張彥廷, 黃 崢, 張 晧, 徐敬玉, 王 林, 綦耀光, 袁 翔, 于楊楊

(1.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.上海昊姆節(jié)能科技有限公司,上海 200335;3.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,河南洛陽 471003)

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)是現(xiàn)階段利用地?zé)崮苓M(jìn)行發(fā)電的主要研究技術(shù)。該技術(shù)原理表現(xiàn)為:通過將換熱工質(zhì)進(jìn)行“注入-提取-換熱-再注入”的循環(huán)式作業(yè),實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)地?zé)釋訜嶂档奶崛〖袄肹1]。對于EGS關(guān)鍵技術(shù)的研究,國內(nèi)外已取得許多相應(yīng)成果[2-9]。但是從經(jīng)濟(jì)性角度考慮,Rutqvist等[10]通過對儲層進(jìn)行換熱模擬分析,得出換熱過程隨著作業(yè)時長增加,換熱區(qū)域存在一定的臨界邊界。從技術(shù)性角度考慮,同井筒同壓力體系下多儲層的合采作業(yè)生產(chǎn)中,由于各儲層進(jìn)井壓力差異顯著,復(fù)雜多變,生產(chǎn)中最大的問題是層間干擾現(xiàn)象,致使雖然開發(fā)模式為合采,但產(chǎn)量及效益甚至不如單采井,并且嚴(yán)重的干擾現(xiàn)象諸如儲層倒灌還會對地層造成永久傷害[11-13]。因此在EGS技術(shù)開發(fā)過程中,需要對工質(zhì)流量、壓力進(jìn)行調(diào)節(jié),優(yōu)化熱值生產(chǎn),一方面需要滿足在不同生產(chǎn)階段內(nèi)換熱儲層不發(fā)生井下干涉、倒灌等現(xiàn)象,另一方面需要實(shí)現(xiàn)整個EGS系統(tǒng)在其產(chǎn)量內(nèi)熱值利用最大化[14-15]。為此筆者結(jié)合井下解碼器等技術(shù),形成井下多層位換熱合采的EGS開發(fā)技術(shù),能夠控制各個換熱層的進(jìn)井油壓,可滿足整個管柱內(nèi)壓力體系相互兼容,避免生產(chǎn)中出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。并通過設(shè)置節(jié)點(diǎn),結(jié)合Beggs-Brill迭代法建立基于井下解碼器的EGS合采井筒壓力與產(chǎn)量模型,探究明解碼器技術(shù)中作業(yè)滑套的層位及閉合位移會對EGS合采系統(tǒng)內(nèi)壓力梯度變化及工質(zhì)產(chǎn)量產(chǎn)生影響。

1 基于井下解碼器EGS合采技術(shù)設(shè)計

1.1 EGS合采技術(shù)

同井筒同壓力體系下多儲層的合采作業(yè)生產(chǎn)中,由于各儲層進(jìn)井壓力差異顯著,復(fù)雜多變,生產(chǎn)中最大的問題是層間干擾現(xiàn)象,致使雖然開發(fā)模式為合采,但產(chǎn)量及效益甚至不如單采井,并且嚴(yán)重的干擾現(xiàn)象諸如儲層倒灌還會對地層造成永久傷害。

井下解碼器及配產(chǎn)器等技術(shù)均可作用在井下調(diào)壓過程中。其中配產(chǎn)器與分采器類似,通過增加壓力損耗,提高液體流速來調(diào)整井筒內(nèi)壓力,該技術(shù)用在調(diào)壓合采作業(yè)中會受到兩方面的限制:一方面此類技術(shù)只適用于初始調(diào)壓作業(yè),在后期的生產(chǎn)過程中,是無法對井下的配產(chǎn)器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的;另一方面,由于此類技術(shù)調(diào)控工藝較為簡單,因此只適用于層數(shù)較少(通常為兩層)的合采井適用開發(fā)[16]。

