陳叔陽(yáng),李龍龍,鄧?yán)?/p>
(1.中石化西北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,新疆 烏魯木齊 830011;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)石油工程系中深部流體滲流實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)
氣藏、凝析氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中,井筒積液導(dǎo)致井底流壓上升,生產(chǎn)壓差減小致使井筒附近出現(xiàn)水鎖現(xiàn)象,氣井減產(chǎn)甚至水淹停噴,是影響提高氣藏采收率的主要生產(chǎn)矛盾。及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)井筒積液時(shí)間,為實(shí)施井筒排液措施提供依據(jù),對(duì)延長(zhǎng)氣井生產(chǎn)時(shí)間、提高氣井采收率至關(guān)重要。井筒積液判別方法分為3大類,即:基于液滴模型或液膜模型氣井?dāng)y液理論模型計(jì)算方法、基于礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析間接判別方法和基于井場(chǎng)測(cè)試的直接判別法。
液滴模型或液膜模型氣井?dāng)y液理論模型所需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料少、成本低,但不論是以Turner、李閩為代表的液滴模型[1-2],還是Wallis、Barnea、Belfroid等、Gao、Luo等提出的液膜模型[3-7],計(jì)算模型的選擇和適用性一直是困擾其使用的最大難題。礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析間接判別方法充分利用了氣井日常測(cè)試資料,通過(guò)氣井產(chǎn)量、井口油套壓、凝析水量及試井曲線等資料判別氣井是否積液。但該方法的使用通常需豐富現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)跟蹤和方法適用性限制,判別結(jié)果受多方面因素影響,通常在井筒明顯積液后才會(huì)有明顯響應(yīng),即“后知后覺(jué)”,常作為井筒積液輔助判別方法使用。在眾多礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析間接判別方法中,產(chǎn)量變化經(jīng)驗(yàn)判斷法以井口短期內(nèi)產(chǎn)量出現(xiàn)異常波動(dòng)為依據(jù)[8-9],可用于多數(shù)氣井接液判別,但井口產(chǎn)量異常波動(dòng)往往是多因素共同作用結(jié)果,單純依靠短期內(nèi)產(chǎn)量異常波動(dòng)判斷井筒是否積液準(zhǔn)確率較低。井口油套壓判斷法通過(guò)比較井口油壓與套壓間的差異變化判斷井筒是否積液[9-11],但僅適用于沒(méi)有井下封隔器的氣井。凝析水量計(jì)算判別法(也稱節(jié)點(diǎn)分析法)通過(guò)理論計(jì)算凝析水量與氣井實(shí)際產(chǎn)水量對(duì)比判斷氣井是否積液[9],該方法只用于生產(chǎn)初期無(wú)自由水產(chǎn)出的氣井,即在生產(chǎn)初期氣井產(chǎn)氣量低(儲(chǔ)層物性差、儲(chǔ)量豐度低等因素造成),但含較高凝析水氣藏。試井曲線分析法通過(guò)分析氣井穩(wěn)定試井曲線是否異常判斷井筒積液[9-10,12-13],其受試井資料獲取限制,同時(shí),試井結(jié)果影響因素多,判別結(jié)果準(zhǔn)確率不高。井場(chǎng)測(cè)試的直接判別法以氣井壓力梯度測(cè)試為代表[8-10],可關(guān)井或開(kāi)井測(cè)試,對(duì)氣井產(chǎn)量影響小、測(cè)試成本相對(duì)較低,在大氣田中廣泛使用。井場(chǎng)測(cè)試直接判別法是通過(guò)壓力梯度直接反映井筒內(nèi)不同深度的氣液組合,由于測(cè)試數(shù)據(jù)直觀易懂,在油田實(shí)際工作中常利用經(jīng)驗(yàn)給出大致井筒積液與否判別結(jié)果,但缺少相應(yīng)理論分析。前人認(rèn)為,當(dāng)壓力梯度出現(xiàn)波動(dòng),井筒開(kāi)始積液,但未給出壓力梯度達(dá)多少會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。此外,在凝析氣藏開(kāi)發(fā)中,隨井筒內(nèi)深度變淺,流體壓力下降過(guò)程中出現(xiàn)的反凝析(特別是在高凝析油含量的氣藏中,反凝析對(duì)壓力梯度的影響要遠(yuǎn)高于凝析水的影響),同樣會(huì)導(dǎo)致壓力梯度曲線的波動(dòng),出現(xiàn)氣井積液判別的失誤。
