǎn)品，如膠帶傳動游梁式、旋轉(zhuǎn)驢頭式等抽油機；開發(fā)了可調(diào)速驅(qū)動電機等配套設(shè)備與部件。在抽油桿方面，研制了鋁合金、不銹鋼等多種高強度、耐腐蝕、耐磨損和連續(xù)性結(jié)構(gòu)的抽油桿［10］。

2.2 連續(xù)油管在排水采氣技術(shù)中廣泛應(yīng)用

連續(xù)油管出現(xiàn)以后被廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域，排水采氣方面也不例外。國外近些年廣泛拓展了連續(xù)油管在排水采氣工藝中的應(yīng)用［11］。

(1)用作速度管柱進(jìn)行生產(chǎn)。用連續(xù)油管代替小油管作為生產(chǎn)管柱，大幅度增加了天然氣在油管中的流動速度，從而增加氣井的攜液能力，延長氣井的自噴生產(chǎn)期。

(2)用于氣舉排水采氣。用連續(xù)油管作為氣舉通道，靈活方便，可以最大限度提高排液量，同時可以有效避免油套環(huán)空下有封隔器的影響，廣泛應(yīng)用于水淹井復(fù)產(chǎn)、連續(xù)/間歇氣舉，清除井筒積液，恢復(fù)氣井正常生產(chǎn)能力。

(3)用于泡沫排水采氣。將直徑為?9.525 mm×1.24 mm或?6.35 mm×0.89 mm的連續(xù)油管從生產(chǎn)油管內(nèi)下入到井底，然后從地面將配置好的泡排劑溶液通過泵送或虹吸的方法直接注入到井底積液的內(nèi)部［12］。這種泡排方式可最大限度地發(fā)揮泡排劑的作用，施工簡單，對儲層無傷害，效果好，目前最大工作深度已達(dá)7 315 m［13］。

2.3 氣藏整體治水技術(shù)進(jìn)一步完善

氣田整體治水是將氣層、水層、氣井作為一個整體，系統(tǒng)開展地質(zhì)精細(xì)描述、氣藏工程分析、數(shù)值模擬、開采工藝技術(shù)等研究，通過跨學(xué)科、多技術(shù)的有機銜接與協(xié)調(diào)合作，以確保氣田開發(fā)過程中邊、底水的均勻推進(jìn)，從而達(dá)到最大限度延長氣藏?zé)o水開采期、提高氣田采收率的綜合治水技術(shù)。近年來，在清楚認(rèn)識氣藏地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，國外整體治水技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展深化，形成了3套整體治水方法，即強排水采氣法、氣水聯(lián)合開采法和阻水開采法［14］。

(1)強排水采氣法。在氣水邊界處大排量排水采氣，使排水量與水侵量平衡，保護(hù)內(nèi)部氣井。目前在國外廣泛用于大排量強排水的工藝為電潛泵和氣舉。

(2)氣水聯(lián)合開采法。氣水聯(lián)合開采適用于氣藏尚未完全水淹或已經(jīng)完全水淹了的氣藏，主要目的是提高氣田的采收率，確保氣田開發(fā)效益。

(3)阻水開采法。該工藝適用于整個氣田開發(fā)階段，其機理是在邊水氣藏的氣水邊界處或底水氣藏的底部含水層直接布置排水井；或在局部水驅(qū)氣藏的水侵高滲透通道上注入堵水劑，建立阻水屏障；其目的是阻止、減緩邊水或底水上升的侵入速度，變水驅(qū)為彈性氣驅(qū)，延長氣田的無水采氣期。

2.4 新開發(fā)了多項排水采氣新技術(shù)

2.4.1 封隔器以下氣舉排水采氣技術(shù)