井下解碼器技術(shù)是由地面通過液壓管線向井下解碼器打入液壓,在控制對應(yīng)的液壓滑套開關(guān)后,再由液壓控制滑套位移來調(diào)整工質(zhì)進(jìn)入油管的入流面積,從而控制各個換熱層進(jìn)入油管的壓力,即可滿足整個油管內(nèi)壓力體系相互兼容,避免生產(chǎn)中出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。

1.2 解碼器設(shè)計

EGS地?zé)峋ǔ］^深、井下空間有限,避免由于管線過多導(dǎo)致管線在井下纏繞、堵塞等現(xiàn)象,采用三線路控制六層位的井下解碼器技術(shù)進(jìn)行EGS的合采作業(yè)。現(xiàn)階段三線路控制六層位的井下解碼器技術(shù)工藝過程大都較為復(fù)雜,針對EGS的合采要求,設(shè)計一套較為簡單的解碼器作業(yè)工藝,并附上相關(guān)液壓線路,其管線原理見圖1。

圖1中,井下每層位均有兩個順序的二位二通閥連接著作業(yè)滑套,其中二位二通閥左端為進(jìn)液控制端口,右端為復(fù)位端口,共同組成一個解碼器譯碼系統(tǒng),每層位上對應(yīng)的譯碼系統(tǒng)接口與三根液壓管線連接方式不同,形成層位譯碼,構(gòu)建整個井下解碼器組。

圖1 解碼器原理簡圖

解碼器設(shè)計為兩個順序的二位二通閥組合,選用閥的開啟壓力為低壓px,對應(yīng)滑套的開啟壓力為高壓pX,將3根液壓管線命名為管線a、b和c,上級二位二通閥為閥A,下級二位二通閥為閥B,三根管線a、b、c分別通過地面二級控壓系統(tǒng)進(jìn)行壓力控制,給定的滑套作業(yè)動力為一級作業(yè)力,解碼器所屬的二位二通閥開啟壓力為二級作業(yè)壓力,通過一級作業(yè)壓力大于二級作業(yè)壓力的設(shè)定,同時基于通壓順序的不同,實(shí)現(xiàn)三管線控制六層位的作業(yè)工藝。解碼器第一層滑套工序如下:

(1)第一層位滑套正向位移(井底方向)。對管線c進(jìn)行通壓,打開閥A(第一層位閥A表示為A1),對管線b進(jìn)行通壓,打開閥B,滑套向井底方向工作,到達(dá)規(guī)定級數(shù)后停止對管線c通壓,關(guān)閉閥A,滑套工作停止。

(2)第一層位滑套反向位移(井口方向)。分別對管線c、b先后通低壓px,打開閥A,B,后對管線a通入高壓pX,滑套向井口工作,到達(dá)規(guī)定級數(shù)后,先后停止對管線c、b通壓,關(guān)閉閥A、B,滑套工作停止。

2 理論驗(yàn)證

2.1 層間干擾驗(yàn)證

表1為地層參數(shù)。根據(jù)表1中解碼器作業(yè)工藝結(jié)合構(gòu)建的解碼器譯碼系統(tǒng)連接方式,以第一層位解碼器正向位移作業(yè)的工序?yàn)槔M(jìn)行解碼器作業(yè)的獨(dú)立性驗(yàn)證。按照工藝,首先對管線c通入低壓px,在低壓px作用下,可以同時打開第一層位與第二層位的閥A,且其余4個層位上的閥A無法通開,再對管線b通入低壓,此時除了可以打開閥B1外還同時通開閥A3與閥A4,1 min后對管線c進(jìn)行保壓,且將管線b的壓力切換為高壓pX,第一層位滑套向井底方向工作,第二層位與第四層位閥B無法打開,第三層位由于管線c處于保壓狀態(tài)無法開啟滑套工作,第五層位與第六層位閥A無法打開,因此除第一層位可按照需求獨(dú)立工作之外,其他層位均不滿足工作條件。

