蔣 密 余 帆 楊 智 朱 昆 陳家曉 劉 露

(中國(guó)石油西南油氣田公司 工程技術(shù)研究院， 成都 610017)

頁(yè)巖氣通常存在于脆性高且壓力和滲透率較低的砂巖儲(chǔ)層，具有非均質(zhì)性強(qiáng)及單井產(chǎn)量、壓裂液返排率低等特點(diǎn)[1]。在生產(chǎn)初期，頁(yè)巖氣井往往產(chǎn)量遞減較快，投產(chǎn)一年半后就有可能進(jìn)入低產(chǎn)小水量階段，氣體攜液能力不斷下降，在大斜度段和水平段積液嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致水淹停產(chǎn)，從而影響氣田的穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)目標(biāo)。采用中淺層頁(yè)巖氣平臺(tái)柱塞舉升工藝技術(shù)，可在一定程度上解決水平井、大斜度井的水淹問(wèn)題，保障頁(yè)巖氣井在低壓低產(chǎn)小水量階段的平穩(wěn)生產(chǎn)。柱塞氣舉工藝具有舉升效果佳、工藝簡(jiǎn)單、投入成本低、清潔環(huán)保性好的優(yōu)點(diǎn)，可在中淺層頁(yè)巖氣平臺(tái)井中大規(guī)模推廣應(yīng)用[2]。本次研究將針對(duì)平臺(tái)柱塞舉升工藝在頁(yè)巖氣井鉆井中的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行分析，從設(shè)計(jì)參數(shù)、柱塞配套工具和施工技術(shù)等方面予以?xún)?yōu)化。

1 工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

柱塞的作用是，在氣體與液體之間提供一個(gè)固體密封界面，將舉升氣體和被舉升液體分隔開(kāi)，以減少氣體穿過(guò)液體段塞所造成的滑脫損失和液體回落現(xiàn)象，從而提高舉升氣體的工作效率[3-4]。通過(guò)柱塞在油管內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)將液體推送至地面的方法，可延長(zhǎng)氣井?dāng)y液生產(chǎn)周期，從而有效地實(shí)現(xiàn)排液采氣。在此，我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則和Foss & Gaul等相關(guān)理論，對(duì)柱塞舉升工藝井下工具、工藝流程、運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及調(diào)試[5-6]。

1.1 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

基于常用氣液比或載荷系數(shù)法，綜合考慮閥后壓力、管柱尺寸、卡定器深度、液柱高度、地層補(bǔ)給壓力等因素，在滿(mǎn)足頁(yè)巖氣井高氣液比、低壓、小水量的條件下建立柱塞啟動(dòng)壓力計(jì)算圖版(見(jiàn)圖1)，以提高柱塞運(yùn)行時(shí)效[7]。通過(guò)模型擬合與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)了氣液比與凈工作壓力的關(guān)系式：

(1)

式中：In(GLR)—— 氣液體積比；

pn—— 凈工作壓力，MPa；

a、b、c、d—— 與井深、管柱尺寸等有關(guān)的常數(shù)。

影響柱塞舉升效果的主要因素包括水平段井眼軌跡、井深、油套壓、產(chǎn)液量、水氣比、柱塞工作制度，設(shè)計(jì)中優(yōu)化的參數(shù)包括運(yùn)行單循環(huán)舉升液量、最小關(guān)井套壓、舉升周期所需氣量、柱塞運(yùn)行制度等。

1.1.1 單循環(huán)舉升液量

柱塞運(yùn)行的能量主要由關(guān)井期間聚集于油套環(huán)空的壓力來(lái)提供。當(dāng)開(kāi)井時(shí)，油管壓力下降，儲(chǔ)存于套管的氣體就會(huì)進(jìn)入油管，將柱塞及其柱塞上端的液體推送到地面。因此，柱塞單循環(huán)舉升液量直接受開(kāi)井瞬間油套壓差的極大影響。單循環(huán)舉升液量的計(jì)算式如下：

