張成斌 米偉偉 井文超 楊添麒 雷振宇 劉為愷 左 金 文 明 楊強(qiáng)強(qiáng) 何 鵬

1. 陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院

2. 陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司油氣勘探公司延長(zhǎng)氣田采氣一廠

關(guān)鍵字 延安氣田 積液 排水采氣 臨界攜液流速 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 工藝流程

0 引言

延安氣田地處鄂爾多斯盆地東南部，構(gòu)造上屬于伊陜斜坡，是典型的 “三低”氣藏（低孔、低滲透、低壓）[1]。氣田沒(méi)有邊水和底水，氣井產(chǎn)水主要來(lái)自層內(nèi)可動(dòng)水和凝析水，目前主要利用地層能量開(kāi)采。隨著氣田不斷開(kāi)發(fā)，地層壓力越來(lái)越低，氣井?dāng)y液能力變?nèi)?，逐漸形成井底積液。如果不采取有效排水措施將會(huì)造成氣井產(chǎn)量下降、穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間縮短、氣藏采收率降低。目前以“泡沫排水為主、提產(chǎn)排水為輔”的排水采氣工藝已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，水淹井逐漸增多。總結(jié)其他氣田的有效經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)踐形成適合本氣田的排水采氣體系及管理辦法，成功復(fù)產(chǎn)多口水淹井，效果顯著。

1 氣井積液判斷依據(jù)

井底積液是由于地層能量不足，井筒天然氣流速較低，不能將液相組分完全或有效排出到地面的現(xiàn)象。井底積液可從動(dòng)態(tài)壓力產(chǎn)量曲線及產(chǎn)出水情況等進(jìn)行判斷：①氣井的產(chǎn)量和套壓反復(fù)周期性波動(dòng)；②油管壓力梯度增高、油套壓差明顯增大；③壓力梯度變化；④流量遞減曲線不穩(wěn)定且有下降趨勢(shì)。研究表明：臨界攜液流速（流量）和動(dòng)能因子是判斷氣井積液的兩個(gè)重要參數(shù)。

1.1 臨界攜液流速（流量）

臨界攜液流速是指氣體將液體攜帶出井筒所需的最小流速，是氣體和液體性質(zhì)以及連續(xù)相流體流動(dòng)特征的函數(shù)。根據(jù)液體在氣井井筒內(nèi)的分布狀態(tài)，形成了兩類模型理論。①湍流中的液滴模型理論：認(rèn)為氣流中最大液滴連續(xù)不斷地被氣相帶出井筒是生產(chǎn)的最低要求；②波動(dòng)液膜模型理論：認(rèn)為氣井積液主要是由于液膜滑脫流動(dòng)造成的[2]。典型的臨界攜液流速模型見(jiàn)表1。

研究分析延安氣田延氣2—延128井區(qū)氣藏地質(zhì)情況，并修正李閩模型得到了適合該區(qū)塊的臨界攜液流速（流量）計(jì)算公式：

表1 典型的臨界攜液流速模型表

式中ρg、ρl分別表示氣體和液體密度，kg/m3；σ表示液滴表面張力，N/m；vcr表示臨界攜液流速，m/s。

式中p表示壓力，MPa；T表示溫度，K；Z表示該壓力、溫度條件下的氣體偏差因子，無(wú)因次量；A表示油管橫截面積，m2；qcr表示臨界攜液流量，m3/d。

通過(guò)氣井臨界攜液流量的敏感性分析（圖1）得出：臨界攜液流量對(duì)油管尺寸最為敏感，其次是壓力，表面張力和氣體相對(duì)密度影響較小。

現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)取值，得到僅與壓力、油管橫截面積相關(guān)的臨界攜液流量計(jì)算公式，并結(jié)合井筒流壓測(cè)試資料進(jìn)行修正：

利用公式（3）對(duì)該區(qū)塊氣井的積液情況進(jìn)行判斷，其正確率可高達(dá)95%[7]

1.2 動(dòng)能因子

動(dòng)能因子主要用來(lái)判斷井筒中氣液兩相流動(dòng)的特性，是氣井能量的反映，其大小可表征氣井在生產(chǎn)過(guò)程中的攜液能力。通過(guò)計(jì)算動(dòng)能因子可判斷氣井積液情況，確定排水采氣措施實(shí)施的最佳時(shí)機(jī)[8]。動(dòng)能因子計(jì)算公式如下：