表1 地層參數(shù)

綜上當(dāng)?shù)谝粚游蛔鳂I(yè)滑套進(jìn)行作業(yè)時,其余5層的滑套并沒有開啟條件,因此依照所設(shè)計的解碼器工藝結(jié)合順序連接的譯碼系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè),可以保障井下解碼器獨(dú)立進(jìn)行作業(yè),不發(fā)生干涉現(xiàn)象。以井底作為滑套位移的正向作業(yè)方向,井口作為滑套的反向作業(yè)反向,通過控制井下滑套位移,調(diào)節(jié)油管內(nèi)的過流面積,可以調(diào)節(jié)每一層位的進(jìn)井油壓,確保在油管內(nèi)的壓力體系不發(fā)生倒灌等較為嚴(yán)重的層間干涉現(xiàn)象。此外井下解碼器可以獨(dú)立控制每一層位的滑套位移,即可以獨(dú)立控制每一層位進(jìn)井工質(zhì)的產(chǎn)量,進(jìn)而優(yōu)化整個EGS換熱過程。

2.2 井筒內(nèi)合采技術(shù)壓力產(chǎn)量控制驗(yàn)證

根據(jù)解碼器技術(shù)能夠獨(dú)立控制每一層的滑套位移與產(chǎn)量,但要實(shí)現(xiàn)整個EGS系統(tǒng)在其產(chǎn)量的最大化,需考慮井筒內(nèi)6個層位耦合的壓力產(chǎn)量模型。解碼器技術(shù)適用于EGS合采作業(yè)的前提是確保井下壓力體系的可控性[17]。

根據(jù)井下解碼器技術(shù)的作業(yè)原理,層位與層位之間由封隔器隔開,油套環(huán)空的壓力體系相互獨(dú)立。油管內(nèi)的壓力體系視為一個整體,控制地面井口壓力及滑套位移改變整個油管內(nèi)的壓力梯度。壓力模型包含6個層位的儲層壓力、進(jìn)井流壓及油管壓力體系所對應(yīng)的層位壓力。

圖2中,pri為6個層位的儲層壓力,MPa;pwfi為由儲層進(jìn)入管套環(huán)空的進(jìn)井流壓,MPa;pi為儲層對應(yīng)的油管內(nèi)壓力,MPa。

圖2 不同作業(yè)時長下?lián)Q熱區(qū)模擬

假設(shè):①假定工質(zhì)為不可壓縮的單相流體;②設(shè)在儲層中工質(zhì)循環(huán)流動遵循滲流規(guī)律及達(dá)西定律;③假設(shè)油管采用隔熱材料,不考慮工質(zhì)在油管內(nèi)的溫度損失,且溫度對工質(zhì)黏度影響不大;④假設(shè)每一層滑套所控制的油管開口上下均勻。

根據(jù)井下的層位關(guān)系,在井筒內(nèi)建立節(jié)點(diǎn),由井口端至井底,分段計算井筒內(nèi)的壓力梯度,將井筒分為6段,分別采用數(shù)字0～6表示。

模型中節(jié)點(diǎn)間壓降計算采用Beggs-Brill梯度模型進(jìn)行迭代計算,表達(dá)式為式(1),表征了管道內(nèi)壓力隨工質(zhì)位勢差、流動摩擦損耗及工質(zhì)流動加速度的變化。

(1)

式中,p為管道內(nèi)壓力,MPa;Z為流動位移,m;ρ為井內(nèi)工質(zhì)平均密度,kg/m3;v為井內(nèi)工質(zhì)平均流速,m/s;dE為單位質(zhì)量的井內(nèi)工質(zhì)機(jī)械能量損失,J/kg;θ為管道與水平方向夾角,(°)。

參照Muradov, Eggs等[18-19]研究中的Beggs-Brill梯度法,結(jié)合建立的井筒節(jié)點(diǎn)壓力模型導(dǎo)出井筒內(nèi)的壓降表達(dá)式為

