水平井排水采氣工藝模擬試驗系統開發與應用

(中石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西 西安 710000) (中國石油工程技術研究院有限公司海外所，北京 102206) (中石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司，河南 南陽 473132)

長慶氣田為低壓低產氣藏，部分先期開發氣井已進入生產中后期，特別是水平井，已出現攜液能力差、井筒積液不斷增多等現象[1,2]。隨著低產低效井逐年增多，嚴重影響了氣井正常生產及最終采收率。排水采氣措施能有效排出井筒積液，提高氣井產量，是長慶氣田開發后期必備的配套生產措施[3]。目前長慶氣田開展的各項排水采氣工藝措施，由于缺乏必要的中試平臺而無法有效驗證及優化[4]。西南油氣田采氣研究院擁有一套采氣工藝模擬試驗系統，其試驗井為直井，井深940m，設計壓力35MPa；儲氣井為直井，井深181m，壓力25MPa，配套的相關設備及系統參數隨著水平井開發及排水采氣新技術的發展，已無法滿足需求[5]。開展排水采氣試驗系統研制，進行多相流流體試驗研究、排水采氣工藝機理及試驗研究，已成為實現排水采氣工藝技術和裝備創新發展的必要手段，這對科研成果的及時轉化和新技術的推廣應用有著十分重要的意義。排水采氣試驗系統作為一個復雜的系統工程，牽涉的學科多，技術難度大，為確保整個試驗系統能充分發揮其功用，創新地建立了一套自動化測控及解釋系統[6,7]。

1 設計原理

水平井排水采氣工藝模擬試驗系統主要由大斜度工藝試驗井(1720m)、儲氣直井(1060m)、氣液混合精確控制注入系統、返出流體分離計量循環系統、井下多點直讀監測系統、井筒流體解釋系統等部分組成。工藝試驗系統實現了全程數字化監控，具備試驗過程監測、回放、預警功能。該系統流程圖如圖1所示，通過空氣壓縮機將空氣壓縮后，經高壓管線儲入儲氣井，為氣液混合橇持續供氣，同時柱塞泵經過高壓管道、流量計等將試驗液體泵入氣液混合橇；氣液兩相按設計比例在氣液混合橇中充分混合，從油套環空進入工藝試驗井后并沿油管返回井口，流體經節流管匯入到達氣液兩相分離器分離；分離后的液體經計量橇返回儲液罐，再經過濾器處理后循環利用，分離后的氣體經計量橇后，通過消聲裝置放空排放。工藝試驗井利用測試短節實時監測油管內外溫度、壓力，地面配套設備通過智能變送器、壓力變送器、差壓變送器、流量計、液位計等現場儀表與監測控制系統連接，實現試驗數據控制、數據采集，利用解釋軟件實時處理數據與分析。

圖1 工藝試驗系統流程圖

2 硬件開發

2.1 試驗井系統

試驗井系統主要由工藝試驗井及大容量儲氣井組成。工藝試驗井為大斜度井，井筒承壓70MPa，井深1720m，直井段1200m，斜井段520m，斜度80°，斜井段平緩，雙套管懸掛井筒，外層采用?7in TPCQ 套管固井完井，內部可懸掛?3～?5in標準套管，配套70MPa油套管頭及KQ65-70采氣樹，共計2套環空和6路流體流入、流出管路，可根據試驗要求進行切換。大容量儲氣井設計為直井，?9in井筒，井筒工作壓力70MPa，井深1060m，采用?9in TPCQ套管鋼級完井，?2in油管作為完井管柱，采用下沉式KQ65-70井口，可滿足常壓下10×104m3/d的氣體供給能力。

2.2 地面混合-分離-計量系統

1)氣液混合供給系統 流體混合供給系統包括電控箱、蓄能器總成、電動泵總成、高壓管匯系統總成、橇架總成(見圖2)。該系統能有效模擬氣井儲層壓力、流體組成、流量，將高壓氣液兩相按照設計要求的比例進行精確控制調配混合，均勻注入試驗井中。采用電液結合的控制方式，液壓系統可滿足高壓施工中的穩定控制動力，具備本地與遠程的控制功能；蓄能器滿足了系統緊急情況下的控制功能，系統工作壓力70MPa，工作液量0～720m3/d，氣量1000～100000m3/d。