該技術(shù)的產(chǎn)生背景主要是有封隔器的長射孔段的直井(厚儲層)或者水平井，在氣井積液的時候常規(guī)氣舉或其他排水采氣工藝只能排出封隔器以上的井筒積液，封隔器以下井段長期處在積液的浸泡之中，嚴(yán)重傷害近井筒地帶的滲透性，低滲透砂巖氣田尤甚。針對這種情況，在封隔器附近將環(huán)空注入的高壓氣轉(zhuǎn)到小油管，將高壓氣引入到封隔器以下的射孔段(圖1)，使氣舉從射孔段底部開始，有效清除射孔段積液［15］。

該技術(shù)具有以下特點：有效消除井底積液，減輕或消除長期積液對近井筒儲層的傷害，恢復(fù)氣井生產(chǎn)能力；可用于水平井，將封隔器以下的油管延伸到水平井的最低點，使得氣舉氣能清掃出整個水平段的積液；可將緩蝕劑等釋放到封隔器以下及整個管柱所有部位。該技術(shù)近年又發(fā)展了多種結(jié)構(gòu)與配套工具，在東德克薩斯的直井、水平井上開展了數(shù)十套的現(xiàn)場應(yīng)用，平均單井日增天然氣產(chǎn)5 000 m3以上，效果良好［16］。

圖1 封隔器以下氣舉排水采氣技術(shù)示意圖Fig. 1 Technical sketch of gas lift for drainage gas recovery below the packer

2.4.2 渦流工具排水采氣技術(shù)

渦流工具排水采氣技術(shù)是在井筒中下入井下渦流工具，當(dāng)氣液兩相流進(jìn)入渦流工具時，由于井下渦流工具內(nèi)實體的作用，使流體流動的截面積減小，從而使流體加速，并沿著螺旋面旋轉(zhuǎn)，加速度使得密度較大的液態(tài)流體甩向管壁，流體沿著井下渦流工具的螺旋形空腔向上做螺旋運動，合適的螺旋角可以傳播和維持非常長的距離，這種螺旋向上的流型具有更高的流動效率，從而可大幅提高氣井的攜液能力［17］。

渦流工具能提高氣井的攜液能力的主要原因：將井筒中雜亂無章無規(guī)則的氣液兩相紊流轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的螺旋流型兩相層流流動，大幅減少了流體內(nèi)部的能量損失，可降低最小臨界攜液流量15%～30%；可減少油管沿程壓力損失，經(jīng)實驗研究，加裝渦流工具后管柱沿程壓力損失可降低17%～25%。

渦流排水采氣技術(shù)在美國、加拿大、澳大利亞等國的上千口氣井上成功應(yīng)用，BP、Marathon、Cabot等油氣公司都參與了試驗與推廣，應(yīng)用的氣井類型從煤層氣到致密氣井、高含水到低含水井、直井到斜井等，平均增產(chǎn)天然氣1.65%～48%，取得了良好的效果。

2.4.3 井下氣液分離回注采氣技術(shù)

井下氣液分離采氣技術(shù)是一種特殊的排水采氣技術(shù)，其原理是在高含水井的井下采用氣水分離裝置將地層產(chǎn)出的氣、水進(jìn)行分離，分離后的天然氣繼續(xù)產(chǎn)出到地面，而分離后的水在井下直接回注到含水層或廢棄儲層［18］。該技術(shù)的核心是井下氣液分離系統(tǒng)和井下回注系統(tǒng)。井下氣液分離系統(tǒng)種類繁多，按照其作用原理可分為重力分離式氣液分離器、旋流式氣液分離器和螺旋式氣液分離器，目前主要采用旋流式分離器或螺旋式分離器。而井下回注系統(tǒng)則需要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析，如按回注動力可分為重力注入和強行注入；按產(chǎn)層與回注層位置又分為產(chǎn)層下部注入系統(tǒng)與產(chǎn)層上部注入系統(tǒng)；按增壓泵形式分為桿式泵、改進(jìn)柱塞桿式泵、電潛泵、螺桿泵等，各種泵的作業(yè)原理及其適應(yīng)范圍如表3所示。