(2)

式中,h為井深,m;ρi為井內(nèi)工質(zhì)密度,kg/m3;θ為井身坡度,(°);qi為當(dāng)前井筒內(nèi)工質(zhì)流量,m3/d;vi為當(dāng)前井筒工質(zhì)流速,m/s;dp為井筒油管內(nèi)徑,m;Ap為油管截面積,m2;pi為當(dāng)前井筒內(nèi)壓力,MPa。

在節(jié)點(diǎn)工質(zhì)流量計算中,通過建立質(zhì)量守恒方程,結(jié)合達(dá)西滲流模型,由儲層流進(jìn)管套環(huán)空的工質(zhì)流量與換套環(huán)空流進(jìn)油管內(nèi)的工質(zhì)流量應(yīng)相等,根據(jù)節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)參數(shù)得

(3)

其中

Cq=0.964Re-0.05.

式中,qi為第i層位工質(zhì)產(chǎn)量,m/d;pri、pwfi和pi分別為第i層位的平均儲層壓力、工質(zhì)的進(jìn)井流壓和油管內(nèi)壓力,MPa;ki為第i層位的儲層滲透率,m2;hi為第i層位的儲層有效厚度,m;rei為第i層位的供油半徑,m;rw為井筒的井眼半徑,m;si為第i層位的表皮系數(shù);μ為工質(zhì)黏度,Pa·s;a為不同單位制的換算系數(shù);ATi為第i層位滑套作用下油管孔口的通流截面積,m2;Cq為滑套作用下油管的孔口系數(shù);Re為雷諾數(shù)。

q0=∑qi,i=1,2,…,6.

(4)

每個層位的參數(shù)變量關(guān)系可以用圖3表示。

圖3 節(jié)點(diǎn)參數(shù)關(guān)系

調(diào)整任一層位的滑套位移及井口壓力,均可以改變整個管柱的壓力梯度,從而調(diào)整工質(zhì)總產(chǎn)值。結(jié)合壓力模型給出模型的調(diào)控流程,見圖4。

圖4 解碼器多層產(chǎn)量調(diào)控流程

根據(jù)井筒壓力模型,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整井口壓力以及每個層位上的滑套位移,可以有效控制生產(chǎn)井井筒的壓力梯度,從而控制每個層位上工質(zhì)的循環(huán)流量,避免由于工質(zhì)流量過大對儲層結(jié)構(gòu)造成不可逆的破壞,并以此來調(diào)整EGS系統(tǒng)的預(yù)期工質(zhì)產(chǎn)量。

3 實(shí)參分析

建立的模型為層深2 700 m的地?zé)峋Ｐ?其中含有6個埋藏深度不同的換熱儲層,儲層間設(shè)有封隔器環(huán)封,假設(shè)6個儲層之間無孔隙聯(lián)通。地層的生產(chǎn)參數(shù)借鑒了中國羊易ZK212井、韓國PX-1 井等地?zé)峋昃蟮木疀r參數(shù)[20-22],建立井筒內(nèi)6個層位的地層參數(shù)見表1。

模型采用內(nèi)徑為122 mm套管,內(nèi)徑為48 mm油管。所設(shè)定的泄流半徑為10 m,工質(zhì)參數(shù)采用常規(guī)下水與CO2的密度、黏度、溶解氣液比等,井口壓力為1.2 MPa,設(shè)置初始工質(zhì)流量為1 500 m3/d。選用具有最大位移量103.1 mm,7級滑控位移的滑套結(jié)構(gòu)。

