中東海上油田雙油管氣舉優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用實踐

羅鐘鳴， 陳 杰， 粟 超

中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院

0 引言

雙油管分層采油有助于多層油藏高效動用、提高單井產(chǎn)量、減少層間干擾、降低開發(fā)成本，在越來越多的油田開發(fā)中得到應(yīng)用，其基本原理是在套管中下入兩根并行油管到不同油層，短油管開發(fā)上部層系，長油管開發(fā)下部層系，不同油層產(chǎn)出的原油分別流經(jīng)不同的管柱通道，因此可避免層間干擾和流體混雜，特別是對于含酸性氣體的油井能有效地避免油套分采對套管的腐蝕破壞[1- 3]。從油藏開發(fā)的角度，雙油管分層采油可使用一套井網(wǎng)開發(fā)至少兩套油藏，能大幅度降低鉆完井成本和地面建設(shè)費用，油田開發(fā)更加經(jīng)濟高效[4- 6]。

國內(nèi)外采用雙油管完井方式主要是針對有自噴能力的油井或氣井，如塔里木輪南油田曾進行5口井的雙管采油試驗并獲得成功、長慶油田等也進行了雙油管完井作業(yè)[7- 9]。目前對采用雙油管井的人工舉升措施作業(yè)，特別是采用氣舉方式恢復(fù)停噴井生產(chǎn)的研究開展較少[10- 12]。通常，自噴采油轉(zhuǎn)人工舉升后油井的生產(chǎn)效果會發(fā)生明顯變化，由于兩套產(chǎn)油層的地層壓力、產(chǎn)水等情況均不相同，可能出現(xiàn)氣舉氣只進入其中一根油管，另一根油管無法獲得氣舉氣，造成該套油藏無法動用的情況，見圖1。針對上述問題，本文以中東ZK海上油田某井為例，通過對雙油管氣舉排液和生產(chǎn)過程中的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)對比分析，模擬雙油管氣舉采油條件下油井生產(chǎn)狀況，預(yù)判油井后期生產(chǎn)狀態(tài)，提出在完井時下入井下裝置進行調(diào)控干預(yù)，解決雙油管氣舉條件下注氣不均的問題，現(xiàn)場應(yīng)用后獲得較好的效果。

圖1 雙油管氣舉生產(chǎn)狀態(tài)示意圖

1 雙油管氣舉穩(wěn)態(tài)分析

常規(guī)油井氣舉穩(wěn)態(tài)設(shè)計流程如下：①根據(jù)油井的產(chǎn)量、氣液比、含水、井口壓力和油管尺寸繪制流動壓力梯度曲線;②根據(jù)地面注氣壓力和氣體相對密度得到注氣壓力梯度曲線;③根據(jù)完井液密度和井口壓力做出油管排液壓力梯度曲線;④油管排液壓力梯度曲線和注氣壓力梯度曲線交點對應(yīng)深度就是第一級氣舉閥深度;⑤根據(jù)井底溫度和井口溫度作出油井溫度梯度曲線;⑥根據(jù)第一級氣舉閥深度下的油管流壓、套壓和溫度,得到第一級氣舉閥開啟壓力;⑦以第一級氣舉閥作為起點，做出與油管排液的壓力梯度曲線相平行的第二級氣舉閥排液壓力梯度曲線;⑧其與注氣壓力梯度曲線相交點則為第二級氣舉閥深度;⑨循環(huán)步驟⑦和⑧完成后續(xù)氣舉閥設(shè)計。

以中東ZK油田兩套主力油藏Thamama D層和Thamama F層氣舉設(shè)計為例，氣舉模型主要設(shè)計參數(shù)為：Thamama D層地層壓力31.4 MPa、溫度120 ℃，?73 mm油管下深2 998 m，封隔器深度2 940 m；Thamama F層地層壓力33.4 MPa、溫度123 ℃，?73 mm油管下深3 160 m，封隔器深度3 125 m，兩層氣舉生產(chǎn)時油壓設(shè)計為5.5 MPa。