S3白堊系巴什基奇克組氣藏儲(chǔ)層以中粒長(zhǎng)石巖屑砂巖為主,平均孔隙度14.3%、滲透率108×10-3μm2;原始地層壓力56.1 MPa,露點(diǎn)壓力44.2 MPa,凝析油含量300~350 g/m3,為中孔、中滲、無(wú)油環(huán)、中等凝析油含量的斷背斜底水砂巖凝析氣藏。氣藏壓力系數(shù)1.11,地層溫度143℃,地溫梯度2.83℃/100 m,屬正常溫壓系統(tǒng)。
S3凝析氣藏一套開(kāi)發(fā)層系,利用天然能量衰竭式開(kāi)發(fā),2007年1月1日投產(chǎn)。截止2012年12月28日,S3井區(qū)有開(kāi)發(fā)井7口,開(kāi)井3口,目前累產(chǎn)天然氣4.71×108m3,累產(chǎn)凝析油15.91×104t,天然氣采出程度22.39%,凝析油采出程度25.72%。生產(chǎn)井中,除S3-2H井處于低含水階段(2.97%),其余各井均處于中含水階段,預(yù)測(cè)S3井區(qū)各井是否積液,對(duì)下一步措施作業(yè)、延長(zhǎng)單井采收率刻不容緩。
凝析氣井生產(chǎn)過(guò)程中,隨井筒溫壓降低,井筒內(nèi)由單一氣相轉(zhuǎn)變?yōu)闅馑畠上嗷蛴蜌馑?,?fù)雜的油氣水相態(tài)分布與流態(tài)變化導(dǎo)致氣攜液計(jì)算模型不再適用[4-19]。壓力梯度是油氣水混合密度的體現(xiàn),由于氣相與油、水密度差異大,當(dāng)氣井開(kāi)始有液態(tài)水或油產(chǎn)出時(shí),壓力梯度會(huì)出現(xiàn)較靈敏感應(yīng),進(jìn)而分析井筒內(nèi)不同深度處的氣液組合。
由氣體狀態(tài)方程可知:
壓力P1、溫度T1時(shí):
壓力P2、溫度T2時(shí):
當(dāng)n1=n2時(shí),由(1)、(2)式得到不同狀態(tài)條件下氣體體積變化關(guān)系:
由質(zhì)量守恒方程可知:
結(jié)合(3)、(4)式可得:
井筒任一深度處,不論是氣-液滴、氣-液膜還是氣-液滴-液膜組合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[1,7],當(dāng)處于完全靜置狀態(tài)時(shí),由于油水不互溶特性和重力分異作用,水油氣自下而上分層分布。對(duì)于相同氣液組合,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生的壓力梯度相同。
圖1 井深H處壓力等效示意圖Fig.1 Equivalent schematic diagram of well pressure at the depth of H
假設(shè)井筒深度H處(P3、T3)壓力梯度為Pgrad,該段氣、油、水3相完全分離時(shí),油、水柱高度分別為h1、h2,氣體高度為100-h1-h2(圖1)。該深度處壓力梯度可表示為:
當(dāng)忽略油氣間溶解度、油水體積變化時(shí),深度H處的混相流體被產(chǎn)出地面,基于式(5),地面計(jì)量得到氣水比(GWR)可表示為:
式中:
同理,地面計(jì)量得到的油水比(OWR)可表示為:
聯(lián)解(6)、(7)、(8)式,井筒深度H處(P3、T3)對(duì)應(yīng)壓力梯度可表示為:
只存在氣水兩相時(shí),上述公式可簡(jiǎn)化為:
其中:P1、P2——壓力,MPa;T1、T2——溫度,K;Z1、Z2——?dú)怏w體積偏差系數(shù);ρ水、ρ油、ρ氣——(水、油、氣)密度,kg/m3;H——壓力梯度測(cè)試段深度,m;Pgrad——壓力梯度。
臨界壓力梯度是井筒最大攜液能力時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力梯度。對(duì)一般生產(chǎn)氣井,井筒內(nèi)氣攜液過(guò)程中,越靠近進(jìn)口,流體壓力越低,氣液流速越大,氣液間速度差也越大,從而越容易達(dá)到攜液上限,當(dāng)氣井井口附近壓力梯度達(dá)到臨界壓力梯度后,臨界壓力梯度向井底方向傳遞。
對(duì)比研究區(qū)S3井區(qū)測(cè)試的132條壓力梯度曲線,與上述結(jié)論一致,即臨界壓力梯度出現(xiàn)在井底部位,因此,井筒臨界壓力梯度計(jì)算應(yīng)以井底條件為標(biāo)準(zhǔn)。S3井區(qū)計(jì)算參數(shù):井底至井口垂深5 000 m,依據(jù)流壓測(cè)試結(jié)果,在用壓力梯度經(jīng)驗(yàn)法判斷井筒明顯積液后井底流壓約35 MPa,井底溫度約414.15 K,對(duì)應(yīng)氣體偏差系數(shù)0.78。由礦場(chǎng)測(cè)試,井口壓力3.3 MPa、井口溫度284.2 K時(shí),對(duì)應(yīng)氣體偏差系數(shù)0.896 5,氣體密度30.3745 kg/m3,凝析油密度793 kg/m3,地層水密度1 072 kg/m3。以井底發(fā)生相變?yōu)榉e液臨界條件,據(jù)公式(9)即可計(jì)算出不同油水比(地面測(cè)量結(jié)果)對(duì)應(yīng)條件下井筒內(nèi)的臨界壓力梯度(表1),其分布范圍為0.21~0.41 MPa/100 m。