(2)

式中：ql—— 單次循環(huán)舉升液量，m3；

pc—— 關(guān)井套壓，MPa；

pt—— 關(guān)井油壓，MPa；

ρ—— 液體密度，kg/m3；

g—— 重力系數(shù)，9.8 N/kg；

At—— 油管橫截面積，m2。

1.1.2 最小關(guān)井套壓

開(kāi)井后，柱塞的最小壓力剛好能推動(dòng)井內(nèi)液體運(yùn)行到井口。此時(shí)，套管與油管的壓力趨于相同，則通過(guò)壓力梯度分別折算出的油管與套管到井底的壓力也相等。其關(guān)系式如下[8]：

pc，min=[pt，min+(ph+pf)·ql+pp+pa]·

(3)

式中：pc，min—— 最小關(guān)井套壓，MPa；

pt，min—— 柱塞到達(dá)井口的油壓，MPa；

ph—— 單位體積液體舉升壓力，MPa/m3；

pf—— 單位體積液體舉升阻力，MPa/m3；

pp—— 舉升柱塞本身所需壓力，MPa；

pa—— 當(dāng)?shù)卮髿鈮海琈Pa；

Hz—— 井下限位器深度，m；

k—— 與油管尺寸有關(guān)的常數(shù)。

1.1.3 最大關(guān)井套壓和平均關(guān)井套壓

根據(jù)氣體定律計(jì)算最大關(guān)井套壓，平均關(guān)井套壓為最大關(guān)井套壓和最小關(guān)井套壓的平均值，其計(jì)算式如下[9]：

pc，max=pc，min·(1+At/Ac)

(4)

pcavg=(pc，min+pc，max)/2

=pc，min·(1+At/2Ac)

(5)

式中：pc，max—— 最大關(guān)井套壓，MPa；

Ac—— 油套環(huán)空面積，m2；

pcavg—— 平均井口套壓，MPa。

1.1.4 舉升周期所需氣量

柱塞上端能夠帶液到井口所需的最小氣量，與油管尺寸、柱塞下落位置、氣液比、井口套壓等有關(guān)，其計(jì)算式如下：

qgcyc=pcavg·Hz·C

(6)

式中：C—— 與油管尺寸有關(guān)的常數(shù)；

qgcyc—— 舉升所需氣量，m3。

1.1.5 柱塞運(yùn)行周期

柱塞運(yùn)行周期分為2部分，即開(kāi)井時(shí)間和關(guān)井時(shí)間。其中，開(kāi)井時(shí)間包括柱塞上行時(shí)間、柱塞到達(dá)井口后的續(xù)流時(shí)間；關(guān)井時(shí)間包括柱塞在氣體中的下落時(shí)間、柱塞在液體中的下落時(shí)間及套管恢復(fù)壓力時(shí)間。其關(guān)系式如下[10-11]：

(7)

式中：Cy—— 柱塞每日運(yùn)行周期，次；

ta—— 氣體中的柱塞下落時(shí)間，min；

tb—— 液體中的柱塞下落時(shí)間，min；

tc—— 柱塞上行時(shí)間，min；

td—— 柱塞到達(dá)井口后的續(xù)流生產(chǎn)時(shí)間，min；

te—— 套管壓力恢復(fù)時(shí)間，min。

1.2 柱塞類(lèi)型

針對(duì)頁(yè)巖氣井單井產(chǎn)量低、攜液能力差、柱塞偏磨、大斜度井段漏失等問(wèn)題，優(yōu)選出柱狀柱塞、刷式柱塞、彈塊柱塞等3類(lèi)柱塞，以滿(mǎn)足柱塞在頁(yè)巖氣水平井、大斜度井中通過(guò)的性能要求[12]。為了改善其密封性能，基于普通柱狀柱塞設(shè)計(jì)了一種噴射旋轉(zhuǎn)型柱狀柱塞(見(jiàn)圖2)。該柱塞在大斜度井中易于啟動(dòng)，可以減少滑脫和磨損現(xiàn)象的發(fā)生，降低上升階段的漏失量，從而提高柱塞的攜液效率。此外，該柱塞可應(yīng)用于產(chǎn)量相對(duì)較高的氣井中，如中淺層頁(yè)巖氣井，且在氣井出砂過(guò)程中運(yùn)行順暢，較少受到其他因素的干擾。

