柱塞排水采氣技術在涪陵頁巖氣田的試驗應用

陳曉宇， 朱黨輝, 王大江, 劉喬平, 孫志揚， 姜宇玲， 孔 萍

1中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司 2中國石化江漢油田分公司采氣一廠3中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院 4中國石化江漢油田勘探開發(fā)研究院

0 引言

涪陵頁巖氣田W區(qū)塊的主力產氣層均為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組[1]。隨著氣田的開發(fā)，W區(qū)塊的大部分氣井先后進入了頁巖氣生產的中后期，低壓低產井的數(shù)量越來越多。目前，平均單井產氣量為1.55×104m3/d，產水量10.55 m3/d，在整個氣田中屬于低產能、中—高產水區(qū)塊。經測壓、測液面等分析，導致低產低效的主要問題是氣井能量不足，產量低于臨界攜液流量，氣井積液從而無法正常連續(xù)生產。針對W區(qū)塊各氣井出現(xiàn)的生產動態(tài)情況，氣田分別采用泡排、柱塞等排水采氣工藝，經過前期的現(xiàn)場試驗，均收到了很好效果。本文對柱塞排采在涪陵頁巖氣田W區(qū)塊的試驗情況及工藝做簡要介紹。

1 柱塞排采工藝原理及舉升過程模擬

從形式上說，柱塞排采屬于一種特殊的間歇氣舉。通過柱塞的固體密封界面作用，將舉升氣體和被舉升液體分開，在井筒中自下而上形成“氣體—柱塞—液體”穩(wěn)定的理想段塞流，大大減少了氣體上竄及液體回落，舉升效率大幅提高[2-3]。

柱塞舉升過程按壓力變化可簡單分為2個階段：關井恢復階段及開井生產階段。關井后，柱塞在重力的作用下，自動下落到卡定器處緩沖彈簧上[4]。隨后頁巖氣會在柱塞下方和油套環(huán)空中聚集，井底能量逐漸增加。當套壓達到一定數(shù)值時，打開井口閥門，套管氣和進入井筒的地層氣體向油管膨脹，氣井憑借自身能量推動柱塞及其上方液體離開卡定器，直至柱塞及上方液柱到達井口，從而積液被排出井筒[5]。當出現(xiàn)套壓返高現(xiàn)象、井底再次積液時，及時關閉井口，開始下一個循環(huán)。根據(jù)柱塞舉升特征，將柱塞氣舉排液過程分為5個節(jié)點：節(jié)點A- B為關井階段，柱塞下落，油套壓開始上漲，關井階段達到最大套壓，柱塞上方產生液柱；節(jié)點B- C為開井狀態(tài)，套管壓力下降，柱塞開始舉升；節(jié)點C- D，柱塞舉升至井口，達到最小套壓；節(jié)點D- E為續(xù)流狀態(tài)，井筒開始慢慢積液。具體見圖1。

圖1 涪陵頁巖氣田W區(qū)塊柱塞試驗井組典型排液曲線

2 柱塞排采工藝氣井結構優(yōu)化及設計

與常規(guī)氣井不同，涪陵頁巖氣井的生產井口存在擴徑、生產管柱存在縮徑的特征，上述特征是制約常規(guī)柱塞技術在頁巖氣井應用的主要瓶頸。

2.1 常規(guī)柱塞氣舉在頁巖氣井應用難點

2.1.1 頁巖氣井生產井口存在擴徑

頁巖氣藏的開發(fā)需要進行大規(guī)模壓裂改造，前期壓裂井口裝置主通徑為180 mm，后進入采氣階段，對井口裝置進行改造，主通徑變小，但仍保留了主通徑為180 mm的1號手動平板閥。因柱塞在運行過程中，需保持密封，而?60.325 mm生產管柱內徑僅為50.6 mm、?73.025 mm生產管柱內徑僅為62 mm，常規(guī)柱塞從生產管柱進入到1號閥時，柱塞運動的通道內徑突然變大，將造成柱塞密封失效，柱塞上下壓差消失而無法繼續(xù)上行；此外，常規(guī)柱塞從井口下落至生產管柱時，也存在滯留閥腔的風險。圖2為涪陵頁巖氣井生產井口裝置結構示意圖。