S3井區(qū)S3-1、S3-3H、S3-7H井分別于2012年10月16日、2009年3月9日、2012年2月4日停噴關(guān)井,各井停噴前生產(chǎn)穩(wěn)定,代表了不同井類型、氣藏不同部位氣井的生產(chǎn)狀況,且各井壓力梯度測(cè)試資料齊全(北京華油油氣技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司測(cè)試),可用于驗(yàn)證理論模型適用性評(píng)價(jià)。為提高判別結(jié)果的可靠性,在壓力梯度分析的同時(shí),輔助以生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線分析判斷。
S3-1井為研究區(qū)構(gòu)造高部位直井,2007年1月投產(chǎn),2010年6月停噴關(guān)井,2012年2月17日氣舉輔助排液成功復(fù)產(chǎn)。該井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線顯示(圖2),2012年6月2日起(粉色線標(biāo)注),工作制度不變,產(chǎn)氣量開(kāi)始快速下降,產(chǎn)水迅速上升,產(chǎn)油量穩(wěn)定,產(chǎn)量變化經(jīng)驗(yàn)法判斷S3-1井開(kāi)始積液。
S3-1井井筒明顯積液后產(chǎn)出OWR為0.33,按理論推導(dǎo)公式計(jì)算該井的臨界壓力梯度為0.346 5 MPa/100 m。2012年2月17日開(kāi)井前,該井井筒積液液面位于井深2 400 m附近(長(zhǎng)時(shí)間靜置導(dǎo)致氣液分離),復(fù)產(chǎn)成功當(dāng)天測(cè)試結(jié)果顯示,壓力梯度大于臨界壓力梯度(圖3),井筒內(nèi)仍存在積液。2012年4月2日壓力梯度測(cè)試顯示,曲線底部存在波動(dòng),但均低于臨界壓力梯度,井筒積液被完全排出,曲線波動(dòng)可能與井筒內(nèi)反凝析有關(guān)。2012年10月15日壓力梯度測(cè)試顯示,曲線波動(dòng)大,曲線井底部分明顯超過(guò)臨界壓力梯度,而曲線中上部(240 0 m以上)測(cè)試壓力梯度小于0.1,井筒積液明顯且接近停噴。臨界壓力梯度判斷井筒積液情況與動(dòng)態(tài)經(jīng)驗(yàn)法判斷結(jié)果一致。
表1 S3井區(qū)不同油水比與臨界壓力梯度關(guān)系表Table 1 Different oil-water ratio and critical pressure gradient relational table in the S3 well area
S3-3H井是位于本區(qū)構(gòu)造邊部的水平井,鉆井過(guò)程中水平段穿越一小斷層并回填封堵,2007年8月投產(chǎn),2009年3月8日停噴,后多次氣舉輔助排液復(fù)產(chǎn)均失敗。該井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線顯示(圖4),2008年12月起,該井工作制度不變,產(chǎn)氣量穩(wěn)定,產(chǎn)油量下降,產(chǎn)水量快速上升,2009年3月8日高產(chǎn)氣停噴,反映該井為暴性水淹,由產(chǎn)量變化經(jīng)驗(yàn)法分析,S3-3H井2008年12月前后開(kāi)始積液。
圖2 S3-1井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線Fig.2 Production dynamic curve of S3-1 well
圖3 S3-1井不同時(shí)期壓力梯度曲線Fig.3 The pressure gradient curve in different periods of S3-1 well
圖4 S3-3H井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線Fig.4 Production dynamic curve of S3-3H well