圖2 氣液混合供給系統

2)分離計量控制系統 為實現試驗過程返出氣體及液體循環利用，設計開發了氣液兩相分離器和返排處理消聲裝置。氣液兩相分離器設計氣體處理量30×104m3/d，液體處理量1000m3/d，測量精度1%。

2.3 井下多點直讀監測系統

井下多點直讀監測系統(見圖3)是在試驗井內不同的深度安裝多個全通徑測量短節，實時測量井內的壓力、溫度參數，通過傳輸介質上傳給地面系統，由地面系統完成數據的采集處理。測量短節主要由雙壓力溫度測量組件、托筒及傳輸電纜組成(見圖4)，采用模塊化設計，通過TEC電纜連接到雙壓力溫度測量組件上，建立電纜高速遙傳工作模式。

圖3 井下多點直讀監測系統 圖4 入井測量短節

3 軟件開發

圖5 數據解釋原理

試驗井包含大環空、小環

空與油管3個通道。試驗過程中，可以任選其中1個通道作為注氣注水通道，其他2通道可任選1個作為排出通道，可形成6種通道組合進行試驗，即3個注入通道與2個排出通道的組合。

井筒流體解釋系統軟件動態鏈接庫由輸入模塊、計算模塊和輸出模塊組成。通過在輸出模塊輸入測量數據，選擇適當的攜液模型，利用計算模塊完成數據計算與參數反演(見圖5)，在輸出模塊進行流體實時數據記錄顯示。

4 應用

針對積液嚴重的停產井開展復產模擬試驗，試驗工藝流程如圖6所示。試驗前氣井為水淹停產井或者嚴重水淹低產井，氣井油管和油套環空存在明顯氣液界面，通過氣舉措施，利用壓縮空氣將井筒內積液排出。采出井?5in套管和?2in油管與大氣連通，通過柱塞泵向?7in套管注入純水，利用井筒監測系統觀察?5in套管和?2in油管內的液面高度，設置不同的試驗初始井筒積液高度。液面準備就緒后，關閉?5in套管和?2in油管閥門，從?7in套管注氣，設置不同的初始地層壓力，觀察井筒內壓力和液面的變化情況以及井口壓力的變化情況。為與氣井真實舉升情況接近，在設定好地層壓力后，緩慢打開?2in油管閥門，逐級降低井口油壓，觀察井筒液面變化情況，在降低油壓期間為保證地層壓力穩定，持續向?7in套管注入壓力，當井口油壓、套壓和地層壓力穩定時，開始進行氣舉復產試驗，分別監測套管和油管的壓力、液面變化，待液面完全排出為止。通過試驗逐級增加井筒內的液面深度和地層壓力，驗證在不同地層壓力和不同積液高度下，氣舉復產的難易程度。

圖6 氣井積液氣舉復產模擬試驗工藝流程

工藝條件如下：地層持續供氣10000m3/d，井筒積液3.5m3。氣舉連續生產，生產曲線如圖7所示，試驗開始油壓6.83MPa、套壓7.5MPa，試驗注入水氣比20.9m3/104m3，試驗停止時油壓4.17MPa、套壓1.92MPa，產氣量1313m3，累計排液量2.4m3。對于氣井在地層能量較低、井底壓力較低情況下，出現嚴重積液時，利用自身能量很難排除，通過采取憋壓氣舉排水措施，瞬間產氣量可達10000m3/d，可以實現迅速排液。

通過逐級增加井筒內的液面深度和地層壓力，可完成在不同地層壓力和不同積液高度下，氣舉復產難易程度的驗證，為氣井生產現場開展水平井氣舉排水工藝作業提供實踐指導。

5 結論

1)完成了水平井排水采氣工藝試驗模擬系統開發。主要包括試驗井系統、井下多點直讀測試系統、地面混合-分離-計量系統、井筒流體解釋系統及視頻監測系統等，該試驗系統整體處于國內領先水平。

2)建立了一套具有控制、管理和監測功能的智能測控及井下多點溫度壓力監測系統。及時掌握運行參數，分析試驗過程中各物理量隨時間變化規律，同步采集，能有效監控整個試驗過程，實現工藝流程控制、歷史數據回溯與分析，有利于開展工藝模擬試驗。

3)通過開展氣舉生產模擬試驗，驗證了該系統的穩定性、設備安全性、參數準確性。該系統的開發將有利于開展排水采氣理論研究及接近工況下的工藝性能評價，為氣井排水采氣工藝模擬及工程試驗提供有效手段，為解決長期困擾水平井生產積液難題提供試驗平臺。