圖2 涪陵頁巖氣井生產井口裝置結構示意圖

2.1.2 頁巖氣井生產管柱存在縮徑

為降低氣井生產所需臨界攜液流量，并保障氣井生產安全。涪陵頁巖氣田氣井在生產階段均帶壓下入了生產管柱。為滿足后期帶壓起出生產管柱時封堵油管的需要，在管柱中部均設有X型工作筒，而X型工作筒的內徑比油管內徑小，?60.325 mmX型工作筒內徑為48 mm、?73.025 mm X型工作筒內徑為58.75 mm。常規(guī)柱塞無法滿足在變內徑通道運行的要求。

2.2 頁巖氣柱塞排采工藝氣井優(yōu)化設計

2.2.1 頁巖氣井柱塞排采井口改造

通過更換原轉換法蘭為內加襯套轉換法蘭，并將原生產井口裝置主通道上的PFF78-70手動平板閥換為原生產井口裝置側翼的PFF65-70手動平板閥,旋轉原生產井口裝置的小四通或者更換特定內徑的小四通，同時在井口裝置上部安裝內通徑與生產油管相同的回形管，從而井口裝置主通道內徑與生產油管內徑近乎一致，有效解決了柱塞技術在頁巖氣井應用存在的井口瓶頸，圖3為涪陵頁巖氣井柱塞井口裝置結構示意圖。

圖3 涪陵頁巖氣井柱塞井口裝置結構示意圖

2.2.2 組合柱塞設計

為順利通過生產管柱的X型工作筒，并充分考慮通過柱塞井口裝置時的密封性和扶正性，創(chuàng)新設計了彈塊式組合柱塞。彈塊式組合柱塞主要由左右兩組彈塊以及中間的連接桿組成，如圖4所示。

圖4 組合柱塞結構示意圖

該彈塊式組合柱塞的優(yōu)點在于：①當柱塞進入井口變徑段的時候，至少有一組彈塊能保證在小通徑內扶正柱塞，使柱塞能順利通過；②當一組彈塊在通過變徑發(fā)生收縮時，可以保證另一組彈塊始終可以正常工作，從而最大程度地降低漏失率。

3 柱塞舉升可行性分析及關鍵參數(shù)

3.1 柱塞氣舉可行性分析

3.1.1 柱塞氣舉工藝要求

據(jù)文獻調研，選井實施柱塞應具有以下條件[6]：①頁巖氣氣井本身要具有一定的產能；②產水量小于30 m3/d；③每1 000 m氣液比大于500；④井深應小于4 500 m，油管完好暢通；⑤井底具有一定深度的積液，無泥漿等污物。

3.1.2 試驗可行性判斷方法

柱塞試驗可行性判斷的兩種方法：

(1)優(yōu)選圖版法。涪陵頁巖氣田W區(qū)塊的柱塞試驗井組中的平均氣液比為1 500，井深均小于4 500 m。在已知井組氣液比和管柱下深，通過柱塞優(yōu)選圖版法[7]可得凈工作壓力為2.5 MPa，結合區(qū)塊3.5 MPa的外輸管網壓力，即可得柱塞運行所需套壓為6.2 MPa，遠小于試驗井組的平均套壓9 MPa，柱塞運行潛力大。

(2)井底流壓的判定。開井時，套管內高壓氣體進入油管推動柱塞及上部液體上升。當套管壓力足夠或剛好將柱塞和液體推至井口位置，即實現(xiàn)舉升。因此確定將柱塞和液體推至井口位置所需要的最小套壓作為舉升成敗的重要參數(shù)，即柱塞及其上部液體剛好到達井口位置時，油套管壓力處于平衡狀態(tài)[8]，可知：

pcmin=ptmin+(pLh+pLf)ω+pp+pf

(1)