S3-3H井井筒明顯積液后產(chǎn)出OWR為0.25,按理論推導(dǎo)公式計(jì)算該井的臨界壓力梯度為0.3574MPa/100m。2008年10月21日前壓力梯度測(cè)試顯示(圖5),曲線波動(dòng)明顯且部分壓力梯度接近臨界壓力梯度,但井底壓力梯度明顯低于臨界壓力梯度,井筒未積液,與2008年6月21日壓力梯度測(cè)試結(jié)果比較,曲線同樣出現(xiàn)波動(dòng)但始終低于臨界壓力梯度,井筒內(nèi)反凝析導(dǎo)致該變化。2009年1月11日壓力梯度曲線在臨界壓力梯度線上波動(dòng),井筒內(nèi)出現(xiàn)積液,該時(shí)間節(jié)點(diǎn)與動(dòng)態(tài)經(jīng)驗(yàn)法判斷結(jié)果一致。
S3-7H井是位于研究區(qū)構(gòu)造中部的水平井,2007年9月投產(chǎn),2012年2月停噴關(guān)井,2011年8月、2011年10月實(shí)施針閥排液措施。生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線分析顯示(圖6),2011年4月,工作制度不變,該井產(chǎn)氣量快速下降,產(chǎn)油量波動(dòng)下降,2011年7月,產(chǎn)氣量降低的同時(shí)產(chǎn)水量快速上升,產(chǎn)量變化經(jīng)驗(yàn)法判斷S3-7H井2011年7月前后開(kāi)始積液。
S3-7H井井筒明顯積液后產(chǎn)出OWR為0.3,按理論臨界壓力梯度模型計(jì)算,該井臨界壓力梯度為0.350 4 MPa/100m。2011年7月14日壓力梯度測(cè)試結(jié)果顯示(圖7),壓力梯度曲線整體接近臨界壓力梯度,在沒(méi)有工程干預(yù)前提下,預(yù)示井筒隨時(shí)可能積液。2011年8月和10月,有人為措施輔助,2011年9月6日壓力梯度曲線高于臨界壓力梯度值,井筒中下部明顯積液。臨界壓力梯度模型判別該井井筒積液時(shí)間為2011年7~8月,與動(dòng)態(tài)經(jīng)驗(yàn)法判別結(jié)果一致。
研究區(qū)不同構(gòu)造位置、不同井型及見(jiàn)水類型氣井證明使用本次臨界壓力梯度模型判斷井筒積液是準(zhǔn)確有效的。在臨界壓力梯度模型應(yīng)用時(shí),通過(guò)井口測(cè)量得到的油水比等參數(shù)計(jì)算該時(shí)期的臨界壓力梯度,并與壓力梯度曲線進(jìn)行比較,只有各深度段壓力梯度達(dá)到臨界壓力梯度附近時(shí),預(yù)示井筒隨時(shí)或即將出現(xiàn)積液。
圖5 S3-3H井不同時(shí)期壓力梯度曲線Fig.5 The pressure gradient curve in different periods of S3-3 well
圖6 S3-7H井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線Fig.6 Production dynamic curve of S3-7H well
圖7 S3-7H井不同時(shí)期壓力梯度曲線Fig.7 The pressure gradient curve in different periods of S3-7 well
(1)前人計(jì)算了氣井純氣相狀態(tài)下最大重度(即純氣相最大壓力梯度),本文提出“臨界壓力梯度”,并從理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn)入手,得出油、氣、水3相共存條件下臨界壓力梯度理論計(jì)算模型。
(2)前人認(rèn)為當(dāng)壓力梯度出現(xiàn)波動(dòng)后,可判斷井筒開(kāi)始積液。本文從理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)試資料分析,對(duì)于凝析氣藏,當(dāng)井口壓力低于露點(diǎn)壓力時(shí),反凝析也可導(dǎo)致壓力梯度波動(dòng),該階段并未形成井筒積液。
(3)由研究區(qū)不同構(gòu)造、不同井型、不同見(jiàn)水類型氣井實(shí)際生產(chǎn)資料驗(yàn)證本文推導(dǎo)的臨界壓力梯度模型,使用臨界壓力梯度模型判斷井筒積液結(jié)果與動(dòng)態(tài)經(jīng)驗(yàn)法判斷結(jié)果一致,本文臨界壓力梯度模型具較好適用性。
(4)通過(guò)井口測(cè)量氣水比、井底溫壓、流體密度等性質(zhì)參數(shù)可得到對(duì)應(yīng)條件下臨界壓力梯度,與實(shí)測(cè)壓力梯度曲線對(duì)比,可準(zhǔn)確判斷井筒積液與否。模型參數(shù)獲取容易,計(jì)算簡(jiǎn)單方便。
(5)本文臨界壓力梯度公式推導(dǎo)過(guò)程中,未考慮油氣間隨壓力變化的溶解度變化,因此,上述公式適用于判斷低油水比條件下的井筒積液,而在高油水比氣井生產(chǎn)中,本公式尚不適用。
[1]TURNER R.G,HUBBARD M.G,DUKLER A.E.Analysis and Prediction of Minimum Flow Rate for the Continuous Removal of Liquids from Gas Wells[J].published in JPT,1969,45-48.
