氣井積液預(yù)警新方法應(yīng)用技術(shù)研究

常 森, 馬 旭， 李和清, 張一果, 張紫陽, 梁永恒

(1中國石油長慶油田分公司第五采氣廠 2中國石油渤海鉆探工程公司定向井分公司)

隨著蘇里格氣田東區(qū)開發(fā)逐漸深入，積液井比例逐年升高；輕則影響產(chǎn)量、重則導(dǎo)致氣井水淹停產(chǎn)[1-5]。目前蘇東地區(qū)主要依靠生產(chǎn)動態(tài)特征分析法、實測壓力梯度法診斷氣井積液；生產(chǎn)動態(tài)特征分析法以茍三權(quán)提出的簡易方法[6]為基礎(chǔ)，其判識氣井積液有延遲性；實測壓力梯度法精度高但成本也很高，有時因井筒遇阻無法測試且無法預(yù)警氣井積液。氣井積液初期無法預(yù)警，后期排水采氣將投入更多的人力、物力、財力，基于此本文提出一種氣井積液預(yù)警新方法。該方法對于優(yōu)化新井初期配產(chǎn)、確定速度管柱的接替實際具有重要意義。

一、氣井積液預(yù)警新方法

1. 管流模型診斷積液法

1.1 無節(jié)流器井積液診斷方法

當氣井油管生產(chǎn)氣井井底無積液時油管里的氣體處于流動狀態(tài)，可以用單相流模型計算井底壓力；油管不積液時，油套環(huán)空同樣無積液，油套環(huán)空的氣體處于靜止狀態(tài)，此時可按靜氣柱法計算井底流壓。油管與套管之間沒有封隔器封隔時，油、套管底部壓力相等。兩種模型計算得到的井底流壓差值滿足誤差允許范圍時，氣井不積液。

(1)由環(huán)空按照靜氣柱法[7]利用平均溫度和平均偏差系數(shù)法[8]計算井底流壓pws。

(2)由井口按照單相流模型[7-8]計算井底流壓pwf。

(3)Δp=|pws-pwf|<ε，此時氣井不積液，反之，認為氣井開始積液。

ε即為不積液井環(huán)空靜氣柱壓力計算值和井筒單相流模型壓力計算值的平均誤差，經(jīng)365口井現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出ε的取值約為0.5 MPa。對于穩(wěn)定生產(chǎn)的氣井，油管內(nèi)平均流溫度和平均壓力，可以利用算術(shù)平均值求得[8]。

(1)

(2)

(3)

摩阻系數(shù)采用Jain公式計算:

(4)

(5)

式中:pws，pts—氣井井底、井口靜壓，MPa；H—井口到油管鞋深度，m；T—井筒平均溫度，K；S—指數(shù)；pwf，ptf—氣井井底流壓、井口流壓，MPa；qsc—產(chǎn)氣量，104m3/d；γg—氣體相對密度；d—油管內(nèi)徑，m；Z—氣體平均偏差因子。

1.2 節(jié)流器井積液診斷方法

1.2.1 氣井積液判斷方法

當氣井開始積液時，氣、水兩相流動氣柱對井底的壓力與單相氣柱流動對井底壓力的差值可以視為全由氣井產(chǎn)液引起。根據(jù)壓力差值就可以判斷氣井是否積液。

(1)由井口按照單相流模型計算節(jié)流器出口流壓pwf1。

(2)由兩相管流模型計算節(jié)流器出口流壓pwf2。

(3)Δp1=|pwf1-pwf2|<ε1，此時氣井不積液，反之，認為氣井開始積液。

ε1即為油管單相流模型壓力計算值同兩相流模型壓力計算值的平均誤差及地層壓力下降的影響；經(jīng)98口井現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出最終ε1的取值為2 MPa。

1.2.2 井筒兩相管流模型組合法

經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)用結(jié)果表明：有的管流模型預(yù)測結(jié)果偏大，有的管流模型預(yù)測結(jié)果偏低，為解決這一問題，可考慮模型的算數(shù)平均和權(quán)重組合模型法[7]結(jié)合運用。組合模型以單井無積液、穩(wěn)定生產(chǎn)階段為基礎(chǔ)，對落在實測數(shù)據(jù)兩側(cè)的理論模型進行加權(quán)求和。

pzh=pAf+pB(1-f)

(6)

式中:pzh—組合模型壓力，MPa；pA、pB—實測數(shù)據(jù)兩側(cè)的理論管流模型計算壓力，MPa；f—權(quán)重值。

1.2.3 組合模型獲取實例

以SD25井為例介紹組合模型的獲取。該井油管下深3 098 m，油管內(nèi)徑62 mm；天然氣相對密度為0.62，2016年11月生產(chǎn)穩(wěn)定；以此段為基礎(chǔ)選擇理論壓力計算模型。井口實測數(shù)據(jù)：產(chǎn)水量0.037 m3/d，產(chǎn)氣量0.624×104m3/d；井口壓力1.33 MPa。

圖1 SD25井組合模型壓力計算圖

由圖1可知，實際測試結(jié)果比較均勻的分布于BB與DR模型計算結(jié)果之間，將兩種模型計算結(jié)果按照式(6)進行加權(quán)組合發(fā)現(xiàn)，當f=0.31時，組合模型預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合程度高，因此可以把該模型做為SD25井后期跟蹤的壓力計算模型。