帶入用于計算井筒壓力梯度的迭代流程,可得出各層位滑套作業(yè)下井筒不同階段的壓力梯度變化,見圖5。

圖5 滑套位移與井筒壓力梯度關(guān)系

通過該井況所反映的數(shù)據(jù)顯示:由第一滑套至第六滑套作業(yè)過程中,第二層位與第三層位階段的壓力梯度變化最為顯著,達(dá)到了0.001 32 MPa/m;第二層位與第三層位階段的壓力梯度變化也達(dá)到了0.001 15 MPa/m;第一層位至井口階段的壓力梯度變化最為平緩,僅為0.000 16 MPa/m。在解碼器井筒控壓控制EGS合采作業(yè)過程中,下層位的滑套作業(yè)將使井筒內(nèi)壓力梯度變化更加顯著,以此可以有效控制井筒壓力梯度的變化速度。

不同層位滑套作業(yè)下的各層位工質(zhì)產(chǎn)量變化關(guān)系見圖6。

圖6 滑套位移與各層位工質(zhì)產(chǎn)量關(guān)系

由圖6中可以看出,原始工質(zhì)產(chǎn)量與所對應(yīng)的層位生產(chǎn)參數(shù)相關(guān),模型中第三層位的生產(chǎn)參數(shù)使得在無滑套調(diào)壓作業(yè)情況下,該層位的工質(zhì)產(chǎn)量達(dá)到最高。而滑套影響下,每一層位的滑套作業(yè)將顯著影響該層位的工質(zhì)產(chǎn)量。根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)可以看出,每個層位滑套的作業(yè)雖然降低了該層位的工質(zhì)產(chǎn)量,但其余層位的產(chǎn)量均會呈一定的增長趨勢,由滑套位移與各層位工質(zhì)產(chǎn)量的變化關(guān)系,得出該EGS合采模型下滑套位移與工質(zhì)總產(chǎn)量的變化關(guān)系,見圖7。

由圖7可以看出,并不是滑套閉合位移越大,產(chǎn)量越低。當(dāng)解碼器不工作時,工質(zhì)產(chǎn)量為929 m3/d;在第二層位滑套發(fā)生閉合位移時,井筒的總產(chǎn)量呈上升趨勢,滑移至第7級時,工質(zhì)總產(chǎn)量達(dá)到最大值為977 m3/d,相對于無解碼器工況下提高5.2%;當(dāng)?shù)谒?、第五和第六層位滑套作業(yè)時,滑套滑移至第4級時,工質(zhì)總產(chǎn)量提升量均達(dá)到最大值,提升量分別為17、23和44 m3/d;第三層位滑套進(jìn)行作業(yè)時,隨著滑套閉合位移增大,總產(chǎn)量逐漸下降;第一層位滑套作業(yè)時,總產(chǎn)量變化不顯著,產(chǎn)量趨于平穩(wěn)。

圖7 滑套位移與總產(chǎn)量的關(guān)系

因此,在基于解碼器技術(shù)下的EGS合采作業(yè)過程中,已知特定工況下,可以實(shí)現(xiàn)每一層工質(zhì)的產(chǎn)量控制以及實(shí)現(xiàn)工質(zhì)總產(chǎn)量的控制作業(yè),從而有助于整個EGS系統(tǒng)對于其產(chǎn)值利用最大化。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)換熱地層具有一定工作邊界以及井下解碼器的控壓、控流原理,構(gòu)造出多個獨(dú)立的低產(chǎn)量換熱儲層,形成井下多層位換熱合采的EGS開發(fā)技術(shù),可以滿足每個層位的控制。

(2)在解碼器井筒控壓控制EGS合采作業(yè)過程中,下層位的滑套作業(yè)將使井筒內(nèi)壓力梯度變化更加顯著,以此可以有效地控制井筒壓力梯度的變化速度。

(3)利用解碼器技術(shù),在EGS合采作業(yè)中可以實(shí)現(xiàn)每一層工質(zhì)的產(chǎn)量控制及實(shí)現(xiàn)工質(zhì)總產(chǎn)量的控制作業(yè),從而有助于整個EGS系統(tǒng)對于其產(chǎn)值最大化。