式中Q表示日產(chǎn)氣量，104m3；d表示油管內(nèi)徑，m；γ表示天然氣相對(duì)密度，無(wú)因次量；Ts表示井底氣流溫度，K；ps表示井底流動(dòng)壓力，MPa；Zs表示該壓力、溫度條件下的氣體偏差因子，無(wú)因次量；F表示動(dòng)能因子。

進(jìn)行動(dòng)能因子的敏感性分析（圖2），可得出：油管尺寸對(duì)動(dòng)能因子的影響最大，氣井的日產(chǎn)氣量和井底流壓對(duì)動(dòng)能因子的影響次之，動(dòng)能因子對(duì)氣體的相對(duì)密度和井底溫度的敏感性最弱。因此，當(dāng)日產(chǎn)量遠(yuǎn)不足以完全攜液時(shí)，及時(shí)更換小管徑油管生產(chǎn)能有效地避免氣井積液。

圖2 動(dòng)能因子影響因素敏感性分析圖

2 常規(guī)排水采氣工藝

氣井正常生產(chǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生積液現(xiàn)象，但氣井仍有自噴能力，此時(shí)可采用常規(guī)排水采氣工藝?，F(xiàn)場(chǎng)已形成了“泡沫排水采氣為主，提產(chǎn)排水、柱塞排水為輔”的排水采氣體系。

2.1 泡沫排水采氣

泡沫排水采氣是利用化學(xué)藥劑把井筒內(nèi)的積液轉(zhuǎn)化成密度小、攜帶方便的泡沫狀流體，提升流體攜液能力，降低氣井臨界攜液流量，確保井筒積液順利排出，其優(yōu)勢(shì)是所需設(shè)備簡(jiǎn)便、操作難度較低、適用性較強(qiáng)、可在氣井正常生產(chǎn)中實(shí)施，該工藝的關(guān)鍵在于藥劑的選擇與配伍性[9-15]。

經(jīng)過(guò)多年的摸索，針對(duì)延安氣田延氣2—延128—延145井區(qū)生產(chǎn)情況，研究出新型耐溫耐鹽抗油起泡劑MF-1，可克服井筒內(nèi)高溫高礦化度等現(xiàn)象，并形成較完善的泡沫排水采氣制度（表2、3）。2017年該區(qū)塊共實(shí)施泡沫排水2 983井次，效果良好。井下節(jié)流井單站日產(chǎn)水由0.7 m3增至2.2 m3；高壓集氣井平均油套壓差由2.91 MPa降至0.67 MPa，日產(chǎn)水0.09 m3增至0.19 m3。分析油壓變化值與起泡劑原液量的關(guān)系（圖3），可得出油壓變化率隨著起泡劑原液量的增加而減小，呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系。

表2 高壓集氣井泡沫排水采氣制度

表3 井下節(jié)流井泡沫排水采氣制度

圖3 油壓變化值與起泡劑原液量關(guān)系圖

為保證冬季天然氣外輸量，該區(qū)塊通過(guò)添加高效抗凍成分、改變凍結(jié)形成的熱力學(xué)條件、結(jié)晶速率或聚集形態(tài)等手段對(duì)起泡劑和消泡劑的抗凍性能進(jìn)行改良。在溫度低達(dá)－15 ℃條件下選取平均油套壓差為2.9 MPa的高壓集氣井進(jìn)行試驗(yàn)后，平均油套壓差降至0.5 MPa，單井日產(chǎn)水由0.38 m3增至2.1 m3，效果良好。但在試驗(yàn)過(guò)程中仍出現(xiàn)了設(shè)備停機(jī)、管線閥門凍堵等問(wèn)題。

2.2 提產(chǎn)排水采氣

提產(chǎn)排水采氣是通過(guò)提高配產(chǎn)、增大生產(chǎn)壓差、減少井底積液回壓來(lái)提高氣井?dāng)y液能力，達(dá)到排水采氣目的，具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)施方便、投資少等特點(diǎn)[16]。對(duì)于高、中產(chǎn)井可直接進(jìn)行提產(chǎn)排水，而對(duì)于低產(chǎn)井往往因?yàn)榈讓幽芰坎蛔阒荒芡ㄟ^(guò)制定間開(kāi)制度（氣井每天開(kāi)井1 ～6 h，日總產(chǎn)氣量不變）來(lái)間接提高瞬時(shí)產(chǎn)量進(jìn)行提產(chǎn)排水。

