頁(yè)巖氣井積液診斷及排水采氣工藝技術(shù)研究

羅凱，魏鋒儒，薛偉賓，王飛

(浙江油田公司西南采氣廠，四川 宜賓 644504)

0 引言

氣田所處地質(zhì)條件復(fù)雜，長(zhǎng)期開(kāi)采后氣井內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)積液積水的情況，嚴(yán)重影響氣井的開(kāi)采產(chǎn)量與壽命。頁(yè)巖氣地層本身含水量較低，但采用大規(guī)模體積壓裂會(huì)帶入大量外來(lái)水，同時(shí)部分地層裂隙發(fā)育且存在底水、邊水的情況。分析積液積水意義重大。

1 頁(yè)巖氣井積液分析

1.1 氣井積液機(jī)理

分析發(fā)現(xiàn)，造成井底積液的主要原因有三點(diǎn)：其一，頁(yè)巖氣井工藝制度不合理，如果氣井產(chǎn)量過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致邊水或底水出現(xiàn)水舌、水椎等情況。尤其是裂縫發(fā)育的地區(qū)，底水經(jīng)裂縫上升形成水椎[1]。其二，頁(yè)巖氣井在距離邊水近的區(qū)域，或存在底水的氣井開(kāi)采段過(guò)深，和氣、水接觸面接近。其三，氣、水接觸面已推至氣井井底，引發(fā)地層水。

1.2 氣井積液對(duì)生產(chǎn)的危害

頁(yè)巖氣井產(chǎn)液后，將嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，造成一系列的危害，具體表現(xiàn)為：其一，氣井產(chǎn)液后，在毛細(xì)管力的影響下，侵入水滲透至主干裂縫兩側(cè)空隙，不僅會(huì)降低氣相滲透率，還會(huì)減少氣井產(chǎn)量，延緩采氣速度。其二，氣藏產(chǎn)液后，當(dāng)氣藏分割時(shí)，會(huì)形成死氣區(qū)，再加上部分氣井被水淹沒(méi)，導(dǎo)致氣井采收率不斷降低。其三，氣井產(chǎn)液后，由于管柱內(nèi)、產(chǎn)氣層形成氣、水兩相流動(dòng)，使得壓力和能量損失都增大，從而減少氣井產(chǎn)量，減弱氣井自噴能力，最終因井底積液而停產(chǎn)。

2 頁(yè)巖氣井積液診斷技術(shù)

2.1 回聲儀探測(cè)液面法

回聲儀探測(cè)液面法，是指利用回聲儀測(cè)量聲波往返于液面的時(shí)間，來(lái)獲得液面深度。在液面探測(cè)前，先下放標(biāo)有回音標(biāo)的油管，再對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)校正，以便解決回聲儀測(cè)量精度的問(wèn)題。隨后建立數(shù)據(jù)庫(kù)，為生產(chǎn)測(cè)試提供指導(dǎo)，同時(shí)為試井測(cè)試解釋提供參考依據(jù)。最后，比對(duì)回聲儀與鋼絲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，多數(shù)情況下回聲儀測(cè)試數(shù)據(jù)偏低，偏差在2 000 m 左右的超過(guò)2%。目前，回聲儀探測(cè)液面法多用于環(huán)空液面的測(cè)試，和壓力梯度法聯(lián)合使用可提高診斷精準(zhǔn)性。

2.2 直觀法

直觀法是指通過(guò)直觀數(shù)判斷井底積液，有助于明確井底積液的特征。實(shí)際工作中，相關(guān)人員主要利用直觀法，對(duì)氣井日產(chǎn)氣量、套管壓力波動(dòng)等進(jìn)行觀察。比如，對(duì)于低產(chǎn)氣井，若套管的壓升過(guò)高，可視為井底有積液；對(duì)于高產(chǎn)氣井，若產(chǎn)量減少、套管壓降低，可視為井底有積液。另外，還可通過(guò)油壓、套管壓之間的壓差，對(duì)氣井有無(wú)積液進(jìn)行判斷。氣井關(guān)閉后，油套壓在一定時(shí)間內(nèi)仍然無(wú)法達(dá)到平衡，而且套管不會(huì)泄漏，此時(shí)可判斷井底可能有積液[2]。

2.3 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析法

生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析法是對(duì)氣井有無(wú)積液進(jìn)行定性判斷的方法之一，主要根據(jù)油套壓差變化、生產(chǎn)情況等，對(duì)積液變化情況進(jìn)行診斷。隨著滑脫現(xiàn)象的出現(xiàn)，氣井內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)產(chǎn)量、積液波動(dòng)，油壓、套壓、油套壓差呈現(xiàn)周期性變化，其中產(chǎn)量和套壓表現(xiàn)為反相關(guān)。多數(shù)情況下，當(dāng)套壓波動(dòng)>10%、產(chǎn)量波動(dòng)>20%時(shí)，氣井積液會(huì)影響生產(chǎn)；當(dāng)套壓升高、產(chǎn)量下降時(shí)，可導(dǎo)致其被水淹。如果關(guān)井24 h 左右出現(xiàn)油套壓差，判斷氣井內(nèi)有液柱差。對(duì)此，根據(jù)套壓、油壓的下降幅度，參照公式1、2，可計(jì)算出油套環(huán)形空間的液面深度。

