于 洋 尹 強(qiáng) 葉長(zhǎng)青 陳 滿 陳 超 王威林 周 瑋 向 毅

1. 中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院, 四川 成都 610017;2. 中國(guó)石油西南油氣田公司四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司, 四川 成都 610056;3. 中國(guó)石油西南油氣田公司川東北氣礦, 四川 達(dá)州 635000

0 前言

2019年前，川渝頁(yè)巖氣井主要以“放壓放產(chǎn)”為主,生產(chǎn)初期產(chǎn)氣量高、產(chǎn)水量大,投產(chǎn)約半年后產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和井口壓力與投產(chǎn)初期相比降幅較大。早期生產(chǎn)壓差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致壓裂縫內(nèi)支撐劑回流和重新分布,造成裂縫失效或局部裂縫導(dǎo)流能力損失等不可逆的儲(chǔ)層傷害。實(shí)施精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)可保持地層能量,最大限度提高單井預(yù)測(cè)最終可采儲(chǔ)量(Estimated Ultimate Recovery,EUR),實(shí)現(xiàn)氣井長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)[1-6]。但由于頁(yè)巖氣井規(guī)模大、井?dāng)?shù)多,若采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度,存在人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題,且因距離、天氣等原因無(wú)法及時(shí)控制閥門開度,很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制,如何實(shí)現(xiàn)精細(xì)控壓是川渝頁(yè)巖氣井實(shí)施控壓生產(chǎn)亟待解決的問(wèn)題。

北美海恩斯維爾(Haynesville)頁(yè)巖氣井2019年開始廣泛安裝籠套式電動(dòng)節(jié)流閥對(duì)生產(chǎn)井進(jìn)行控壓生產(chǎn),通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開度小的生產(chǎn)井初始產(chǎn)氣量遞減率更低,3年累計(jì)產(chǎn)氣量較開度大的生產(chǎn)井增加30%以上。北美鷹灘(Eagle Ford)、尤蒂卡(Utica)頁(yè)巖氣井應(yīng)用了CAM20-MT籠套式電動(dòng)節(jié)流閥,其具有耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn),可達(dá)到降低儲(chǔ)層傷害、防止水合物形成的目的。

借鑒北美頁(yè)巖氣井控壓生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn),針對(duì)川渝頁(yè)巖氣井提出將壓降速率控制在0.1 MPa/d以內(nèi),采用“一級(jí)固定油嘴+二級(jí)籠套式節(jié)流閥”地面流程(一級(jí)用于降壓,二級(jí)用于調(diào)整)的精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)性試驗(yàn)方案。通過(guò)在川渝頁(yè)巖氣井現(xiàn)場(chǎng)開展先導(dǎo)性試驗(yàn),從裝置、現(xiàn)場(chǎng)管理、生產(chǎn)效果等方面驗(yàn)證了精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)的適用性,對(duì)于實(shí)現(xiàn)川渝頁(yè)巖氣井的高效開發(fā)、提高EUR具有借鑒意義[7-9]。

1 精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

采用“一級(jí)固定油嘴+二級(jí)籠套式節(jié)流閥”地面流程,優(yōu)選寧209H49平臺(tái)地質(zhì)條件和改造情況相似的2口氣井開展不同生產(chǎn)制度的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn),實(shí)時(shí)采集氣井穩(wěn)定生產(chǎn)3個(gè)月以上的生產(chǎn)數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)在川渝頁(yè)巖氣井的適用性。

1.2 控壓關(guān)鍵裝置

控壓關(guān)鍵裝置主要包括硬件和軟件兩部分。節(jié)流閥、執(zhí)行器和控制器屬于硬件部分,智能分析平臺(tái)為軟件部分。

1.2.1 節(jié)流閥

在氣井開采過(guò)程中,需把井下氣體壓力降至輸送管道允許壓力值。節(jié)流閥作為關(guān)鍵調(diào)節(jié)裝置，具有控制井口壓力和控制流量的主要功能,結(jié)構(gòu)形式分為固定油嘴、針閥和籠套式節(jié)流閥等[10-15]。