表3 各回注增壓泵作用原理及適應(yīng)范圍Table 3 Working principle and applicable range of reinjection booster pump

井下氣液分離采氣技術(shù)直接在井下將氣水分離并將水回注，技術(shù)優(yōu)勢明顯：工藝較簡單，安裝方便，操作簡單維修較容易；使用方便、靈活，可以單臺使用，也可并聯(lián)/串聯(lián)使用；分離過程全封閉，減少了環(huán)境污染。該技術(shù)在實施過程中對井況、儲層等的要求也較高，針對具體氣田需要結(jié)合自身的實際情況進(jìn)行綜合評價后再決定是否適用。

2.4.4 國外其他排水采氣新技術(shù)

國外近幾年也同時也探索了一些其他的排水采氣方式，有的處于理論研發(fā)階段，有的開展了小規(guī)模的現(xiàn)場試驗［19］。

(1)聚合物控水采氣技術(shù)。不同于常規(guī)排水采氣采用 “疏水”的方法協(xié)助天然氣流將產(chǎn)出地層水共同攜帶到地面，它主要是通過向井筒周圍的地層中注入聚合物，以減小井筒周圍地層中的水相滲透率，采用 “阻水”的方法控制地層水流入井筒。目前國外主要采用HPAM共聚物和PAM聚合物、三元聚合物開展聚合物控水采氣。近年來又提出了功能納米流體控水體系，并開展了研究與試驗，礦場使用后半年內(nèi)產(chǎn)氣量增加了2倍，累計增產(chǎn)天然氣280 萬 m3，應(yīng)用前景廣闊［20-21］。

(2)超聲霧化排水采氣。在井底利用超聲波霧化裝置將產(chǎn)出的地層液擊碎成霧狀，通過增加聲波頻率大幅減小液滴的直徑，從而減少滑脫損失，提高氣井的攜液能力。其設(shè)備主要由霧化裝置、分離裝置、密封裝置和卡定裝置等組成。

(3)微波加熱排水采氣技術(shù)。在井中通過微波加熱積液汽化，使井內(nèi)流體密度變小后隨天然氣采出。微波可在井下或者在地面產(chǎn)生，如果微波在地面產(chǎn)生，需要波導(dǎo)管傳遞到井下，波導(dǎo)管類似于光纖，微波在波導(dǎo)管內(nèi)全反射傳送。

(4)自往復(fù)水力泵排水采氣。將自往復(fù)水力泵安裝在井下同心管柱內(nèi)，通過注入高壓流體提供動力，動力活塞的往復(fù)運動帶動抽油泵將地層液和動力液從同心管柱內(nèi)舉升到地面，降低積液對地層的回壓，天然氣從油套環(huán)空采出。

3 國內(nèi)排水采氣研究現(xiàn)狀

國內(nèi)排水采氣發(fā)展從1978年開始，經(jīng)過40年的不斷探索、實踐、發(fā)展、完善，目前已形成了優(yōu)選管柱、泡沫排水、氣舉等8項排水采氣技術(shù)系列，有效解決了氣井出水導(dǎo)致產(chǎn)量急劇遞減的技術(shù)問題。在已形成的排水采氣技術(shù)中，泡沫排水采氣、氣舉、速度管柱、柱塞這4種工藝在每年的工藝實施總井?dāng)?shù)和增產(chǎn)占比分別達(dá)到了98.08%、95.92%(圖2)。

圖2 國內(nèi)主產(chǎn)氣盆地不同排水采氣工藝年實施井?dāng)?shù)及增產(chǎn)占比Fig. 2 Yearly number and incremental production percentage of the wells implemented with different drainage gas recovery technologies in domestic main gas producing basins

3.1 泡沫排水采氣技術(shù)