式中：P1t、P2t為油管在有無(wú)積液時(shí)，井口的穩(wěn)定流動(dòng)壓力(MPa)；ρ為液體密度(g/cm3)；P1c、P2c為套管在有無(wú)積液時(shí)，井口的穩(wěn)定流動(dòng)壓力(MPa)；He為液面位置深度(m)；H為井深(m)。優(yōu)選昭通區(qū)塊ZTH8-2 開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，2022 年6 月20 日開(kāi)始試氣投運(yùn)，套壓：9.74 MPa，2022 年7 月28 日油壓從5.91 MPa 下降至3.65 MPa，判斷該井積液，開(kāi)始加注起泡劑輔助排液，產(chǎn)水量從17.3 m3/d 上漲至22.5 m3/d，壓力恢復(fù)至5.85 MPa。

2.4 動(dòng)能因子法

基于氣井積液機(jī)理，對(duì)氣井積液前后進(jìn)行生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析，從而明確氣井積液的判斷標(biāo)準(zhǔn)。知曉氣井最小的攜液速度，便可獲得最小液體的臨界速度。如果攜液流速達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，液體將很難順利排出而造成積液，減少氣井生產(chǎn)量。因此，可將氣井?dāng)y液能力作為判斷氣井有無(wú)積液的指標(biāo)之一。

2.5 壓力梯度法

壓力梯度法是指利用壓力梯度判斷頁(yè)巖氣井積液，若氣井內(nèi)為純氣井，油管內(nèi)的壓力梯度和流動(dòng)氣柱的壓力梯度相同；若氣井內(nèi)為氣體、液體混合，油管內(nèi)的壓力梯度則是氣體、液體相混合的壓力梯度；若氣井內(nèi)無(wú)積液，其壓力梯度則是氣體、液體混合相的壓力梯度[3]。

圖2 ZTH19-2 臨界攜液流量隨深度變化關(guān)系

2.6 臨界氣體速度法

在氣井正常的生產(chǎn)狀態(tài)下，霧狀流是主要的流動(dòng)形式，霧狀流氣相是持續(xù)性的，但對(duì)于液相而言，則是非持續(xù)性的。當(dāng)氣井內(nèi)的氣體無(wú)法將液體帶離地面時(shí)，液體會(huì)降低至井底，最終形成積液。這種情況下，對(duì)氣體攜液的臨界流速進(jìn)行計(jì)算，可精準(zhǔn)判斷氣井有無(wú)積液。現(xiàn)階段，主要使用Turner 模型計(jì)算臨界速度。

3 排水采氣工藝技術(shù)

3.1 優(yōu)選柱管排水采氣

在頁(yè)巖氣井進(jìn)入中期開(kāi)采時(shí)，可率先使用優(yōu)選柱管排水采氣措施，運(yùn)用小管柱能有效減少滑脫損失。小管柱可縮小氣體、液體的流動(dòng)截面，此時(shí)氣體流速得以增加，若速度超過(guò)臨界流速，將有足夠的能量將液體帶到地面，實(shí)現(xiàn)排水效果。但是，大管徑的使用存在一些弊端，即氣流速度不足，舉升液體能力低，導(dǎo)致液體回流，影響排水效果[5]。對(duì)此，在采用優(yōu)選柱管排水采氣措施時(shí)，要遵循以下要求：其一，當(dāng)氣井流速過(guò)高時(shí)，不僅會(huì)增加油管，降低摩擦損失，還能增加氣井產(chǎn)量。其二，當(dāng)氣井進(jìn)入中后期生產(chǎn)階段時(shí)，若自身排水能力不足，可適當(dāng)縮小管徑，以便提升氣井?dāng)y液能力。以昭通區(qū)塊為例，在YS108H20-1 井使用管柱方案，優(yōu)化油管尺寸。

3.2 泡沫排水采氣

對(duì)于產(chǎn)量不斷降低且下入油管的頁(yè)巖氣井，泡沫排水采氣工藝技術(shù)具有增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的效果；而處于低壓低產(chǎn)的頁(yè)巖氣井，該工藝技術(shù)的效果不明顯。以昭通區(qū)塊為例，共設(shè)有泡排115 口井，均取得了良好的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果。ZTH8-3/8-5 井2018 年7 月12 日最先開(kāi)始泡排的2 口井，在使用泡沫排水采氣措施前，產(chǎn)量處于持續(xù)遞減的局面，產(chǎn)水無(wú)法正常排出，泡沫排水采氣措施實(shí)施后，產(chǎn)量明顯增加且保持穩(wěn)定[4]。其中，ZTH8-3井產(chǎn)量由1.7×104Nm3/d 上漲至3.1×104Nm3/d；ZTH8-5井產(chǎn)量由3.5×104Nm3/d 上漲至4.4×104Nm3/d,，產(chǎn)水量由3.1 m3/d 上漲至9.2 m3/d。

