楊全蔚, 周少丹, 馬連偉, 馮 維, 呂思錦， 何直杭

1中國石油長慶油田分公司第二采氣廠 2中國石油青海油田分公司

0 引言

神木氣田屬于致密砂巖氣藏，為典型的“低壓、低滲、低豐度”氣藏[1]，約70%的氣井投產(chǎn)后壓力、產(chǎn)量下降快，攜液困難，井筒積液已成為制約氣井產(chǎn)能發(fā)揮的瓶頸，如何高效開展低產(chǎn)氣井排水采氣至關重要。柱塞氣舉工藝具有適用范圍廣、排液效果好、有效時間長等特點，是國內(nèi)外致密氣田最經(jīng)濟有效的排水采氣工藝[2- 4]。神木氣田2014年投產(chǎn)，結(jié)合氣田生產(chǎn)需求，2018年開始規(guī)模推廣柱塞氣舉工藝，截止目前，累計應用柱塞氣舉氣井200余口。但存在柱塞氣井分散、管理難度大、缺乏規(guī)模應用及綜合評價的問題，目前行業(yè)內(nèi)關于柱塞氣舉規(guī)模性應用及綜合評價的文獻報道較少，基本都是針對柱塞氣舉單體工藝相關的研究[5- 7]。為此，有必要開展柱塞氣舉示范區(qū)試驗。

1 神木氣田排水采氣現(xiàn)狀

1.1 產(chǎn)水特征及生產(chǎn)現(xiàn)狀

(1)產(chǎn)水特征。神木氣田整體呈現(xiàn)產(chǎn)水現(xiàn)象，部分液氣比較高的區(qū)域分布于西南部、北部和南部。平面上按水源類型劃分為凝析液區(qū)、地層水區(qū)和共存區(qū)三大區(qū)域。產(chǎn)凝析水井在氣田西部居多，產(chǎn)地層水井集中分布在氣田東部，離盆地邊緣更近，礦化度更高，南部部分區(qū)域也發(fā)現(xiàn)少量礦化度較高地層水井，多以單井點出現(xiàn)。

(2)生產(chǎn)現(xiàn)狀。 神木氣田于2014年9月投產(chǎn)，目前投產(chǎn)井600余口，日產(chǎn)氣量500×104m3以上，液氣比0.44 m3/104m3，套壓由生產(chǎn)初期17.2 MPa下降為目前8 MPa。單井日產(chǎn)量小于1×104m3的氣井占比70.6%，套壓5～10 MPa的氣井占比54.3%，套壓小于5 MPa的氣井占比24.6%，低產(chǎn)低壓氣井逐年增多給氣田開發(fā)管理帶來較大困難。神木氣田積液氣井共有400余口，占總井數(shù)的70.3%，積液氣井逐年增多給氣田穩(wěn)產(chǎn)帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

1.2 排水采氣技術系列

針對神木氣田氣井“低產(chǎn)、低壓、易積液”的特征，經(jīng)過多年攻關形成了以“泡沫排水、速度管柱和柱塞氣舉”為主、以“氣舉復產(chǎn)、同步回轉(zhuǎn)”為輔的排水采氣技術系列，各項工藝適用條件[8- 9]如表1所示。在主體排水采氣技術中，應用最廣泛的是泡沫排水和柱塞氣舉，速度管柱工藝受施工條件和有效期限制，應用規(guī)模較小。

表1 排水采氣工藝適用條件分析表

1.3 存在問題

(1)隨著氣田的開發(fā)，低產(chǎn)積液氣井不斷增加，泡沫排水工作量及措施成本不斷增加，神木氣田的累計開展泡沫排水9 000余次，且泡沫排水藥劑是導致氣田采出水乳化因素之一，影響集輸系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

(2)對于氣量小于0.5×104m3/d的積液井泡排效果不明顯。

(3)柱塞氣井分散、規(guī)模小，同時由于單井氣量、液量計量困難，評價柱塞氣舉工藝效果通常采用分析運行曲線是否規(guī)律、是否有排液特征等方法，評價方法單一，缺少規(guī)模應用和綜合評價。

2 柱塞氣舉工藝推廣可行性分析

為了便于集中管理，綜合評價柱塞氣舉工藝和提高區(qū)塊采收率，在單井柱塞應用效果良好的基礎上，提出柱塞氣舉示范區(qū)建設[10]，具體建設思路為：柱塞氣舉單體工藝研究、柱塞氣舉示范區(qū)選取、地面集輸系統(tǒng)可行性分析和柱塞氣舉運行制度優(yōu)化。

2.1 柱塞氣舉單體工藝分析

2.1.1 適用條件和工藝特點

常規(guī)柱塞氣舉工藝適用條件：直井或小斜度井(井斜≤60°)、最大產(chǎn)水量小于15 m3/d、氣液比大于480 m3/m3、自噴或間噴氣量0.2×104～2×104m3/d、油管內(nèi)徑一致且光滑暢通。 柱塞氣舉工藝具有適用范圍廣、舉液效率高、自動化程度高、機械排水、綠色環(huán)保、性價比高和投入產(chǎn)出比高等特點[11]。