1.2.1.1 固定油嘴

固定油嘴通過(guò)改變孔徑的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和流量的控制。該種節(jié)流閥可承受較高的壓力,具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但需手動(dòng)更換,效率低、精度差、不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

1.2.1.2 針閥

針閥通過(guò)圓錐流線型啟閉件與閥桿的活動(dòng)改變過(guò)流面積來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和流量的控制。該種節(jié)流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有良好的密封性和過(guò)流能力,但流量曲線線性關(guān)系差,調(diào)節(jié)不穩(wěn)定。

1.2.1.3 籠套式節(jié)流閥

籠套式節(jié)流閥通過(guò)滑套在籠套上滑動(dòng)產(chǎn)生不同的過(guò)流面積來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力與流量的控制。該種節(jié)流閥結(jié)構(gòu)具有抗高壓和高溫、噪聲小、流量曲線線性關(guān)系好的優(yōu)點(diǎn),在采氣生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。籠套式節(jié)流閥結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 籠套式節(jié)流閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of sleeve choke

由于頁(yè)巖氣井生產(chǎn)初期壓力高(50～60 MPa)、出砂，對(duì)控制精度的要求高,推薦采用籠套式節(jié)流閥,壓力等級(jí)70 MPa,閥體本體和閥蓋的材質(zhì)為合金鋼,閥芯為不銹鋼,閥芯鑲嵌碳化鎢,能更好地適應(yīng)頁(yè)巖氣井含砂重的惡劣工況,防止節(jié)流閥內(nèi)部發(fā)生沖蝕,保證節(jié)流閥的使用性能和壽命[16-20]。

1.2.2 執(zhí)行器

執(zhí)行器通過(guò)智能分析平臺(tái)遠(yuǎn)程控制、控制器就地控制、就地手動(dòng)控制等三種方式對(duì)籠套式節(jié)流閥的開度進(jìn)行設(shè)置。執(zhí)行器要求能夠達(dá)到1%的控制精度,技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 執(zhí)行器技術(shù)參數(shù)表

1.2.3 控制器

控制器可通過(guò)智能分析平臺(tái)實(shí)時(shí)采集井口數(shù)據(jù),對(duì)比氣井壓力實(shí)時(shí)下降值與設(shè)置壓降邊界的關(guān)系,按生產(chǎn)要求做出判斷并將判斷結(jié)果輸出至執(zhí)行器,對(duì)閥門開度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),達(dá)到精細(xì)控壓生產(chǎn)的目的?？刂破鳜F(xiàn)場(chǎng)地面安裝見圖2。

圖2 控制器現(xiàn)場(chǎng)地面安裝圖Fig.2 Controller site ground installation drawing

1.2.4 智能分析平臺(tái)

智能分析平臺(tái)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、油嘴尺寸模擬計(jì)算、水合物生成預(yù)測(cè)、EUR預(yù)測(cè)等功能。智能分析平臺(tái)控制邏輯見圖3。

圖3 智能分析平臺(tái)控制邏輯圖Fig.3 Flowchart of intelligent analysis platform control logic

2 精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 寧209H49平臺(tái)基本情況

寧209H49平臺(tái)目的層位于龍馬溪組,平臺(tái)共有4口井,于2020年10月投產(chǎn),投產(chǎn)時(shí)井口壓力20～30 MPa,選取2口井開展不同生產(chǎn)制度的對(duì)比試驗(yàn)。寧209H49-A井為套管加12 mm固定油嘴放壓生產(chǎn)。寧209H49-B井為油管精細(xì)控壓生產(chǎn),采用3 mm固定油嘴,逐步增大至7 mm,投產(chǎn)30 d后下入油管,投產(chǎn)60 d后采用 7 mm 一級(jí)固定油嘴+二級(jí)籠套式節(jié)流閥進(jìn)行精細(xì)控壓生產(chǎn),根據(jù)氣藏工程要求,當(dāng)井口壓力大于20 MPa時(shí),壓降邊界設(shè)置為0.07～0.1 MPa/d;當(dāng)井口壓力為10～20 MPa時(shí),壓降邊界設(shè)置為0.03～0.07 MPa/d;當(dāng)井口壓力小于等于10 MPa時(shí),壓降邊界設(shè)置為0.01～0.03 MPa/d。試驗(yàn)井基本參數(shù)對(duì)比見表2。