1.3 限位器

(1) 卡定器緩沖彈簧總成。卡定器是一種控制油管內(nèi)柱塞下落的限位裝置，用于確定柱塞的最大下落深度[13]。以目前的鋼絲作業(yè)能力，可保證卡定器的坐放位置深入到油管內(nèi)井斜角65°處。一體式卡定器帶緩沖彈簧能防止卡定器在柱塞下落時(shí)受到硬性撞擊，同時(shí)可減弱柱塞下落到緩沖彈簧頂部的沖擊力。頁(yè)巖氣后期的產(chǎn)水量較低，油管內(nèi)的液體極有可能全部退回水平段而使柱塞舉升效率降低，因此，采用了帶單流閥的卡定器緩沖彈簧總成(見(jiàn)圖3)，以防止井筒液體回落。同時(shí)，通過(guò)設(shè)定的內(nèi)置彈簧閾值來(lái)控制打開(kāi)壓力，確保油管液柱能在達(dá)到一定高度時(shí)自動(dòng)回落，從而避免油管內(nèi)液柱壓力高于地層壓力而導(dǎo)致水淹的情況[14]?？ǘㄆ骶彌_彈簧總成廣泛應(yīng)用于日產(chǎn)水量在1 m3以下的氣井。

圖3 接箍式定壓截流卡定器緩沖彈簧總成

(2) 帶緩沖彈簧工作筒。帶緩沖彈簧工作筒主要應(yīng)用于需要開(kāi)展修井作業(yè)的產(chǎn)水氣井，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。修井作業(yè)中，將帶彈簧的工作筒下落至設(shè)計(jì)深度，在投運(yùn)柱塞工藝前只需通過(guò)繩索作業(yè)即可通井至工作筒所在位置。這樣可以解決繩索作業(yè)在斜井、深井中施工時(shí)的難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、投撈成功率低等問(wèn)題[15]。

1 — 緩沖短接； 2 — 彈性擋圈； 3 — 擋環(huán)； 4 — 緩沖彈簧

2 工藝施工技術(shù)優(yōu)化

頁(yè)巖氣水平井積液段處于大斜度段，需要通過(guò)鋼絲作業(yè)通井、坐放柱塞卡定器至大斜度段。常規(guī)井下工具在大斜度段的作業(yè)受到井眼軌跡的限制，難以滿(mǎn)足水平井大斜度井段的作業(yè)要求，鋼絲被卡堵的情況時(shí)有發(fā)生。為了提高入井坐放深度，針對(duì)水平井鋼絲作業(yè)，研制了“柔性短節(jié)+滾輪(滾珠)”扶正器，以解決工具串在水平井、大井斜角施工中的摩阻問(wèn)題。同時(shí)，剪斷投放工具銷(xiāo)釘，使井下工具的投放更加順利?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示，通井過(guò)程中最大井斜角可以大于75°，工具投放角最大可達(dá)65°左右。工具串由上至下的總長(zhǎng)度為4.06 m，其結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 工具串結(jié)構(gòu)(由上至下)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)前期的選井、工藝設(shè)計(jì)、方案論證等工作，最后選擇在A平臺(tái)實(shí)施頁(yè)巖氣井柱塞舉升工藝。該平臺(tái)共有5口井，其中上傾井2口、下傾井3口，各井的井深為2 800～3 300 m。柱塞工具運(yùn)行中的最大井斜角可達(dá)到65°，均采用魚(yú)骨柱塞，總體運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，能夠順利到達(dá)井口。A平臺(tái)柱塞井下工具參數(shù)如表2所示。