泡沫排水采氣是從井口油套環(huán)空處往井底注入泡排劑，泡排劑與井下積液混合，通過氣流攪拌起泡，隨氣流流出到地面的技術(shù)；具有設(shè)備簡單、見效快、不影響日常生產(chǎn)等優(yōu)點，是我國氣田長期應(yīng)用最廣泛，也是增產(chǎn)天然氣最多的排水采氣工藝。泡沫排水采氣主要包含泡排劑與加注工藝2個方面。

(1)建立了泡排劑高溫高壓實驗評價方法。常規(guī)泡排劑評價設(shè)備不能加載壓力，實驗溫度最高只能達(dá)到90 ℃，評價結(jié)果不能體現(xiàn)泡排劑在實際井筒條件下的真實性能。曹光強等人在Ross-Miles方法的基礎(chǔ)上，引入耐高溫、高壓模擬井筒，建立了泡排劑高溫高壓評價設(shè)備及方法，評價溫度和壓力分別可達(dá)到200 ℃、25 MPa，為新型高效泡排劑的研發(fā)及泡排劑質(zhì)檢提供了一套可靠的測試手段［22］。

(2)研發(fā)了適應(yīng)深層氣田的納米粒子泡排劑。我國深層氣田普遍具有高溫，高礦化度，富含酸性氣體、凝析油的特點，國內(nèi)目前泡排劑普遍適應(yīng)性較差。面對這一問題，武俊文等人通過在研制的液相泡排劑中加入改性納米二氧化硅球作為固態(tài)穩(wěn)泡劑，大幅提高了泡排劑的性能，抗溫可達(dá) 150 ℃，抗礦化度250 g/L，抗 H2S 濃度可達(dá) 0.04%，抗凝析油含量30%，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好［23］。

(3)形成了自動化加注工藝。在泡沫排水采氣過程中，加注工藝也是影響排水采氣效果的一個重要因素。國內(nèi)近年來逐漸形成了一套系統(tǒng)的自動化加注工藝(圖3)。該加注工藝可以自行配藥，并自動按照設(shè)計的用量長期、連續(xù)的進(jìn)行泡排劑加注，使泡排車的短時間“點狀加注”變?yōu)椤熬€狀加注”，可連續(xù)及時地將井底積液排出，充分發(fā)揮了藥劑的性能與氣井的產(chǎn)能。通過礦場應(yīng)用統(tǒng)計，自動化加注較泡排車施工有效率可提高9.17%，單井年產(chǎn)氣增加31.69%，藥劑用量降低5.8%。

圖3 泡排劑自動加注工藝流程示意圖Fig. 3 Schematic technological process of automatic injection of foam drainage agent

3.2 柱塞排水采氣技術(shù)

柱塞排水采氣技術(shù)是利用柱塞做氣液物理界面，大幅減少井筒內(nèi)的滑脫損失，利用氣井自身能量推動柱塞將井筒中的液體舉升到地面的一種排水采氣方式；具有工藝簡單、設(shè)備自動化程度高、成本低等特點，特別適用于低產(chǎn)小水量氣井的排水采氣。近年來，隨著我國部分氣田進(jìn)入開發(fā)中后期，低產(chǎn)氣井迅速增加，柱塞排水采氣的使用量及增產(chǎn)氣量也隨之上升(圖4)，年平均增速達(dá)到了50%以上。

圖4 柱塞排水采氣工藝近年實施井?dāng)?shù)與增產(chǎn)量變化Fig. 4 Number and incremental production of the wells implemented with plunger drainage gas recovery technology in recent years

柱塞排水采氣技術(shù)最初從國外引進(jìn)，國內(nèi)通過這些年持續(xù)不斷的攻關(guān)與完善，基本實現(xiàn)了設(shè)備國產(chǎn)化、工具系列化與控制系統(tǒng)的自動化，成本大幅降低，應(yīng)用前景廣闊。近年來的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在硬件設(shè)備與軟件2個方面的進(jìn)步。

