顏學(xué)成，易秋菊，趙發(fā)壽，李思園，劉磊，裴澤，張孝棟

1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田長(zhǎng)北作業(yè)分公司（陜西 西安 710021）2.陜西大秦環(huán)境科技有限公司（陜西 西安 710076）

水平井因氣藏接觸面積大，產(chǎn)量高，已在各大氣田廣泛應(yīng)用。隨著氣田開發(fā)，部分水平氣井積液愈加嚴(yán)重，產(chǎn)量急劇下降，嚴(yán)重制約氣井產(chǎn)能。一旦水平井產(chǎn)量接近或低于臨界攜液產(chǎn)量時(shí)需配套相應(yīng)的排水采氣工藝，延長(zhǎng)氣井穩(wěn)產(chǎn)期。在實(shí)際生產(chǎn)中，部分水平井在產(chǎn)能高于臨界攜液產(chǎn)量時(shí)，也時(shí)常出現(xiàn)生產(chǎn)不穩(wěn)定，產(chǎn)量急劇下降，甚至無產(chǎn)量的現(xiàn)象，這類氣井往往排出少量積液后就能恢復(fù)正常生產(chǎn)，因而有必要深入研究這類水平井生產(chǎn)不穩(wěn)定的機(jī)理，分析積液特征，提出針對(duì)性技術(shù)對(duì)策。

1 不穩(wěn)定水平井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征

長(zhǎng)北合作區(qū)位于陜西省榆林市和內(nèi)蒙古鄂爾多斯市境內(nèi)，是長(zhǎng)慶榆林氣田的一部分，是中國(guó)石油與荷蘭皇家殼牌的合作項(xiàng)目，是中國(guó)陸上石油已建成最大的對(duì)外國(guó)際合作項(xiàng)目。

長(zhǎng)北項(xiàng)目主力開發(fā)層為上古生界二疊系山西組山2段，屬于砂巖巖性氣藏，2005年開始商業(yè)開發(fā)，截止2020年12月31日，歷年生產(chǎn)天然氣496×108m3。目前投產(chǎn)氣井71口，其中水平井49口（雙分支46口，單分支3口），直井22口，水平井采取為裸眼完井，直井為射孔壓裂完井，氣井投產(chǎn)后采用定壓生產(chǎn)方式。2017年11月中央處理廠啟用壓縮機(jī)集中增壓，中央處理廠入口壓力已由初期4.5 MPa逐步降至2020年12月的3.05 MPa，目前水平井平均產(chǎn)量19.3 ×104m3/d，直井平均產(chǎn)量2.0 ×104m3/d。

自2016年以來，長(zhǎng)北項(xiàng)目陸續(xù)出現(xiàn)在水平氣井實(shí)際產(chǎn)能高于臨界攜液產(chǎn)量時(shí)，因外輸壓力波動(dòng)引起生產(chǎn)管網(wǎng)壓力波動(dòng)，導(dǎo)致氣井產(chǎn)量急劇下降，甚至直至無產(chǎn)量的現(xiàn)象（圖1）。其中2017、2018、2019年分別出現(xiàn)6、8、9井次這類現(xiàn)象，進(jìn)入2020年以來，出現(xiàn)這類現(xiàn)象的井次急劇增加，其中1～5月發(fā)生6口井13井次，給氣田生產(chǎn)管理帶來諸多不便。

圖1 CBX-1井2020年生產(chǎn)曲線圖

2 水平井臨界攜液產(chǎn)量

水平井垂直段、傾斜段和水平段的流體流動(dòng)狀態(tài)不同，臨界攜液流量計(jì)算方法不一樣［1］。長(zhǎng)北區(qū)塊根據(jù)氣井井身結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于相似性原理分別開展直井、水平井在不同尺寸、氣量、溫度、傾斜段角度、壓力等條件下60組氣液兩相流動(dòng)模擬室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，李閔的橢球模型［2］比較符合長(zhǎng)北直井的積液特征，可以此為標(biāo)準(zhǔn)判斷直井井筒是否積液，適時(shí)配套排水采氣措施。李閔模型臨界攜液流速公式為：

式中：ρl為液相密度，kg/m3；ρg為氣相密度，kg/m3；σ為氣液相界面張力，N/m；υcr為氣相流動(dòng)速度，m/s。

以水平井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別修正Turner液滴模型、Belfroid攜液模型［3］、液膜模型［4］，修正后Belfroid模型誤差最小，通過與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，修正后Bel?froid模型比較符合長(zhǎng)北水平井的積液特征。修正的Belfroid模型臨界攜液流速公式為：

