蔣 密 余 帆 楊 智 朱 昆 陳家曉 劉 露

(中國石油西南油氣田公司 工程技術研究院， 成都 610017)

頁巖氣通常存在于脆性高且壓力和滲透率較低的砂巖儲層，具有非均質(zhì)性強及單井產(chǎn)量、壓裂液返排率低等特點[1]。在生產(chǎn)初期，頁巖氣井往往產(chǎn)量遞減較快，投產(chǎn)一年半后就有可能進入低產(chǎn)小水量階段，氣體攜液能力不斷下降，在大斜度段和水平段積液嚴重時甚至會導致水淹停產(chǎn)，從而影響氣田的穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)目標。采用中淺層頁巖氣平臺柱塞舉升工藝技術，可在一定程度上解決水平井、大斜度井的水淹問題，保障頁巖氣井在低壓低產(chǎn)小水量階段的平穩(wěn)生產(chǎn)。柱塞氣舉工藝具有舉升效果佳、工藝簡單、投入成本低、清潔環(huán)保性好的優(yōu)點，可在中淺層頁巖氣平臺井中大規(guī)模推廣應用[2]。本次研究將針對平臺柱塞舉升工藝在頁巖氣井鉆井中的應用問題進行分析，從設計參數(shù)、柱塞配套工具和施工技術等方面予以優(yōu)化。

1 工藝設計優(yōu)化

柱塞的作用是，在氣體與液體之間提供一個固體密封界面，將舉升氣體和被舉升液體分隔開，以減少氣體穿過液體段塞所造成的滑脫損失和液體回落現(xiàn)象，從而提高舉升氣體的工作效率[3-4]。通過柱塞在油管內(nèi)往復運動將液體推送至地面的方法，可延長氣井攜液生產(chǎn)周期，從而有效地實現(xiàn)排液采氣。在此，我們根據(jù)經(jīng)驗法則和Foss & Gaul等相關理論，對柱塞舉升工藝井下工具、工藝流程、運行參數(shù)等進行設計以指導現(xiàn)場試驗及調(diào)試[5-6]。

1.1 工藝參數(shù)設計

基于常用氣液比或載荷系數(shù)法，綜合考慮閥后壓力、管柱尺寸、卡定器深度、液柱高度、地層補給壓力等因素，在滿足頁巖氣井高氣液比、低壓、小水量的條件下建立柱塞啟動壓力計算圖版(見圖1)，以提高柱塞運行時效[7]。通過模型擬合與現(xiàn)場應用，設計了氣液比與凈工作壓力的關系式：

(1)

式中：In(GLR)—— 氣液體積比；

pn—— 凈工作壓力，MPa；

a、b、c、d—— 與井深、管柱尺寸等有關的常數(shù)。

影響柱塞舉升效果的主要因素包括水平段井眼軌跡、井深、油套壓、產(chǎn)液量、水氣比、柱塞工作制度，設計中優(yōu)化的參數(shù)包括運行單循環(huán)舉升液量、最小關井套壓、舉升周期所需氣量、柱塞運行制度等。

1.1.1 單循環(huán)舉升液量

柱塞運行的能量主要由關井期間聚集于油套環(huán)空的壓力來提供。當開井時，油管壓力下降，儲存于套管的氣體就會進入油管，將柱塞及其柱塞上端的液體推送到地面。因此，柱塞單循環(huán)舉升液量直接受開井瞬間油套壓差的極大影響。單循環(huán)舉升液量的計算式如下：

(2)

式中：ql—— 單次循環(huán)舉升液量，m3；

pc—— 關井套壓，MPa；

pt—— 關井油壓，MPa；

ρ—— 液體密度，kg/m3；

g—— 重力系數(shù)，9.8 N/kg；

At—— 油管橫截面積，m2。

1.1.2 最小關井套壓

開井后，柱塞的最小壓力剛好能推動井內(nèi)液體運行到井口。此時，套管與油管的壓力趨于相同，則通過壓力梯度分別折算出的油管與套管到井底的壓力也相等。其關系式如下[8]：

pc，min=[pt，min+(ph+pf)·ql+pp+pa]·

(3)