表2 A平臺(tái)柱塞井下工具參數(shù)

2020年4月、6月，在A平臺(tái)先后采用柱塞工藝投入生產(chǎn)。柱塞運(yùn)行制度均采用固定時(shí)間模式，通過(guò)對(duì)柱塞運(yùn)行初期制度的調(diào)整優(yōu)化，使產(chǎn)量、壓力逐漸趨于穩(wěn)定，油套壓差逐漸下降并保持在1.0～1.5 MPa，日產(chǎn)氣量及排水量較為穩(wěn)定，柱塞運(yùn)行中排液明顯，延緩了井筒積液。最后，該平臺(tái)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)期得到延長(zhǎng)，產(chǎn)量下降趨勢(shì)明顯放緩，柱塞工藝排液效果較好。A6井柱塞工藝周期曲線如圖5所示。

圖5 A6井柱塞工藝周期曲線

在A平臺(tái)實(shí)施柱塞工藝的過(guò)程中，開(kāi)井瞬間及排液階段會(huì)造成閥后壓力升高，進(jìn)而對(duì)同一計(jì)量流程中的其他氣井產(chǎn)生回壓，最終影響排液和瞬時(shí)產(chǎn)量。A5井與A6井處于同一計(jì)量管網(wǎng)。從柱塞周期運(yùn)行情況可以看出，A5井開(kāi)井瞬間與柱塞排液時(shí)的油壓升高會(huì)直接影響A6井的閥后壓力，并對(duì)其造成井口回壓(見(jiàn)圖6、圖7)。因此，平臺(tái)井的柱塞運(yùn)行需要持續(xù)優(yōu)化各井開(kāi)關(guān)時(shí)段，減少井間干擾，適當(dāng)控制井口針閥，穩(wěn)定平臺(tái)生產(chǎn)。

在實(shí)施柱塞工藝前，平臺(tái)井平均每周需要關(guān)井復(fù)壓1次，產(chǎn)量月遞減率為6.3%。在柱塞工藝運(yùn)行后，氣井生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定，產(chǎn)量月遞減率降至2.8%。截至2020年12月，平臺(tái)柱塞工藝穩(wěn)產(chǎn)效果均較好，基本解決了水淹問(wèn)題。日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在13×104m3，日產(chǎn)水量穩(wěn)定在14 m3，柱塞舉升工藝的穩(wěn)產(chǎn)效果比較顯著。A平臺(tái)生產(chǎn)曲線如圖8所示。

圖6 A5井開(kāi)井瞬間與A6井閥后壓力關(guān)系

圖7 A5井柱塞排液與A6井閥后壓力關(guān)系

圖8 A平臺(tái)生產(chǎn)曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

采用平臺(tái)柱塞舉升工藝，能夠有效地解決頁(yè)巖氣井的井底積液?jiǎn)栴}，減少液體滑脫現(xiàn)象，提高氣井?dāng)y液能力和帶液效率，使氣井保持穩(wěn)定生產(chǎn)。該工藝適用于中淺層頁(yè)巖氣井整體平臺(tái)。通過(guò)對(duì)理論計(jì)算方法與實(shí)際運(yùn)行情況的擬合，建立了適應(yīng)頁(yè)巖氣水平井的柱塞設(shè)計(jì)方法，繪制了柱塞啟動(dòng)壓力指導(dǎo)圖版。需要注意的是，在平臺(tái)全部實(shí)施柱塞工藝時(shí)，需合理錯(cuò)開(kāi)各井的開(kāi)關(guān)井時(shí)間，以避免同一平臺(tái)柱塞氣井同時(shí)運(yùn)行時(shí)油壓瞬間增大而形成井間干擾，或者因同時(shí)開(kāi)井對(duì)輸壓波動(dòng)變化較大而引起的柱塞氣井回壓，減少對(duì)柱塞運(yùn)行狀況的影響。