3.3 氣舉式排水采氣

氣舉式排水采氣是指使用強(qiáng)高壓氣體，經(jīng)氣井將底部積水排到地面，其可分為3 種形式：半氣閉式、敞開(kāi)式和氣閉式。在氣舉式排水采氣措施實(shí)施過(guò)程中，氣體經(jīng)油管環(huán)形空間進(jìn)入油管內(nèi)，這種形式為正舉，若氣體進(jìn)入油管后通過(guò)環(huán)形空間，則成為反舉。氣舉式的優(yōu)勢(shì)是不受氣井深度影響，使用儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，方便技術(shù)操作和管理。但其也有一定弊端，氣體注入時(shí)易出現(xiàn)回流的情況，導(dǎo)致氣井內(nèi)的積液無(wú)法完全排空；對(duì)淺層氣井積液有良好效果，可增加瞬時(shí)流量，但頁(yè)巖氣井的穩(wěn)產(chǎn)效果極差。

3.4 柱塞氣舉排水采氣

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論研究，初步形成適合頁(yè)巖氣井積液的柱塞工藝技術(shù)，包括調(diào)試技術(shù)、系列工具、優(yōu)化調(diào)整技術(shù)，及用于不同積液階段的柱塞方法，滿足頁(yè)巖氣井不同生產(chǎn)階段的需求。所謂柱塞氣舉，是指利用舉升氣體、柱塞替代液柱間的界面，并經(jīng)氣相能量將液體帶到地面。在柱塞氣舉過(guò)程中，柱塞具有良好的封閉作用，其作用是減少滑脫損失，防止竄氣現(xiàn)象的出現(xiàn)。通常來(lái)講，如果氣井內(nèi)積液含量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致氣井被水淹沒(méi)[6]。而柱塞氣舉措施的應(yīng)用，能夠恢復(fù)套管壓力，從而上升柱塞，將氣井積液升至地面。在柱塞氣舉措施應(yīng)用過(guò)程中，要制定相應(yīng)的關(guān)井、開(kāi)井工作制度，通過(guò)關(guān)井恢復(fù)生產(chǎn)壓力，開(kāi)井恢復(fù)生產(chǎn)；同時(shí)計(jì)算相關(guān)參數(shù)，如周期需氣量、最小套壓、平均套壓。以昭通區(qū)塊3 口頁(yè)巖氣井為例，自柱塞工藝實(shí)施以來(lái)，生產(chǎn)穩(wěn)定，遞減率減慢，放噴提液頻次減少，穩(wěn)產(chǎn)維持了很長(zhǎng)一段時(shí)間。

3.5 復(fù)合式排水采氣

復(fù)合式排水采氣是指采用2 種或以上工藝進(jìn)行排水采氣的技術(shù)。我國(guó)國(guó)土面積大，不同地區(qū)的自然環(huán)境有所區(qū)別，為了順應(yīng)各地區(qū)的自然情況，很多頁(yè)巖氣井開(kāi)采部門(mén)會(huì)采用復(fù)合式排水采氣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)增加開(kāi)采量的目的。比如，將氣舉和泡沫式相結(jié)合，并將其用于氣井排水采氣種，在向氣井內(nèi)注入氣體時(shí)，還可添加適量表面活性劑，從而在積液被帶出時(shí)和積液發(fā)生反應(yīng)出現(xiàn)泡沫，降低積液的單位質(zhì)量。

3.6 同心毛細(xì)管排水采氣

同心毛細(xì)管排水采氣能同時(shí)實(shí)現(xiàn)清潔氣井內(nèi)結(jié)構(gòu)、清除氣井內(nèi)積液等目標(biāo)，從而提高氣井采收率，減少氣體污染，節(jié)約開(kāi)采費(fèi)用。一般來(lái)講，該技術(shù)是向有積液的氣井內(nèi)注入化學(xué)發(fā)泡劑，以降低氣井內(nèi)壓力，減少積液密度，使氣井內(nèi)積液跟隨氣體流出，防止積液滯留于氣井而影響開(kāi)采速度及質(zhì)量[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，頁(yè)巖氣井積液診斷及排水采氣作為常用的技術(shù)手段，在實(shí)踐中可以提高氣井產(chǎn)量，延長(zhǎng)氣井開(kāi)采壽命。本文通過(guò)分析頁(yè)巖氣井積液診斷技術(shù)、排水采氣工藝技術(shù)，得出以下結(jié)論：(1)頁(yè)巖氣井生產(chǎn)后期，處于低壓低產(chǎn)階段，氣井地層壓力低，積液嚴(yán)重，攜液生產(chǎn)難度大。(2)當(dāng)氣井積液速度比>1，且產(chǎn)氣量明顯低于臨界流量時(shí)，氣井積液比較嚴(yán)重，需要采用排水采氣措施。(3)在頁(yè)巖氣井不同的生產(chǎn)階段，采用針對(duì)性的排水采氣措施，可提高單井產(chǎn)量，提高氣井開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)收益。