2.3 柱塞排水采氣

柱塞排水采氣是利用柱塞將井筒內(nèi)氣液兩相進(jìn)行分離，在氣井自身能量的作用下往返周期性排液，可防止液體回落和氣體上竄，從而提高氣井間歇舉升效率，延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間[17]。常規(guī)柱塞排水采氣選用實(shí)心一體式柱塞，通過(guò)井口控制器和薄膜閥來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制生產(chǎn)，井口設(shè)備相對(duì)較多，改造較難，運(yùn)行及維護(hù)成本較高。中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，采用空心分體式柱塞來(lái)代替常規(guī)柱塞，并簡(jiǎn)化井口工藝，從而實(shí)現(xiàn)氣井自適應(yīng)生產(chǎn)，大大降低了成本和維護(hù)難度。圖4給出了兩種柱塞排水采氣工藝示意圖。研究區(qū)塊2017年首次開(kāi)展了小直徑柱塞排水試驗(yàn)，獲得了較好的排水效果，保證了氣井連續(xù)生產(chǎn)。

圖4 常規(guī)柱塞排水采氣和改進(jìn)的柱塞排水采氣工藝示意圖

3 水淹井復(fù)產(chǎn)排水采氣工藝

水淹井是指排液不及時(shí)造成無(wú)法靠自身能量生產(chǎn)的氣井，需要借助外界能量來(lái)提高其流速或更換小管徑油管降低其臨界攜液流速來(lái)恢復(fù)生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)通常采用氣舉排水采氣、抽汲排水采氣或連續(xù)油管排水采氣等工藝，加以泡沫排水采氣工藝為輔助來(lái)恢復(fù)水淹井生產(chǎn)。

3.1 氣舉排水采氣

氣舉排水采氣是把高壓氣體從氣井油管注入將井筒內(nèi)的積液從油套環(huán)空處排出（正舉）或從氣井油套環(huán)空注入將井筒內(nèi)的積液從油管排出（反舉），從而降低井筒內(nèi)液柱的高度、減小氣體回壓，使氣井恢復(fù)正常生產(chǎn)。根據(jù)氣體類型，可將其分為高壓氮?dú)鈿馀e和高壓天然氣氣舉兩大類。

1）高壓氮?dú)鈿馀e排水采氣

根據(jù)氮?dú)鈦?lái)源可將其分為現(xiàn)場(chǎng)制氮?dú)馀e和液氮?dú)馀e兩種。與液氮?dú)馀e相比，現(xiàn)場(chǎng)制氮?dú)馀e的成本較低、排出壓力不高，適用于壓力等級(jí)偏低的氣井。2014年至2017年延安氣田延氣2—延128—延145井區(qū)共對(duì)52口氣井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制氮?dú)馀e作業(yè)。作業(yè)前氣井油壓較低，平均在4.5 MPa左右，井筒積液比較嚴(yán)重，氣井已無(wú)自噴能力，無(wú)法正常生產(chǎn)；作業(yè)后氣井油壓迅速上漲，油套壓差由原來(lái)的10.4 MPa減小至1.3 MPa，施工期間每口井平均排液可達(dá)20余方，氣井恢復(fù)正常生產(chǎn)。

2）高壓天然氣氣舉排水采氣

根據(jù)天然氣來(lái)源可將其分為壓縮機(jī)氣舉和井間互聯(lián)氣舉兩種。壓縮機(jī)氣舉排水采氣是將來(lái)自油管的天然氣經(jīng)過(guò)分離器分離處理后由壓縮機(jī)增壓從氣井油套環(huán)空注入井中，反復(fù)循環(huán)帶出井筒積液[18]。井間互聯(lián)氣舉排水采氣是利用井場(chǎng)上的高壓氣井作為氣源，將其生產(chǎn)的天然氣注入到低壓弱噴氣井的油套環(huán)空，將積液從油管排出。井間互聯(lián)氣舉排水采氣工藝實(shí)施的先決條件是同一井場(chǎng)要有高壓氣源井。研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求高壓氣源井的壓力要在15 MPa以上。