式中：ρl為液相密度，kg/m3；ρg為氣相密度，kg/m3；σ為氣液相界面張力，N/m；υcr為氣相流動(dòng)速度，m/s；θ為傾斜段井斜角，（°）。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明水平井中最難以攜液的部位是傾斜段[5]，以井斜角55°時(shí)傾斜段所需攜液產(chǎn)量最高，因此以井斜角55°對(duì)應(yīng)最小攜液產(chǎn)量作為水平井臨界攜液產(chǎn)量。

3 不穩(wěn)定生產(chǎn)機(jī)理研究

統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)北區(qū)塊歷年發(fā)生這類現(xiàn)象的氣井，井型均為水平井，直井未發(fā)生該現(xiàn)象，由此可見，造成生產(chǎn)不穩(wěn)定的因素之一與水平井井身結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)前人研究，長(zhǎng)北區(qū)塊山2氣藏為干氣氣藏，氣井產(chǎn)水均為凝析水。通過水平井氣液兩相流模擬實(shí)驗(yàn)，氣井投產(chǎn)后隨著凝析水不斷析出，水平段由單一氣相逐漸變?yōu)闅庖簝上嗔鲃?dòng)，多數(shù)凝析水會(huì)隨著氣流被帶至地面管線，由于重力作用，少量凝析水會(huì)慢慢回落至水平段底部，隨著時(shí)間推移，水平段凝析水不斷增多，在生產(chǎn)一段時(shí)間后，水平段流動(dòng)變?yōu)闅庖簝上喾謱恿?，上層為氣相，下層為液相，液相隨著氣流不斷向前移動(dòng)。

長(zhǎng)北雙分支水平井每條分支設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2.0 km，實(shí)際平均長(zhǎng)度約1.8 km。山2段砂巖厚度范圍11.2 ～49.8 m，平均25.8 m，由于儲(chǔ)層非均質(zhì)，在水平段鉆井過程需根據(jù)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)不斷改變鉆頭軌跡，最終水平段軌跡形成上下起伏、無規(guī)則的曲線，水平段裸眼軌跡上、下高度差最多達(dá)17m。

在氣井生產(chǎn)前期，由于地層壓力高、產(chǎn)量高、氣相流速快，水平裸眼段積液相對(duì)較少，即使井口油壓短期波動(dòng)，在油壓恢復(fù)正常后，水平段低凹部位積液能夠隨著氣流不斷向前移動(dòng)，不會(huì)發(fā)生生產(chǎn)不穩(wěn)定、產(chǎn)量急劇下降的現(xiàn)象。

在氣井生產(chǎn)后期，水平裸眼段凝析水量增多，近井筒地帶地層壓力降低、產(chǎn)量降低、氣相流速變慢。由于氣相流速快于液相流速，在井口油壓突然升高后，水平段氣相流速迅速下降，液相短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)向前移動(dòng)，迅速聚集在水平段低凹部位，堵塞遠(yuǎn)端氣體的滲流通道，降低水平段遠(yuǎn)端氣體的滲流能力，甚至完全堵塞通道，最終造成氣井生產(chǎn)不穩(wěn)定、產(chǎn)量急劇下降（圖2）。

圖2 水平段低凹部分堵塞示意圖

目前投產(chǎn)49口水平井中，除4口產(chǎn)能低于臨界攜液產(chǎn)量，明確井筒積液的氣井外，根據(jù)45口水平井近井筒地帶地層壓力、目前產(chǎn)量和臨界攜液產(chǎn)量比值的統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖（圖3）看出，易出現(xiàn)生產(chǎn)不穩(wěn)定、產(chǎn)量急劇下降的水平井的集中在近井筒地層壓力5.7 ～6.4 MPa，平均約6.0 MPa，目前產(chǎn)量和臨界攜液產(chǎn)量比值在2～4。

圖3 生產(chǎn)不穩(wěn)定因素關(guān)系圖

4 技術(shù)對(duì)策

由于近井筒地帶地層壓力低、水平段起伏不平、目前產(chǎn)量低是導(dǎo)致水平井生產(chǎn)不穩(wěn)定的三大因素，其中水平段起伏不平是客觀因素，而近井筒地層壓力低、產(chǎn)量低是可以在一定范圍內(nèi)改變的因素。