(1)開發(fā)出了一體化控制系統(tǒng)和系列化的柱塞工具。柱塞排水采氣的硬件系統(tǒng)主要由柱塞工具和控制系統(tǒng)2大部分組成。在柱塞工具方面已經(jīng)形成了組合、刷式、非金屬、自緩沖等系列化的柱塞工具；控制系統(tǒng)方面開發(fā)了風(fēng)光互補動力供給的一體化控制裝置，可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與調(diào)參［24］。通過設(shè)備的國產(chǎn)化，單套柱塞排水采氣設(shè)備的成本較初期降低了66.7%，為大規(guī)模推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

(2)開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制及優(yōu)化管理軟件平臺。在柱塞排水采氣的軟件系統(tǒng)建設(shè)方面，近年主要構(gòu)建了一套遠(yuǎn)程控制管理軟件平臺，可遠(yuǎn)程在線對柱塞進(jìn)行監(jiān)測管理及優(yōu)化調(diào)整，及時地對現(xiàn)場氣井進(jìn)行工藝制度調(diào)整，大幅提高了柱塞排水采氣的效率與效益。

3.3 速度管柱排水采氣技術(shù)

速度管柱排水采氣是將小管徑的連續(xù)油管作為生產(chǎn)管柱，增大氣體流速，提高氣井?dāng)y液能力的工藝技術(shù)；具有不壓井作業(yè)、施工周期短、不污染產(chǎn)層、后期無需維護(hù)等特點；近年在主要產(chǎn)氣氣田中的應(yīng)用比例也呈逐漸增加的趨勢，年增天然氣近6億 m3。

速度管柱排水采氣近年的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在：通過持續(xù)攻關(guān)，實現(xiàn)了連續(xù)油管及配套工具設(shè)備的100%國產(chǎn)化，成本大幅降低，性能也大度提升，基本可以滿足國內(nèi)各個氣田的速度管柱排水采氣需求［25-26］；建立了集“地質(zhì)、試氣、動態(tài)、工藝”一體化的選井標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計流程(圖5)，大幅提升了速度管柱的應(yīng)用效果。

3.4 氣舉排水采氣技術(shù)

圖5 速度管柱選井與優(yōu)化設(shè)計流程示意圖Fig. 5 Flow chart of well selection and design optimization for velocity string

氣舉排水采氣是將高壓氣體注入井內(nèi)，借助氣舉閥實現(xiàn)注入氣與地層產(chǎn)出流體混合，降低注氣點以上的流動壓力梯度，減少舉升過程中的滑脫損失，排出井底積液，恢復(fù)或提高氣井生產(chǎn)能力的一種人工舉升工藝；具有產(chǎn)液量適應(yīng)范圍廣、操作簡單，適用于斜井、定向井、液體中有腐蝕介質(zhì)井等特點。近年的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在針對高壓、高含硫氣井氣舉閥等系列配套工具開發(fā)以及氣舉工藝方式的探索拓展2個方面。

(1)研發(fā)了高壓、高含硫氣井氣舉閥等系列配套工具。針對深層高溫高壓與富含硫化氫氣田面臨的排水采氣問題，研發(fā)了高充氮壓力氣舉閥、同心氣舉工作筒、抗硫氣舉工具等［27］。其中，高充氮壓力氣舉閥充氮壓力可達(dá)到25 MPa、抗外壓達(dá)到90 MPa；同心氣舉工作筒工作壓力和溫度分別可達(dá)到70 MPa，150 ℃；抗硫氣舉工具方面通過選用耐蝕合金材料與在閥波紋管與閥外殼間填充保護(hù)液的方式提高氣舉工具的耐腐蝕能力。

(2)探索形成了多項變型氣舉工藝方式。結(jié)合不同類型氣井特點，充分發(fā)揮氣舉方式的靈活性，各個油氣田探索演化發(fā)展了多項變型氣舉工藝(表4)，有效保障了出水氣井的復(fù)產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。

4 排水采氣面臨的挑戰(zhàn)及攻關(guān)方向

4.1 面臨的挑戰(zhàn)