式中：pcmin—最小套壓，MPa；ptmin—最小油壓，MPa；pLh—舉升每方液體段塞的靜液柱壓力，MPa/m3；pLf—舉升每方液體段塞的摩阻壓力，MPa/m3；ω—周期排水量，m3；pp—克服柱塞重量所需壓力(一般取0.04 MPa)，MPa；pf—柱塞以上油管長度上的氣體摩阻，MPa。

氣井持續(xù)帶液并將積液高度降低為零，則柱塞排采在地層壓力大于5.4 MPa情況下適用。試驗井組平均套壓9 MPa，平均井底流壓12.6 MPa，應用潛力大，可行。

3.2 柱塞氣舉工藝關鍵參數(shù)

氣井生產氣液比決定了井筒產氣、產水量的相對比例。隨著氣液比的降低，續(xù)流生產時間和柱塞舉升周期都會縮短，導致氣井周期產氣量變低[9]。若繼續(xù)下降到一定值時，續(xù)流生產時間變?yōu)榱悖傧陆祫t柱塞不能正常進行舉升[10]。

氣液比計算公式為：

(2)

式中：R—每1 000 m氣液比,m3/m3；qsc—日產氣量，m3；qw—日產水量，m3；H—井深，km。

柱塞運行初期，現(xiàn)場激活通過載荷因數(shù)(K)判斷，一般情況下，當K>50%時，認定柱塞無法上行進行舉升，當K<50%時，柱塞可以舉升排液。要求根據(jù)現(xiàn)場氣井生產情況及時調整合理的載荷因數(shù)：

(3)

式中：K—載荷因數(shù)；pc—套壓，MPa；pt—油壓，MPa；pp—回壓，MPa。

4 現(xiàn)場試驗效果評價

為了進一步確定可行性，在W區(qū)塊按要求選取了X平臺的3口氣井，生產概況見表1。

表1 柱塞井措施前后三個月生產概況表

通過對比措施前后氣井的生產情況發(fā)現(xiàn)柱塞排水采氣技術能有效減低氣井油套壓差，提高水氣比。

4.1 單井提產排水明顯

以JYX-2HF井為例，該井于5月底進行柱塞改造，改造期間對月產量略有影響。6月初激活運行，6、7月柱塞運行穩(wěn)定，提產排水效果顯著,如圖5所示。

圖5 JYX-2HF井月產氣產水量柱狀圖

4.2 經濟效益明顯

就目前看來，柱塞氣舉排水工藝相對于其他工藝如泡排、射流泵、電潛泵等，展示出了良好的經濟效益。以JYX-5井為例，泡排劑每月成本約為3.25萬元，不計注入設備的購置安裝費，每年泡排藥劑所需資金約39萬元；JYX-5柱塞氣舉基本為一次性投入，單井設備、安裝及作業(yè)維護等共計40萬元。

4.3 制度優(yōu)化效果明顯易管理

柱塞氣井激活初期，為排除井筒及近井地帶的積液，依據(jù)載荷因數(shù)和現(xiàn)場壓力變化，柱塞次數(shù)可能增多。激活成功后，采集數(shù)據(jù)逐漸增多，經過編制的智能控制軟件分析優(yōu)化，制度不斷優(yōu)化，最終達到穩(wěn)定生產狀態(tài),見圖6。后期登錄柱塞監(jiān)控系統(tǒng)了解每口柱塞井的生產情況，提高了氣井管理工作效率。

圖6 柱塞井制度優(yōu)化過程

5 結論

(1)柱塞氣舉排水工藝在涪陵頁巖氣田W區(qū)塊的成功應用，在增產效果取得的同時，也完善了整個氣田的排水采氣工藝體系。

(2)通過對生產井口裝置進行改造，并結合創(chuàng)新設計的組合柱塞，有效解決了柱塞技術在頁巖氣井應用存在瓶頸。

(3)柱塞氣舉工藝具有較好的經濟效益，且易于管理。隨著該工藝在涪陵頁巖氣田的推廣，需持續(xù)提高柱塞氣舉工藝智能管理程度。

(4)在前期試驗經驗中發(fā)現(xiàn)柱塞氣舉應用潛力大,下一步將細化選井條件，優(yōu)化運行參數(shù)，對滿足條件的氣井加以推廣使用。