由于目前經(jīng)濟(jì)、工藝技術(shù)限制，雖然不能完全排出氣井水平段積液，但可以打破水平段低凹部位積液堵塞狀態(tài)，恢復(fù)氣井產(chǎn)能，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)策有兩種。

對(duì)策一：提高氣井瞬時(shí)產(chǎn)量，利用瞬時(shí)高產(chǎn)量打破水平段液體堵塞狀態(tài)，帶出部分積液后，恢復(fù)正常的氣液兩相分層流流動(dòng)狀態(tài)。長(zhǎng)北區(qū)塊選擇了利用移動(dòng)計(jì)量撬（移動(dòng)式三相分離器）連接放空火炬放空帶液，通過井口降壓提高氣井瞬時(shí)產(chǎn)量，最低能將井口壓力降至0（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件），打破水平段低凹部位積液的堵塞狀態(tài)，排出部分積液，恢復(fù)遠(yuǎn)端氣體的滲流通道。

2020年1—5月因中央處理廠外輸壓力波動(dòng)，CBZ-2、CBX-1等6口井出現(xiàn)12井次產(chǎn)量急劇下降現(xiàn)象，通過移動(dòng)計(jì)量撬對(duì)氣井井口降壓放空排液，產(chǎn)量平均由放空前4.8 ×104m3/d增加至16.6 ×104m3/d，平均增加11.8 ×104m3/d，累計(jì)排除積液15.3 m3，在1月1日至5月31日累計(jì)增產(chǎn)4704×104m3（表1）。

表1 2020年移動(dòng)計(jì)量撬放空數(shù)據(jù)（1月1日—5月31日）

對(duì)策二：關(guān)井恢復(fù)地層壓力，關(guān)井使得水平段氣液兩相由分層流狀態(tài)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)，使堵塞處的液體逐漸回落至水平段各個(gè)部位，打通水平段的堵塞通道，同時(shí)利用開井初期瞬時(shí)高產(chǎn)量帶出積液，恢復(fù)遠(yuǎn)端氣體滲流通道。

CBP-3井在2020年1月30日、4月13日、4月26日3次因外輸壓力波動(dòng)導(dǎo)致油壓波動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)量急劇下降。第1次因移動(dòng)計(jì)量撬不能及時(shí)到位，對(duì)CBP-3采取在2月28日—3月4日關(guān)井6d，3月5日開井后產(chǎn)量由關(guān)井前5×104m3/d恢復(fù)至約20×104m3/d，恢復(fù)正常生產(chǎn)。第2次和第3次由于區(qū)塊產(chǎn)量任務(wù)緊張，在4月21日、5月7日采取移動(dòng)計(jì)量撬放空復(fù)產(chǎn)，分別排出積液1.6 m3、1.5 m3，均在當(dāng)天恢復(fù)氣井產(chǎn)能，產(chǎn)量分布由放空前7×104m3/d、8×104m3/d恢復(fù)至15×104m3/d、16×104m3/d。

5 結(jié)論

產(chǎn)能高于臨界攜液產(chǎn)量水平井生產(chǎn)不穩(wěn)定給氣田管理帶來諸多不利，特別對(duì)長(zhǎng)北區(qū)塊這種氣井井?dāng)?shù)少，單井產(chǎn)量高的氣田尤為明顯。研究這類井不穩(wěn)定機(jī)理，在不同生產(chǎn)條件下尋求不同解決對(duì)策。

1）近井筒地帶地層壓力低、水平段起伏不平、目前產(chǎn)量低是這類水平井易受管網(wǎng)壓力波動(dòng)造成不穩(wěn)定，產(chǎn)量急劇下降的主要因素。

2）生產(chǎn)管理中重點(diǎn)跟蹤近井筒地層壓力約6.0 MPa，目前產(chǎn)量和臨界攜液產(chǎn)量比值在2～4的水平井，對(duì)這類井盡量避免管網(wǎng)壓力頻繁波動(dòng)。

3）產(chǎn)量任務(wù)寬松的情況下，為節(jié)省操作成本盡量選擇關(guān)井恢復(fù)近井筒地帶地層壓力，打通水平段低凹部位的積液堵塞通道，恢復(fù)遠(yuǎn)端氣體的滲流通道。

4）產(chǎn)量任務(wù)緊張的情況下，選擇移動(dòng)計(jì)量撬放空排液，利用井口降壓帶來的瞬時(shí)高產(chǎn)量解除水平段低凹部位積液的堵塞狀態(tài)，快速恢復(fù)遠(yuǎn)端氣體的滲流通道。