(1)低產(chǎn)低壓井況下高效排采難。隨著開發(fā)時間的增加，我國一大批開發(fā)較早的氣田逐漸進(jìn)入開發(fā)中后期，地層壓力逐漸下降、產(chǎn)量迅速降低，主體排水采氣工藝效果逐年下降。我國目前低產(chǎn)低壓氣井所占比例近30%，且每年還以3%～5%的速度不斷增加。然而隨著產(chǎn)量、壓力的逐漸下降，作為主體排水采氣工藝的泡沫排水采氣效果逐年變差(圖6)，作業(yè)無效井次的比例也逐年攀升，低產(chǎn)低壓條件下高效經(jīng)濟的排水采氣接替工藝需求迫切。

(2)出水日益嚴(yán)重的深層/邊底水氣藏排采適應(yīng)性差。在我國近年新發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的氣藏中，大部分都屬于深層/邊底水氣藏，儲層條件、地層流體、井筒環(huán)境復(fù)雜多樣，隨著開發(fā)程度的加深，出水問題逐漸顯現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降，穩(wěn)產(chǎn)形勢嚴(yán)峻(圖7)。然而，深層邊底水氣藏一般具有井深、溫度高、地層流體類型及管柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，現(xiàn)有排采工藝適應(yīng)性差，致使大量出水井一旦水淹停產(chǎn)就再也無法復(fù)產(chǎn)。

表4 變型氣舉工藝原理及適應(yīng)范圍Table 4 Technological principle and applicable range of modified gas lift

圖6 國內(nèi)主要產(chǎn)氣盆地泡沫排水采氣近年措施效果Fig. 6 Implementation effect of foam drainage gas recovery in domestic main gas producing basins in recent years

圖7 國內(nèi)某底水氣田產(chǎn)能影響因素及程度Fig. 7 Factor influencing the productivity of one certain domestic bottom-water gasfield and its influence degree column

(3)系統(tǒng)有效的水平井排水采氣技術(shù)體系尚未形成。截至2018年底，國內(nèi)主要產(chǎn)氣盆地投產(chǎn)水平井近2 000口，年產(chǎn)天然氣超過160億 m3，有效保障了我國天然氣的穩(wěn)產(chǎn)和大發(fā)展。然而，目前水平氣井中出水井比例超過了40%，產(chǎn)水后產(chǎn)氣量大幅下降(圖8)，部分井甚至水淹停產(chǎn)，形勢十分嚴(yán)峻。水平井與直井相比具有自身的特殊性，造成目前尚未形成系統(tǒng)有效的水平井排水采氣技術(shù)，主要原因有：水平井井身結(jié)構(gòu)特殊，部分排采工藝受限，如電潛泵等；水平井一旦出水，產(chǎn)量急劇下降，帶液困難，可反應(yīng)時間短，常規(guī)排水采氣效果較差；大部分水平井油套環(huán)空下有封隔器，油套不連通，部分工藝受限，如泡排、氣舉、柱塞等。

圖8 國內(nèi)某氣田水平井見水前后天然氣產(chǎn)量變化Fig. 8 Variation of natural gas production of the horizontal well in one certain domestic gasfield before and after water breakthrough

4.2 攻關(guān)方向

根據(jù)排水采氣的技術(shù)現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，下一步攻關(guān)方向與發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下6個方面。

(1)已形成技術(shù)的完善與升級。目前已形成的技術(shù)在現(xiàn)場具有廣泛的應(yīng)用，礦場設(shè)備比較配套，是后期排水采氣技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。但已形成的排水采氣技術(shù)因為氣田開發(fā)時間和認(rèn)識深度的變化，適應(yīng)性逐漸變差，需要進(jìn)一步深入研究，完善升級。