式中：pc，min—— 最小關井套壓，MPa；

pt，min—— 柱塞到達井口的油壓，MPa；

ph—— 單位體積液體舉升壓力，MPa/m3；

pf—— 單位體積液體舉升阻力，MPa/m3；

pp—— 舉升柱塞本身所需壓力，MPa；

pa—— 當?shù)卮髿鈮?，MPa；

Hz—— 井下限位器深度，m；

k—— 與油管尺寸有關的常數(shù)。

1.1.3 最大關井套壓和平均關井套壓

根據(jù)氣體定律計算最大關井套壓，平均關井套壓為最大關井套壓和最小關井套壓的平均值，其計算式如下[9]：

pc，max=pc，min·(1+At/Ac)

(4)

pcavg=(pc，min+pc，max)/2

=pc，min·(1+At/2Ac)

(5)

式中：pc，max—— 最大關井套壓，MPa；

Ac—— 油套環(huán)空面積，m2；

pcavg—— 平均井口套壓，MPa。

1.1.4 舉升周期所需氣量

柱塞上端能夠帶液到井口所需的最小氣量，與油管尺寸、柱塞下落位置、氣液比、井口套壓等有關，其計算式如下：

qgcyc=pcavg·Hz·C

(6)

式中：C—— 與油管尺寸有關的常數(shù)；

qgcyc—— 舉升所需氣量，m3。

1.1.5 柱塞運行周期

柱塞運行周期分為2部分，即開井時間和關井時間。其中，開井時間包括柱塞上行時間、柱塞到達井口后的續(xù)流時間；關井時間包括柱塞在氣體中的下落時間、柱塞在液體中的下落時間及套管恢復壓力時間。其關系式如下[10-11]：

(7)

式中：Cy—— 柱塞每日運行周期，次；

ta—— 氣體中的柱塞下落時間，min；

tb—— 液體中的柱塞下落時間，min；

tc—— 柱塞上行時間，min；

td—— 柱塞到達井口后的續(xù)流生產(chǎn)時間，min；

te—— 套管壓力恢復時間，min。

1.2 柱塞類型

針對頁巖氣井單井產(chǎn)量低、攜液能力差、柱塞偏磨、大斜度井段漏失等問題，優(yōu)選出柱狀柱塞、刷式柱塞、彈塊柱塞等3類柱塞，以滿足柱塞在頁巖氣水平井、大斜度井中通過的性能要求[12]。為了改善其密封性能，基于普通柱狀柱塞設計了一種噴射旋轉(zhuǎn)型柱狀柱塞(見圖2)。該柱塞在大斜度井中易于啟動，可以減少滑脫和磨損現(xiàn)象的發(fā)生，降低上升階段的漏失量，從而提高柱塞的攜液效率。此外，該柱塞可應用于產(chǎn)量相對較高的氣井中，如中淺層頁巖氣井，且在氣井出砂過程中運行順暢，較少受到其他因素的干擾。

1.3 限位器

(1) 卡定器緩沖彈簧總成。卡定器是一種控制油管內(nèi)柱塞下落的限位裝置，用于確定柱塞的最大下落深度[13]。以目前的鋼絲作業(yè)能力，可保證卡定器的坐放位置深入到油管內(nèi)井斜角65°處。一體式卡定器帶緩沖彈簧能防止卡定器在柱塞下落時受到硬性撞擊，同時可減弱柱塞下落到緩沖彈簧頂部的沖擊力。頁巖氣后期的產(chǎn)水量較低，油管內(nèi)的液體極有可能全部退回水平段而使柱塞舉升效率降低，因此，采用了帶單流閥的卡定器緩沖彈簧總成(見圖3)，以防止井筒液體回落。同時，通過設定的內(nèi)置彈簧閾值來控制打開壓力，確保油管液柱能在達到一定高度時自動回落，從而避免油管內(nèi)液柱壓力高于地層壓力而導致水淹的情況[14]?？ǘㄆ骶彌_彈簧總成廣泛應用于日產(chǎn)水量在1 m3以下的氣井。

圖3 接箍式定壓截流卡定器緩沖彈簧總成

(2) 帶緩沖彈簧工作筒。帶緩沖彈簧工作筒主要應用于需要開展修井作業(yè)的產(chǎn)水氣井，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。修井作業(yè)中，將帶彈簧的工作筒下落至設計深度，在投運柱塞工藝前只需通過繩索作業(yè)即可通井至工作筒所在位置。這樣可以解決繩索作業(yè)在斜井、深井中施工時的難度大、風險高、投撈成功率低等問題[15]。