表2 試驗(yàn)井基本參數(shù)對(duì)比表

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

2.2.1 控壓井控制邏輯

寧209H49-B井生產(chǎn)初期井口壓力大于20 MPa,壓降邊界設(shè)置為0.07～0.1 MPa/d。參照?qǐng)D3智能分析平臺(tái)控制邏輯,在生產(chǎn)初期對(duì)比生產(chǎn)前后兩天每小時(shí)的壓降和后一天籠套式節(jié)流閥開度變化數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：當(dāng)壓降高于0.1 MPa/d時(shí),籠套式節(jié)流閥開度在下一個(gè)小時(shí)減小;當(dāng)壓降低于0.07 MPa/d時(shí),籠套式節(jié)流閥開度在下一個(gè)小時(shí)增大；當(dāng)壓降在0.07～0.1 MPa/d之間時(shí),籠套式節(jié)流閥開度在下一個(gè)小時(shí)不變,可見控制器能按照設(shè)定的控壓井控制邏輯對(duì)籠套式節(jié)流閥開度進(jìn)行控制。

2.2.2 試驗(yàn)效果分析

統(tǒng)計(jì)自投產(chǎn)到生產(chǎn)180 d后壓力和產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量變化可知,寧209H49-A井能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的瞬時(shí)產(chǎn)氣量,最高達(dá)22×104m3/d,隨后產(chǎn)氣量快速下降,180 d后降至10.1×104m3/d,套壓自投產(chǎn)起急劇衰減,僅180 d從初始?jí)毫?2.27 MPa降至8.2 MPa(輸壓5.5 MPa),后期需采取增壓措施。寧209H49-B井壓力衰減緩慢,180 d后壓力降幅38%。試驗(yàn)井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比見表3，生產(chǎn)壓力曲線見圖4-a),日產(chǎn)量曲線見圖4-b)。

試驗(yàn)井每30 d平均壓降對(duì)比見表4。由表4可知,寧209H49-A井在投產(chǎn)第1個(gè)月壓力迅速下降,60 d后因井口壓力較低,每30 d平均壓降較低;寧209H49-B井可按照設(shè)定的壓降邊界進(jìn)行控壓生產(chǎn),籠套式電動(dòng)節(jié)流閥運(yùn)行正常,達(dá)到精細(xì)控壓生產(chǎn)的要求。

a)生產(chǎn)壓力曲線圖a)Production pressure curve

表4 試驗(yàn)井每30 d平均壓降對(duì)比表

針對(duì)頁(yè)巖氣控壓生產(chǎn)井,提出單位壓降產(chǎn)氣量參數(shù)作為評(píng)價(jià)控壓生產(chǎn)效果的依據(jù),因2口井水平段長(zhǎng)度不同，對(duì)比寧209H49-A井和寧209H49-B井在相同生產(chǎn)時(shí)間和相同累計(jì)產(chǎn)氣量的單位壓降折算產(chǎn)氣量。結(jié)果表明,相同生產(chǎn)時(shí)間寧209H49-B井單位壓降折算產(chǎn)氣量是寧209H49-A井單位壓降折算產(chǎn)氣量的1.3倍,見表5。對(duì)比寧209H49-A井和寧209H49-B井從投產(chǎn)到累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到2 000×104m3單位壓降產(chǎn)氣量,結(jié)果表明相同累計(jì)產(chǎn)氣量寧209H49-B井單位壓降折算產(chǎn)氣量是寧209H49-A井單位壓降折算產(chǎn)氣量的1.2倍,見表6。可見控壓生產(chǎn)井的生產(chǎn)效果優(yōu)于放壓生產(chǎn)井的生產(chǎn)效果,在單位壓降下能實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)氣量。