根據(jù)設(shè)計流程分別繪制注氣壓力梯度、流動壓力梯度等曲線，設(shè)計Thamama D層油管需下入3個氣舉閥，其中排液閥下深為683.2 m、1 129.8 m，工作閥下深為1 333.1 m，見圖2。Thamama F層油管需下入4個氣舉閥，其中排液閥下深為685 m、1 205 m、1 491.3 m，工作閥下深度為1 676.4 m，見圖3。

圖2 Thamama D層穩(wěn)態(tài)氣舉設(shè)計

圖3 Thamama F層穩(wěn)態(tài)氣舉設(shè)計

為進一步了解油井氣舉投產(chǎn)后舉升制度對產(chǎn)液量的影響，應(yīng)用氣舉井節(jié)點分析法，針對不同的氣舉注入壓力和注氣量進行特征曲線分析，見圖4、圖5。

圖4 Thamama D層氣舉特征曲線分析

圖5 Thamama F層氣舉特征曲線分析

(1)當?shù)孛孀鈮毫_到12.4 MPa且生產(chǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，Thamama D層通過5.66×104m3/d注氣量獲得308.6 m3/d的產(chǎn)液量，而Thamama F層通過5.66×104m3/d注氣量獲得380.3 m3/d的產(chǎn)液量。若分別單獨生產(chǎn)，兩層均可通過氣舉而獲高產(chǎn)。

(2)若注氣壓力提高至13.79 MPa，在同樣注氣量的情況下Thamama D層產(chǎn)液量增加了15～50 m3/d， 而Thamama F層產(chǎn)液量僅增加了5～25 m3/d，說明2套層系對氣舉參數(shù)調(diào)整反應(yīng)強度不同，若同時氣舉容易出現(xiàn)產(chǎn)量波動。

(3)對于Thamama D層，當注氣量大于4×104m3/d后，進一步增大注氣量對氣井產(chǎn)液量提升較小，經(jīng)濟注氣量在4×104m3/d左右；而對Thamama F層提高注氣量，產(chǎn)液量提升幅度仍保持較大。因此若要同時氣舉，則需對兩層注氣量進行合理分配以達到經(jīng)濟高效的目的。

2 雙油管氣舉瞬態(tài)分析

對于單層油藏單油管采油采用穩(wěn)態(tài)氣舉模型分析，各層均可通過單獨氣舉恢復(fù)生產(chǎn)，但雙層合采下油藏生產(chǎn)能力、流體性質(zhì)、含水高低均不相同，且油藏對氣舉參數(shù)調(diào)整反應(yīng)不一，對應(yīng)經(jīng)濟注氣量也不一致，因此對排液后是否能形成最優(yōu)穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)仍存在較大不確定性。相對于穩(wěn)態(tài)研究，瞬態(tài)分析更為全面而復(fù)雜，其主要考慮不同時間下井筒內(nèi)流體參數(shù)變化對油井生產(chǎn)能力的影響。

雙油管氣舉采油包含排液和生產(chǎn)兩個過程，每根油管內(nèi)的壓力、產(chǎn)量、溫度等都會隨時間而變化，油管間會產(chǎn)生互相影響。因此，需對雙油管生產(chǎn)過程中氣舉排液和生產(chǎn)過程進行瞬態(tài)分析，找到問題出現(xiàn)的條件及發(fā)生時間，并制定相應(yīng)對策。

采用中東ZK海上油田Thamama D和Thamama F層油藏參數(shù)，應(yīng)用瞬態(tài)模擬軟件OLGA進行瞬態(tài)分析，采用與穩(wěn)態(tài)模擬相同的油藏、流體、井筒等邊界參數(shù)，以兩根油管最深一級氣舉閥(深度為1 333.1 m和1 676.4 m)開始排液為時間起點，進行排液和生產(chǎn)瞬態(tài)模擬分析，示意圖見圖6。