[2]LI Min,SUN Lei,LI Shilun.New view on continuous removal liquids from gas wells[J].SPE Production&Facilities,2002,17(1):42-46.
[3]Wallis G B.One-dimensional two-phase flow[J].Multiph.Flow,1969,1-2,97-112.
[4]Barnea,D.A uni fi ed model for predicting fl owpattern transitions for thewhole range of pipe inclinations[J].Multiph.Flow,1987,13(1),1-12.
[5]Belfroid,S.P.C.,Schiferli,W.,Alberts,G.J.N.,Veeken,C.A.M.,Biezen,E.,2008.Pre-diction onset and dynamic behaviour of liquid loading gas wells.In:Pro-ceedings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Society ofPetroleum Engineers,Denver,Colorado,USA.September 21-24.
[6]Gao,S.,2012.Experimental Study and Application of Critical Liquid Carrying GasRate in Directional Gas Wells.MSE Thesis.Southwest Petroleum University,Cheng Du,Sichuan Province,China.
[7]Luo S,Kelkar M,Pereyra E,et al.A New Comprehensive Model for Predicting Liquid Loading in Gas Wells[J].Spe Production&Operations,2014,29(4):337-349.
[8]劉志森.塔河凝析氣井井筒積液判斷標(biāo)準(zhǔn)[J].斷塊油氣田,2009,3(16):68-70.
[9]張大椿,劉曉,李遠(yuǎn)亮.凝析氣藏井筒積液的診斷及排除方法綜述[J].特種油氣藏,2009,3(16):10-16.
[10]李曉平.淺談判別氣井井底積液的幾種方法[J].鉆采工藝,1992,2(15):41-44.
[11]秦濤,柴小穎,毛鳳華,等.澀北一號(hào)氣田井筒積液診斷模式及判斷[J].青海石油,2012(2):51-55.
[12]林加恩,梁繼德,張奇斌,等.一種新的井筒積液氣井試井分析方法[J].天然氣工業(yè),2006,26(12):406-408.
[13]傅玉,黃全華,陳家曉.考慮井筒積液的凝析氣井試井分析[J].油氣井測(cè)試,2008,17(1):1-3,8.
[14]鐘太賢,袁士義,胡永樂(lè),等.凝析氣流體的復(fù)雜相態(tài)[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2004,31(2):000125-127.
[15]李繼強(qiáng).橋口凝析氣藏流體相態(tài)特征[J].內(nèi)蒙古石油化工,2009(17):58-59.
[16]先小洪.異常高壓凝析氣藏相態(tài)特征實(shí)驗(yàn)研究[D].西南石油大學(xué),2010.
[17]楊肖曦,董斌,李新勇,等.塔河油田超深自噴井流態(tài)特征分析[J].油氣地質(zhì)與采收率,2006,13(5):66-68.
[18]劉淼,劉琦,高飛,等.井筒特殊流態(tài)對(duì)氣井積液影響的新認(rèn)識(shí)[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā),2009,28(1):93-97.
[19]高慶華,李天太,趙亞杰,等.井筒氣液兩相流流動(dòng)特性模擬試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2014(14):84-87.