表5 生產(chǎn)180 d后單位壓降產(chǎn)氣量對(duì)比表

2口井的累計(jì)產(chǎn)氣量曲線見圖5-a)。累計(jì)產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)結(jié)果見圖5-b)。由圖5-a)可以看出,寧209H49-B井生產(chǎn)170 d后的累計(jì)產(chǎn)氣量超過(guò)寧209H49-A井的累計(jì)產(chǎn)氣量,試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了川渝頁(yè)巖氣井控壓生產(chǎn)的必要性和控壓裝置的可行性。由圖5-b)可知,寧209H49-B井相比寧209H49-A井預(yù)計(jì)可使累計(jì)產(chǎn)氣量增加30%。寧209H49-B井相較于寧209H49-A井EUR增加13%,可見精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)更有利于提高氣井產(chǎn)能,有效保護(hù)地層能量,實(shí)現(xiàn)氣井長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)。

a)累計(jì)產(chǎn)氣量曲線圖a)Cumulative gas production curve

2.2.3 川渝頁(yè)巖氣井精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)適用性

根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用效果可知,精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)試驗(yàn)方案在川渝頁(yè)巖氣井上具有較好的適用性。因此，初步形成了適用于川渝頁(yè)巖氣井的精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù):硬件部分采用籠套式電動(dòng)節(jié)流閥,具有抗高溫、高壓、耐沖蝕、控制精度高的優(yōu)點(diǎn),采用控制精度1%的執(zhí)行器和控制器配套;軟件部分采用智能分析平臺(tái);形成了“一級(jí)固定油嘴+二級(jí)籠套式節(jié)流閥”地面流程及有序的現(xiàn)場(chǎng)管理方式。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，提出精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)下一步需完善的內(nèi)容：還需在智能分析平臺(tái)的基礎(chǔ)上建立統(tǒng)一的川渝頁(yè)巖氣采氣工藝管理平臺(tái),與氣井生產(chǎn)后期工藝一體化考慮,進(jìn)一步完善智能分析平臺(tái)的功能;同時(shí)在智能分析平臺(tái)上增加水合物預(yù)測(cè)模塊,合理分配每一級(jí)節(jié)流壓降,確保每一級(jí)節(jié)流后地面不生成水合物,確保氣井安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

3 結(jié)論與建議

1)生產(chǎn)制度的優(yōu)化對(duì)川渝頁(yè)巖氣井生產(chǎn)效果影響顯著,采用“一級(jí)固定油嘴+二級(jí)籠套式節(jié)流閥”地面流程的精細(xì)控壓生產(chǎn)技術(shù)能達(dá)到精細(xì)控壓生產(chǎn)的目的,裝置運(yùn)行良好,井口壓力下降平穩(wěn),產(chǎn)氣量長(zhǎng)期保持穩(wěn)定,控壓生產(chǎn)能增加單位壓降產(chǎn)氣量,對(duì)提高單井EUR發(fā)揮積極作用。

2)建議進(jìn)一步開展控壓生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)研究,針對(duì)不同井設(shè)置不同地質(zhì)條件的壓降邊界范圍可達(dá)到精細(xì)控壓生產(chǎn)目的,采用地質(zhì)加井筒加地面三維一體化開發(fā)概念,形成適合川渝頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)制度。

3)建議遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控系統(tǒng)與川渝頁(yè)巖氣井生產(chǎn)后期各工藝一體化考慮,形成遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控系統(tǒng)平臺(tái)功能模塊多樣化的氣井智能管理方式,涵蓋川渝頁(yè)巖氣井生產(chǎn)的全生命周期。