2.1 產(chǎn)氣量分析

對基于瞬態(tài)模型計算得到的雙油管采油井井口產(chǎn)氣量進行分析，見圖7。

2.1.1 排液階段

在最深一級氣舉閥還未工作時，油管上部有大量氣舉氣存在，因而在井口有較高產(chǎn)氣量，但隨著上一級氣舉閥關(guān)閉，最深一級氣舉閥開啟工作，井口產(chǎn)氣量迅速減少直至為0，此時油管內(nèi)主要是氣柱推動油管內(nèi)完井液上升，在大約4 h后，氣舉氣將完井液全部舉升出井口，此時產(chǎn)氣量迅速增加，排液階段完成。

2.1.2 生產(chǎn)階段

在排液階段完成后，油井開始進入生產(chǎn)階段，此時短油管(生產(chǎn)Thamama D)和長油管(生產(chǎn)Thamama F)出現(xiàn)完全不同的生產(chǎn)特征：短油管內(nèi)產(chǎn)氣量逐漸減少，并于約5 h后降為0，說明此時已經(jīng)沒有氣舉氣進入短油管，Thamama D層復(fù)產(chǎn)失敗；長油管內(nèi)產(chǎn)氣量于約4.72 h后保持穩(wěn)定，說明氣舉氣持續(xù)進入長油管內(nèi)，Thamama F層復(fù)產(chǎn)成功。后續(xù)觀察至24 h后，Thamama D和Thamama F層均保持前一狀態(tài)，說明油井生產(chǎn)已經(jīng)穩(wěn)定。

2.2 產(chǎn)油量分析

對基于瞬態(tài)模型計算得到的雙油管采油井井口產(chǎn)油量進行分析，見圖8。

圖8 基于瞬態(tài)分析的雙管油井氣舉采油井口模擬產(chǎn)油量

2.2.1 排液階段

短油管和長油管排液均較為正常，氣舉排液瞬時流量在50～60 m3/d左右，直到4 h左右將油管積液完全排凈。

2.2.2 生產(chǎn)階段

在排液階段完成后， 短油管和長油管產(chǎn)油量同樣出現(xiàn)完全不同的生產(chǎn)特征：短油管內(nèi)產(chǎn)油量僅僅維持1 h后即開始迅速下降，并于10 h后降為0，說明此時油井已經(jīng)停噴；長油管內(nèi)產(chǎn)油量于約4.72 h后保持穩(wěn)定在235 m3/d。

通過雙油管氣舉瞬態(tài)模擬計算結(jié)果表明該井在沒有外界干預(yù)的條件下將會發(fā)生注氣不均現(xiàn)象，氣舉氣在排液結(jié)束后會很快全部進入長油管內(nèi)，一旦此現(xiàn)象發(fā)生，短油管將無法維持氣舉生產(chǎn)，生產(chǎn)能力會很快減弱直至停產(chǎn)，影響油井開發(fā)效果。為避免該問題，必須采取針對性措施工藝，以保障油井能穩(wěn)定生產(chǎn)。

3 氣舉數(shù)字智能控制系統(tǒng)

氣舉數(shù)字智能控制系統(tǒng)可對油管進氣量進行人工干預(yù)或自動調(diào)整，實現(xiàn)氣舉井常態(tài)化管理。其主要結(jié)構(gòu)由用戶終端、地面控制系統(tǒng)、井下電纜和井下控制器四部分組成(見圖9)。用戶終端可通過電腦操作界面對井下數(shù)據(jù)開展分析并實現(xiàn)遠程控制。地面控制系統(tǒng)具有一定的智能編程功能，可實現(xiàn)自動參數(shù)調(diào)整。井下電纜給控制器提供電能，并傳輸壓力、溫度信號。井下控制器外部采用偏心或同心結(jié)構(gòu)設(shè)計以方便入井，外殼采用防腐材質(zhì)，內(nèi)部集成了溫度壓力傳感器并預(yù)裝3～6個不同尺寸閥孔的氣舉閥，可按地面指令或程序設(shè)定,旋轉(zhuǎn)調(diào)用合適尺寸的氣舉閥，從而實現(xiàn)調(diào)整油管進氣量的功能。