3.2 抽汲排水采氣

抽汲排水采氣是利用地面打撈車來(lái)提供動(dòng)力，結(jié)合高效抽汲設(shè)備將井筒積液由油管抽汲排出，從而降低流體回壓，使氣井得以正常生產(chǎn)[19]。該技術(shù)的關(guān)鍵在于井口高壓力下的動(dòng)密封問(wèn)題。圖5給出了一種抽汲防噴裝置，耐壓可達(dá)20 MPa。氣井抽汲排液時(shí)該防噴裝置和防噴管（位于測(cè)試閥門處）連接起來(lái)使用，從而確保抽汲繩在下井過(guò)程中油管處于待密封狀態(tài)。在誘噴成功前，抽汲繩和密封件不密封。誘噴成功時(shí)，活塞在液壓油推動(dòng)下迅速壓縮密封件對(duì)井口進(jìn)行密封，以防井噴事故的發(fā)生。

圖5 抽汲排水時(shí)井口防噴裝置示意圖

2017年延安氣田延128井區(qū)采用抽汲排水采氣工藝恢復(fù)生產(chǎn)了一口水淹井。施工前該井已停產(chǎn)半年，套壓12.5 MPa，油壓4.7 MPa。地面打撈車下抽汲膠筒進(jìn)行抽汲排液，降低液面誘導(dǎo)放噴。經(jīng)過(guò)6輪的“抽汲+放噴”，共計(jì)排出積液8.6 m3，油壓恢復(fù)至9.8 MPa，套壓恢復(fù)至11.0 MPa，氣井恢復(fù)正常生產(chǎn)，日產(chǎn)量達(dá)1.2 104m3。

3.3 連續(xù)油管排水采氣

連續(xù)油管排水采氣是以氣井臨界攜液流速理論為基礎(chǔ)，通過(guò)在井筒內(nèi)下入較小直徑的連續(xù)油管，構(gòu)造小管徑生產(chǎn)管柱，減小流通面積，增大流動(dòng)速度，提高攜液能力，從而使氣井恢復(fù)正常生產(chǎn)[20-21]。該工藝適用于地層壓力小、產(chǎn)水量多的氣井，具有施工快、見(jiàn)效早、長(zhǎng)期有效、對(duì)地層傷害小的優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)在生產(chǎn)管柱為?73 mm的水淹井實(shí)施連續(xù)油管排水采氣工藝。該井計(jì)算的臨界攜液流量為8 000 m3/d，而實(shí)際產(chǎn)量為3 300 m3/d，泡沫排水作業(yè)后仍無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)。采用連續(xù)油管（?38.1 mm 3.18 mm 2 550 m）作業(yè)后該井恢復(fù)生產(chǎn)，日產(chǎn)氣量1.5 104m3，日產(chǎn)水最高1.3 m3。

4 結(jié)論

1）臨界攜液流量和動(dòng)能因子對(duì)油管尺寸最為敏感。在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)氣井的臨界攜液流量來(lái)選取生產(chǎn)管柱進(jìn)行開(kāi)采；當(dāng)日產(chǎn)氣量遠(yuǎn)不足以完全攜液時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換小管徑油管來(lái)避免氣井積液。

2）延安氣田建立了以“泡沫排水采氣為主，多元復(fù)合排水為輔”的排水采氣體系和“地質(zhì)氣藏綜合研究+單井動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)跟蹤＋現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)準(zhǔn)確規(guī)范＋工藝設(shè)備自動(dòng)一體化”的排水采氣精細(xì)化管理體系，為氣田開(kāi)發(fā)保駕護(hù)航。

3）在今后生產(chǎn)中，延安氣田應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況不斷改進(jìn)原有排水采氣工藝、引進(jìn)新排水采氣技術(shù)（同心毛細(xì)管排水采氣、渦流排水采氣、電潛泵排水采氣等），來(lái)確保氣井正常生產(chǎn)；并繼續(xù)深入開(kāi)展冬季排水采氣工藝研究，優(yōu)化施工過(guò)程、井口結(jié)構(gòu)和注入系統(tǒng)，形成完善的冬季排水采氣方案，緩解冬季“氣荒”問(wèn)題。