2. 動能因子診斷積液法

2.1 氣井積液判斷方法

動能因子反映了氣水兩相在油管內(nèi)的流動特征，反映了氣井的能量即生產(chǎn)氣井的攜液能力[12-13]。研究表明[13],動能沿油管自下而上遞增，只要在管鞋處形成環(huán)狀流就可以穩(wěn)定帶水而與井深無關(guān)，即要保證進入油管內(nèi)的水呈霧流或環(huán)狀流態(tài)即可帶液。因此，確定環(huán)狀流狀態(tài)下的動能因子值是判定井下氣水兩相流態(tài)、判識氣井積液的關(guān)鍵。

動能因子公式表達式為:

(7)

管中穩(wěn)定流動氣體的速度為:

(8)

管中氣體流量與地面標況下的氣體流量換算關(guān)系為:

qg=qscBg

(9)

管內(nèi)氣體的體積系數(shù)為:

(10)

將式(10)代入式(9)得:

(11)

利用真空氣體狀態(tài)方程，管中流動氣體的密度表示為:

(12)

將式(11)、式(12)、式(8)代入式(7)，且取R=0.008 314 MPa·m3·(kmol·K)-1、psc=0.101 MPa、Tsc=293 K時，可得:

(13)

式中：F—動能因子；vs—氣體在油管鞋處的流速，m/s；ρs—氣體折算到油管鞋處的密度，kg/m3；qsc—產(chǎn)氣量，m3/d；T—油管鞋處的溫度，K；p—油管鞋處的流動壓力，MPa；Z—p狀態(tài)下氣體平均偏差因子。

2.2 動能因子臨界值確定

根據(jù)氣井測壓數(shù)據(jù)首先計算49口無節(jié)流器氣井動能因子，再對比分析各井產(chǎn)能穩(wěn)定性、流壓梯度等內(nèi)容，采用逐步逼近法初步確定環(huán)狀流動能因子的下限值。

二、應(yīng)用技術(shù)研究

1. 預(yù)警氣井初期積液

共選取8口井分別采用兩種方法對氣井是否積液開展實例驗證(表1)。8口井利用單相模型與靜氣柱法預(yù)測井底流壓差值、管流模型與單相流模型預(yù)測井底流壓差值均遠大于誤差允許范圍的最大值，且動能因子均小于臨界值3.5，診斷氣井積液，與實際情況吻合。

表1 氣井積液預(yù)測情況

2. 優(yōu)化新井初期配產(chǎn)

由動能因子式(13)可知，當油管內(nèi)徑(62 mm)保持不變時，天然氣的相對密度(0.6)、偏差因子(0.8)、井筒溫度等參數(shù)基本保持不變，決定氣相動能因子的關(guān)鍵因素是產(chǎn)氣量且成正相關(guān)關(guān)系。但是，氣井管理并不能無限制放大壓差生產(chǎn)，既要考慮氣井自主攜液還要考慮防止地層出砂、氣井穩(wěn)產(chǎn)等方面。最優(yōu)的工作制度是在氣井壓力、產(chǎn)量可調(diào)整時始終控制動能因子大于臨界動能因子值。本文給出了新井配產(chǎn)與節(jié)流器上方流壓關(guān)系圖版，見圖2。

圖2 配產(chǎn)與井底流壓關(guān)系圖版

3. 確定速度管柱接替時機

由動能因子式(13)可知，當綜合考慮各種因素產(chǎn)量無法調(diào)整時，可根據(jù)公式設(shè)定合適的動能因子值，選擇小管徑油管。本文給出了連續(xù)油管內(nèi)徑為25.44 mm時，不同動能因子下配產(chǎn)與井底流壓關(guān)系圖版(圖2)。

4. 實例介紹

SD33井日產(chǎn)氣在1.2×104m3以上，動能因子一直大于3.5以上穩(wěn)定生產(chǎn)。2011年6月開始積液，連續(xù)采取間歇、泡排等排水采氣措施，效果較好，但并不能將積液排除干凈。直到2014年8月12日，日產(chǎn)氣僅有894 m3，動能因子只有1.6；采取拔除節(jié)流器復(fù)產(chǎn)。考慮生產(chǎn)年限以及產(chǎn)量調(diào)節(jié)的可實現(xiàn)性，該井2014年9月投放連續(xù)油管生產(chǎn)(內(nèi)徑25.44 mm)，并于9月29日開井生產(chǎn)，開井動能因子高達30，平均日產(chǎn)氣1.5×104m3。2015年12月該井積液嚴重，動能因子低于2，關(guān)井恢復(fù)3個月，2016年4月開井生產(chǎn)，產(chǎn)能恢復(fù)效果顯著。目前該井配合間歇措施，生產(chǎn)穩(wěn)定日均產(chǎn)量0.7×104m3(見圖3)。

圖3 SD33井動能因子隨時間變化

三、結(jié)論與認識

(1)應(yīng)用經(jīng)典模型的同時，考慮模型預(yù)測過大或者過小，考慮應(yīng)用組合模型，并詳細介紹了組合模型的獲取方法。管流模型法診斷氣井積液結(jié)果可以與動能因子法相互驗證，提高積液判識準確性。

(2)動能因子可以作為優(yōu)化氣井合理生產(chǎn)制度、新井投產(chǎn)初期氣嘴尺寸選擇、確定連續(xù)油管接替時機的參考指標之一。產(chǎn)量可調(diào)時，控制動能因子大于臨界動能因子值；產(chǎn)量無法調(diào)整時，根據(jù)公式設(shè)定合適的動能因子值，選擇小管徑油管(連續(xù)油管)。本文給出了兩種情況下不同動能因子值時配產(chǎn)與流壓關(guān)系圖版。