圖9 氣舉數(shù)字智能控制系統(tǒng)示意圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用與效果分析

中東波斯灣海域發(fā)育眾多大中型油田：開發(fā)層系多、單井產(chǎn)量高、流體腐蝕性強、生產(chǎn)自動化程度高、投產(chǎn)后檢修間隔時間長，對油田高效開發(fā)技術(shù)要求高。中東ZK海上油田某油井于2006年采用?244.5 mm套管射孔完井，雙?73 mm油管自噴投產(chǎn)，產(chǎn)層分別為侏羅系Thamama D和Thamama F層，兩層初期日產(chǎn)油量均可達到350 m3/d，無水采油期超過6年。2013年后，Thamama D層含水迅速增加至70%左右，產(chǎn)油量逐漸降至低于50 m3/d；Thamama F層含水逐步緩慢增加至40%左右，產(chǎn)油量從約200 m3/d迅速降至0，隨后兩層同時于2017年停噴關(guān)井。地質(zhì)油藏綜合分析后認為：Thamama D層在2013年～2016年產(chǎn)液量偏低、含水高，生產(chǎn)不連續(xù)，反映地層能量不足；而Thamama F層在停噴前能保持較高產(chǎn)量，自噴能力受含水升高的影響不明顯，反映地層能量較為充足。

2020年初，油田欲通過氣舉方式對該油井復(fù)產(chǎn)，考慮到關(guān)井前兩套油藏生產(chǎn)差異可能對油井長期穩(wěn)定生產(chǎn)造成較大不確定性，決定安裝氣舉數(shù)字智能控制系統(tǒng)以解決該問題。

2020年4月，該井開始應(yīng)用氣舉數(shù)字智能控制器進行氣舉，初期日注氣約8×104～10×104m3，氣舉開始1 d后，短油管(生產(chǎn)Thamama D)井口油壓從約6.2 MPa逐漸降低至3.1 MPa，已經(jīng)接近外輸壓力，而長油管(生產(chǎn)Thamama F)井口壓力從約5.8 MPa上升至6.7 MPa，以上動態(tài)特征表明短油管產(chǎn)量已經(jīng)明顯下降，已經(jīng)出現(xiàn)注氣不均的現(xiàn)象，后通過人工方式將Thamama F層直徑6.4 mm氣舉閥孔調(diào)整為直徑3.6 mm氣舉閥孔，短油管生產(chǎn)情況迅速好轉(zhuǎn)，約2 d后短油管井口油壓恢復(fù)至5.9 MPa，產(chǎn)液量逐漸回升至175 m3/d。據(jù)統(tǒng)計，半年時間內(nèi)調(diào)整氣舉制度約40次，平均兩層產(chǎn)液量約254 m3/d和302 m3/d，實現(xiàn)了雙油管氣舉的穩(wěn)定生產(chǎn)，提高了油田開發(fā)經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

(1)雙油管采油可以同時開發(fā)至少兩套層系，加速油氣資源動用、減少層間干擾并極大地降低開發(fā)成本，對油田降本增效具有重要意義。但受兩層條件影響，雙油管氣舉采油可能會面臨注氣不均等問題。

(2)穩(wěn)態(tài)氣舉設(shè)計僅適用于單油管，對雙油管氣舉采油，不但需考慮井筒內(nèi)流體參數(shù)變化對油井生產(chǎn)能力的影響，還需考慮雙油管間的互相干擾，宜采用瞬態(tài)模型進行分析。

(3)瞬態(tài)模型計算表明雙油管氣舉過程中會形成氣舉氣進入不均的現(xiàn)象，通過預(yù)先安裝氣舉數(shù)字智能控制器，對油管進氣量進行調(diào)整，可保障油井氣舉穩(wěn)定生產(chǎn)。