2.1.2 應用時機

結(jié)合氣井生產(chǎn)動態(tài)，氣井全生命周期主要劃分為自然連續(xù)生產(chǎn)期、措施連續(xù)生產(chǎn)期和間開生產(chǎn)期[12]，對比泡沫排水和速度管柱主體排水采氣工藝，柱塞工藝適用范圍更廣，有效期更長，直至間開生產(chǎn)期過渡點。綜合考慮工藝有效期及經(jīng)濟效益，分析認為應在氣井自然連續(xù)生產(chǎn)末期開始應用柱塞氣舉工藝。

2.1.3 參數(shù)設計

影響柱塞氣舉的因素分為不可控因素和可控因素。不可控因素為液氣比、地層壓力、產(chǎn)氣量、采氣管線壓力；可控因素為井下限位器深度、開井壓力和開井時間，參數(shù)設計實質(zhì)主要是對可控因素的設計[13- 14]。

(1)井下限位器深度：根據(jù)油管下入深度和液面高度確定井下限位器深度，盡量靠近管鞋，對光油管氣井，井下限位器宜安裝在油管管鞋之上 2～5 根油管之間，若生產(chǎn)管柱存在變徑的長度大于柱塞長度，井下限位器宜安裝在變徑深度之上 1～5 根油管之間。

(2)柱塞運行過程中，由于環(huán)空中氣體的流動速度很低，摩擦阻力可忽略不計；柱塞運行摩擦阻力很小，可忽略不計；假如柱塞下油管中僅存在單向氣體流動，可忽略油套管中靜氣柱壓力的差別[13]，最小井口套壓根據(jù)式(1)計算：

pcmin=[pp+ptmin+pa+(pLH+pLF)×qL]×(1+Hz/K)

(1)

式中：pcmin—最小井口套壓，柱塞到達井口時的套壓，MPa；

pp—舉升柱塞本身所需壓力(pp=柱塞重量/柱塞截面積，推薦柱塞質(zhì)量5 kg)，MPa；

pLH—舉升每方液體所需壓力，MPa/m3；

pLF—舉升每方液體產(chǎn)生的摩阻，MPa/m3；

qL—單循環(huán)舉升液量，m3；

ptmin—柱塞到達井口后的油壓，MPa；

pa—當?shù)卮髿鈮毫Γ琈Pa；

Hz—井下限位器位置，m；

K—與油管尺寸有關的常數(shù)。

計算時，通常假定流體溫度和流速都是恒定的，對于一定尺寸的油管和液體類型，(pLH+pLF)是恒定的。

(3)最大井口套壓由式(2)計算：

pcmax=[(At+Aa)/Aa]×Pcmin

(2)

式中：pcmax—最大井口套壓(通常取油井開井時的套壓)，MPa；

At—油管截面積，m2；

Aa—環(huán)空面積，m2。

(4)關井時間由式(3)，開井時間由式(4)計算：

tdl=(Hz-Hf)/Vfl

(3)

tup=Hz/Vr

(4)

式中：tdl—柱塞在液體中的下落時間，min；

tup—柱塞上行時間，min；

Hz—井下限位器位置，m；

Hf—關井時液面恢復深度，m；

Vfl—柱塞在液體中的下落速度，m/min，經(jīng)驗值 15～40 m/min；

Vr—柱塞平均上升速度，m/min，經(jīng)驗值 150～300 m/min。

2.2 柱塞氣舉示范區(qū)選取

結(jié)合柱塞氣舉適用條件，綜合對比神木氣田各集氣站，發(fā)現(xiàn)神木氣田X1、X2集氣站投產(chǎn)時間較早、目前平均套壓和井均產(chǎn)液較少，且積液井數(shù)較多，同時結(jié)合地理位置，為了便于后期統(tǒng)一管理,綜合考慮，優(yōu)先選取X1、X2集氣站作為柱塞氣舉示范區(qū)建設如表2所示。柱塞氣舉示范區(qū)選井原則：氣量0.2×104～2×104m3/d，套壓2～10 MPa；適時泡排或周期泡排井；泡排效果不明顯井；井筒內(nèi)徑一致，且光滑通暢；非速度管柱、同步回轉(zhuǎn)措施井；非水淹停產(chǎn)井。

表2 柱塞氣舉示范區(qū)氣井生產(chǎn)情況統(tǒng)計表

2.3 地面集輸系統(tǒng)可行性分析

X1、X2集氣站建設柱塞氣舉示范區(qū)前日均產(chǎn)氣130×104～150×104m3，日均產(chǎn)水20～40 m3，預測柱塞示范區(qū)建成后日產(chǎn)氣在160×104m3以上，日均產(chǎn)水50 m3以上。通過核算主要設備處理能力及干管集氣能力，表明集輸系統(tǒng)能滿足示范區(qū)建成后的運行要求。