1 — 緩沖短接； 2 — 彈性擋圈； 3 — 擋環(huán)； 4 — 緩沖彈簧

2 工藝施工技術優(yōu)化

頁巖氣水平井積液段處于大斜度段，需要通過鋼絲作業(yè)通井、坐放柱塞卡定器至大斜度段。常規(guī)井下工具在大斜度段的作業(yè)受到井眼軌跡的限制，難以滿足水平井大斜度井段的作業(yè)要求，鋼絲被卡堵的情況時有發(fā)生。為了提高入井坐放深度，針對水平井鋼絲作業(yè)，研制了“柔性短節(jié)+滾輪(滾珠)”扶正器，以解決工具串在水平井、大井斜角施工中的摩阻問題。同時，剪斷投放工具銷釘，使井下工具的投放更加順利?，F(xiàn)場應用結(jié)果顯示，通井過程中最大井斜角可以大于75°，工具投放角最大可達65°左右。工具串由上至下的總長度為4.06 m，其結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 工具串結(jié)構(gòu)(由上至下)

3 現(xiàn)場應用效果評價

經(jīng)過前期的選井、工藝設計、方案論證等工作，最后選擇在A平臺實施頁巖氣井柱塞舉升工藝。該平臺共有5口井，其中上傾井2口、下傾井3口，各井的井深為2 800～3 300 m。柱塞工具運行中的最大井斜角可達到65°，均采用魚骨柱塞，總體運行狀態(tài)平穩(wěn)，能夠順利到達井口。A平臺柱塞井下工具參數(shù)如表2所示。

表2 A平臺柱塞井下工具參數(shù)

2020年4月、6月，在A平臺先后采用柱塞工藝投入生產(chǎn)。柱塞運行制度均采用固定時間模式，通過對柱塞運行初期制度的調(diào)整優(yōu)化，使產(chǎn)量、壓力逐漸趨于穩(wěn)定，油套壓差逐漸下降并保持在1.0～1.5 MPa，日產(chǎn)氣量及排水量較為穩(wěn)定，柱塞運行中排液明顯，延緩了井筒積液。最后，該平臺穩(wěn)產(chǎn)時期得到延長，產(chǎn)量下降趨勢明顯放緩，柱塞工藝排液效果較好。A6井柱塞工藝周期曲線如圖5所示。

圖5 A6井柱塞工藝周期曲線

在A平臺實施柱塞工藝的過程中，開井瞬間及排液階段會造成閥后壓力升高，進而對同一計量流程中的其他氣井產(chǎn)生回壓，最終影響排液和瞬時產(chǎn)量。A5井與A6井處于同一計量管網(wǎng)。從柱塞周期運行情況可以看出，A5井開井瞬間與柱塞排液時的油壓升高會直接影響A6井的閥后壓力，并對其造成井口回壓(見圖6、圖7)。因此，平臺井的柱塞運行需要持續(xù)優(yōu)化各井開關時段，減少井間干擾，適當控制井口針閥，穩(wěn)定平臺生產(chǎn)。

在實施柱塞工藝前，平臺井平均每周需要關井復壓1次，產(chǎn)量月遞減率為6.3%。在柱塞工藝運行后，氣井生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定，產(chǎn)量月遞減率降至2.8%。截至2020年12月，平臺柱塞工藝穩(wěn)產(chǎn)效果均較好，基本解決了水淹問題。日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在13×104m3，日產(chǎn)水量穩(wěn)定在14 m3，柱塞舉升工藝的穩(wěn)產(chǎn)效果比較顯著。A平臺生產(chǎn)曲線如圖8所示。

圖6 A5井開井瞬間與A6井閥后壓力關系

圖7 A5井柱塞排液與A6井閥后壓力關系

圖8 A平臺生產(chǎn)曲線

4 結(jié) 語

采用平臺柱塞舉升工藝，能夠有效地解決頁巖氣井的井底積液問題，減少液體滑脫現(xiàn)象，提高氣井攜液能力和帶液效率，使氣井保持穩(wěn)定生產(chǎn)。該工藝適用于中淺層頁巖氣井整體平臺。通過對理論計算方法與實際運行情況的擬合，建立了適應頁巖氣水平井的柱塞設計方法，繪制了柱塞啟動壓力指導圖版。需要注意的是，在平臺全部實施柱塞工藝時，需合理錯開各井的開關井時間，以避免同一平臺柱塞氣井同時運行時油壓瞬間增大而形成井間干擾，或者因同時開井對輸壓波動變化較大而引起的柱塞氣井回壓，減少對柱塞運行狀況的影響。