(2)加強排水采氣與氣藏工程相結(jié)合，全面深化氣田整體治水研究。排水采氣技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，單井、單一工藝的作用有限，需要深入結(jié)合氣藏工程，從氣藏層面開展整體治水研究，從而最大限度地降低水侵強度，經(jīng)濟有效的保持整個氣田穩(wěn)產(chǎn)與提高最終采收率。

(3)大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能化技術(shù)研究與應(yīng)用。排水采氣技術(shù)在我國已經(jīng)發(fā)展應(yīng)用了40多年，積累了大量的數(shù)據(jù)和歷史經(jīng)驗，應(yīng)該結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)充分利用，在氣井工況診斷、排水采氣工藝選擇與設(shè)計、過程的智能化控制、效果評價等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。

(4)低產(chǎn)低壓氣田經(jīng)濟有效排水采氣接替工藝、新技術(shù)攻關(guān)。低產(chǎn)低壓氣井逐漸增多，特別是日產(chǎn)氣小于3 000 m3的氣井大幅增加，現(xiàn)有排水采氣工藝的適應(yīng)性及經(jīng)濟性面臨巨大挑戰(zhàn)，需要開展低產(chǎn)低壓氣田經(jīng)濟有效排水采氣接替工藝、新技術(shù)攻關(guān)，避免氣井提前報廢，嚴(yán)重影響氣田開發(fā)效益與采收率。

(5)深層/邊底水氣田排水采氣技術(shù)。深層邊底水氣田地層、流體、井筒結(jié)構(gòu)等都很復(fù)雜，易暴性水淹且難復(fù)產(chǎn)，排水采氣技術(shù)需求迫切，但目前排水采氣工藝適應(yīng)性差，無法滿足現(xiàn)場需求。

(6)水平井排水采氣技術(shù)。水平井產(chǎn)量高，效果好，隨著下一步頁巖氣的大開發(fā)，水平井的井?dāng)?shù)會進(jìn)一步攀升，因其井身結(jié)構(gòu)特殊，目前常規(guī)排水采氣方法效果較差，需進(jìn)一步開展攻關(guān)研究，滿足解決日益嚴(yán)重的水平井出水問題。

5 結(jié)論及建議

(1)氣田開發(fā)過程中出水具有普遍性，并且出水后會大幅降低氣井產(chǎn)量和氣田采收率。國內(nèi)外數(shù)十年的現(xiàn)場實踐證明，排水采氣技術(shù)是解決氣田出水問題的主體工藝，是產(chǎn)水氣田開發(fā)過程中提高開發(fā)效率與效益需要持續(xù)攻關(guān)和發(fā)展的工藝技術(shù)。

(2)國外排水采氣技術(shù)近年來的主要進(jìn)展體現(xiàn)在成熟工藝的配套完善、連續(xù)油管在排水采氣領(lǐng)域的大幅拓展應(yīng)用、氣藏整體治水技術(shù)深化以及新型排水采氣工藝開發(fā)4個方面；國內(nèi)進(jìn)展主要體現(xiàn)在泡沫排水采氣、氣舉、速度管柱以及柱塞4種主體排水采氣技術(shù)的配套完善與規(guī)模推廣應(yīng)用。

(3)我國排水采氣目前面臨較早開發(fā)的氣田逐漸進(jìn)入開發(fā)中后期，目前排水采氣工藝經(jīng)濟性逐漸變差，接替工藝不明確；新發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的氣田復(fù)雜多樣，特別是深層邊底水氣田大量暴性水淹，常規(guī)排采工藝不適應(yīng)；大量大斜度井、水平井的使用并出水，水平井排水采氣工藝不系統(tǒng)等問題。

(4)已形成技術(shù)的完善與升級，深化氣藏整體治水技術(shù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)/智能化技術(shù)研究與應(yīng)用，低產(chǎn)低壓氣田經(jīng)濟有效排水采氣、深層/邊底水氣田排水采氣、水平井排水采氣等是下一步排水采氣技術(shù)發(fā)展的趨勢與重點攻關(guān)方向。