2.4 柱塞氣舉運行制度優(yōu)化

柱塞氣舉示范區(qū)共投運柱塞氣舉氣井136口，其中X1集氣站63口，X2集氣站73口，分別占措施井數(shù)的62%和67%。通過柱塞氣舉參數(shù)設計，建立四種運行制度，分別為定時、壓力微升、壓力回升和壓力跌落模式[15]。根據(jù)氣井生產(chǎn)狀態(tài)，通過對比分析，柱塞氣舉示范區(qū)主要適用的運行制度為定時和壓力微升兩種模式。對于積液相對較少的氣井，由于柱塞周期舉升液量相對較少，舉升后壓力變化不明顯，若采用壓力微升模式極易導致氣井錯過最佳開關時機，使氣井積液加重，因此定時模式優(yōu)于壓力微升模式。136口柱塞氣井中，定時開關氣井128口，壓力微升氣井8口。

但是，定時模式是通過調(diào)整開關井時間，難以確定最佳開關井時間，為避免開關井時間過長或過短，進一步提高柱塞運行效率，試驗開井時機以關井過程中套壓回升速率達到某個值為開井時機，關井時機以開井過程中套壓回升速率為達到某個值為關井時機。結(jié)合柱塞氣井生產(chǎn)動態(tài)特征，制定開井以套壓回升速率0.1 MPa/h、0.2 MPa/h、0.3 MPa/h為時機，關井以套壓回升速率0.1 MPa/h、0.15 MPa/h、0.2 MPa/h為時機，對比產(chǎn)氣量，得出以下三種運行效果良好的制度：

(1)當氣井產(chǎn)量≥1×104m3/d時，開井以關井過程套壓回升速率0.2 MPa/h為時機，關井以開井過程套壓回升速率0.15 MPa/h為時機。

(2)當0.5×104m3/d≤氣井產(chǎn)量<1×104m3/d時，開井以關井過程套壓回升速率0.2 MPa/h為時機，關井以開井過程套壓回升速率達0.1 MPa/h為時機。

(3)當氣井產(chǎn)量<0.5×104m3/d時，開井以關井過程套壓回升速率0.1 MPa/h為時機，關井以開井過程套壓回升速率0.1 MPa/h為時機。

3 推廣應用效果評價

(1)增產(chǎn)效果。柱塞氣舉示范區(qū)共投運柱塞氣井136口，示范區(qū)建設后井均產(chǎn)氣量0.77×104m3/d，較建設前提高0.15×104m3/d，當年累計增產(chǎn)5 692×104m3/d，產(chǎn)量遞減率由措施前的18.8%降到17.7%。柱塞氣井在單井產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)能力等方面均優(yōu)于非柱塞氣井。

(2)壓力分析。柱塞氣舉示范區(qū)建設后平均套壓較建設前降低1.3 MPa，相比建設前降幅增加1 MPa。其中，單井產(chǎn)量在0.5×104m3/d以上的氣井套壓降低較明顯。

(3)排液效果。與在未投新井，且開井數(shù)相近，泡沫排水措施量減少的情況下，同期對比，X1、X2集氣站產(chǎn)液量分別增加9 m3/d和6 m3/d，液氣比分別提高0.06 m3/104m3和0.05 m3/104m3。

(4)經(jīng)濟效益。柱塞氣舉單井成本15萬元/井，柱塞氣舉示范區(qū)136口柱塞氣井總共投入成本2 040萬元。截止目前，136口柱塞氣舉累計增產(chǎn)10 189×104m3，創(chuàng)造經(jīng)濟價值10 189萬元，減少泡排20 896井次，節(jié)約731萬元，投入產(chǎn)出比1∶5.4。隨著投運時間的延長，經(jīng)濟效益會進一步凸顯。

(5)穩(wěn)定性評價。柱塞示氣舉范區(qū)136口柱塞氣井，累計運行25 320 d，運行時率為98%，累計出現(xiàn)故障54次，整體運行平穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)柱塞氣舉工藝適用于產(chǎn)量為0.2×104～2×104m3/d,壓力為2～10 MPa的氣井，適用范圍廣，既能高效排水，也可實現(xiàn)氣井智能間歇生產(chǎn)，且有效期長，投入產(chǎn)出比高，可規(guī)模推廣應用。

(2)柱塞運行制度在定時模式基礎上，提出開、關井時機以套壓回升速率為時機的三種運行制度，效果良好，可為柱塞氣舉運行制度自動優(yōu)化技術提供依據(jù)。

(3)柱塞氣舉示范區(qū)適合于投產(chǎn)時間較早、氣井產(chǎn)液且分布較集中、集輸系統(tǒng)可行的氣區(qū)。神木氣田柱塞示范區(qū)建設取得良好成效，對柱塞氣舉工藝規(guī)模應用具有指導意義。同時，隨著柱塞氣舉工藝應用規(guī)模的擴大，柱塞運行制度智能優(yōu)化調(diào)整技術將成為未來主要的研究方向。