向建華 文 明 王 強 陳 滿 李小蓉魏林勝 羅 鑫 李泊春 蔣澤銀

（1.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院；2.中國石油西南油氣田公司；3.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司；4. 中國石油西南油氣田公司天然氣研究院）

我國頁巖氣開發(fā)地質(zhì)工程關(guān)鍵技術(shù)不斷進步，促進了頁巖氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，形成了以長寧—威遠、涪陵礁石壩等為代表的國家級頁巖氣示范區(qū)，實現(xiàn)規(guī)模有效開發(fā)[1-2]。2020年底，中國石油天然氣集團有限公司（簡稱中國石油）在川南地區(qū)建成了國內(nèi)首個“萬億方儲量、百億方產(chǎn)量”頁巖氣大氣田，落實了第2個“萬億方儲量、百億方產(chǎn)量”目標區(qū)。頁巖氣開發(fā)成為四川省支柱產(chǎn)業(yè)和國家重要能源戰(zhàn)略。

在頁巖氣開發(fā)早期，因為頁巖不含自由水，甚至處于含水欠飽和狀態(tài)，能夠吸收束縛大量壓裂液。普遍認為氣井產(chǎn)水都是體積壓裂注入的壓裂液，壓裂液返排完后氣井將不產(chǎn)水。因此在早期的地質(zhì)工程技術(shù)方案中，未考慮排水采氣的技術(shù)需求，主要表現(xiàn)在不下油管、生產(chǎn)套管直接完井投產(chǎn)，投產(chǎn)前井筒清潔不徹底，大產(chǎn)量排液測試，地面工程不考慮排水采氣工藝制度優(yōu)化所需的單井計量。在實際生產(chǎn)中，頁巖氣井自噴產(chǎn)氣期短，普遍不到2年。按開發(fā)方案設(shè)計的20年生命周期，工藝排水采氣階段約占90%以上，40%以上的估算最終可采儲量（EUR）需要通過排水采氣技術(shù)采出。

國內(nèi)主要頁巖氣開發(fā)區(qū)塊，主要有四川長寧（2012年7月，寧201H1井壓裂后試氣獲15×104m3/d，成為我國第一口具有商業(yè)價值的頁巖氣水平井）、重慶涪陵（2012年11月，焦頁1HF井試氣獲20.3×104m3/d，2013年開始商業(yè)試采）、四川威遠（2013年9月，威204H1井測試產(chǎn)量 15×104m3/d）等[3]，2014年后，分別開展了大量的排水采氣技術(shù)探索，主要技術(shù)路線是照搬常規(guī)氣井的排水采氣技術(shù)與做法開展試驗與推廣。從工藝井數(shù)量上來看，主要工藝有氣舉[3-8]、優(yōu)選管柱[3-6，9-10]、泡沫排水采氣[4-6，11-15]、柱塞排水采氣[4-6，16-17]，也開展了少量的電潛泵[5，7-8]排水采氣、射流泵[5，7-8，18-19]排水采氣、螺桿泵排水采氣[20]、霧化[21]排水采氣等工藝研究與試驗。不同的區(qū)塊、同一區(qū)塊的不同階段，針對主體排水采氣工藝類型、具體工藝技術(shù)與做法的技術(shù)政策都大相徑庭。主推工藝包括優(yōu)選管柱、間開+放噴提液、地面增壓、泡排、柱塞、氣舉。以優(yōu)選管柱工藝為例：（1）油管選擇方面，有φ50.8mm與φ60.3mm連續(xù)油管、φ60.3mm與φ73.0mm常規(guī)油管等多種規(guī)格類型；（2）下入深度方面，有產(chǎn)層水平段中部、產(chǎn)層中部垂深對應(yīng)斜井段（上翹井）、產(chǎn)層A點、射孔段頂部、井斜角70°～80°等多種設(shè)計原則；（3）生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)方面，有在靠近油管鞋預(yù)置帶彈簧的工作筒；有在大斜度段預(yù)置X型或XN型坐放短節(jié)，也有在直井段下部預(yù)置X型坐放短節(jié)，在油管底部預(yù)置XN型坐放短節(jié)；（4）配套采氣樹結(jié)構(gòu)方面，有的保留了1～2個壓裂施工用φ180mm或φ130mm大閥門，有的全部撤除大閥門。采氣樹主生產(chǎn)通道上，通徑與生產(chǎn)油管的尺寸不匹配現(xiàn)象普遍：有保留了壓裂用大閥門的φ65mm+φ180mm組合、φ65mm+φ130mm組合，也有φ78mm、φ65mm、φ52mm等單一通徑。主體排水采氣工藝類型、具體工藝技術(shù)做法等排水采氣技術(shù)方案的巨大差異，反映了不同的技術(shù)研究團隊，在“頁巖氣井積液對采氣的影響”“井筒排水采氣的技術(shù)需求”等技術(shù)問題的認識上，存在巨大差異。為此，開展相關(guān)技術(shù)問題研究，認清頁巖氣井后期井筒流動特點，找準積液影響生產(chǎn)的關(guān)鍵點，才能為提高排水采氣工藝技術(shù)方案的針對性、有效性提供支撐。

根據(jù)頁巖氣井長期低壓小產(chǎn)的生產(chǎn)特點和長水平段的工程特點，客觀上要求排水采氣工藝具備長期經(jīng)濟有效性，即排水采氣工藝的一次性投入少、安裝施工作業(yè)費用及運行成本低、安全環(huán)保風險小、造成井筒復(fù)雜的風險小、工藝運行成本低。排水采氣技術(shù)涉及地層、井筒、地面等全氣井生產(chǎn)系統(tǒng)，并受到地質(zhì)工程條件制約，各系統(tǒng)需要發(fā)揮如下作用：排水采氣主體工藝要能“充分利用氣井能量運行”，建井工程要為采氣工藝運行創(chuàng)造清潔的井筒環(huán)境，地面工程要為采氣工藝制度優(yōu)化提供齊全的生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)。在全生命周期中注重采氣技術(shù)管理，最終實現(xiàn)長期經(jīng)濟有效地排水采氣。

1 頁巖氣井生產(chǎn)特征及井筒流動特點

1.1 頁巖氣井具有長期低壓小產(chǎn)的特征

如圖1所示，頁巖氣井生產(chǎn)總體表現(xiàn)為“初期快速遞減，長期低壓小產(chǎn)”。頁巖氣井投產(chǎn)后，水產(chǎn)量、氣產(chǎn)量相繼達到峰值后快速下降，井口壓力同時快速下降。

圖1 長寧區(qū)塊典型頁巖氣井采氣曲線

頁巖氣井生產(chǎn)的階段特征明顯，可以分為3個階段：（1）相對穩(wěn)定自噴采氣階段，該階段井口壓力、氣產(chǎn)量、水產(chǎn)量持續(xù)小幅下降，在井口壓力接近輸壓時結(jié)束，一般持續(xù)3～7mon；（2）不穩(wěn)定帶液自噴生產(chǎn)階段，該階段從氣產(chǎn)量、水產(chǎn)量、井口壓力出現(xiàn)有規(guī)律波動開始，一般持續(xù)1～3mon，后期不能連續(xù)生產(chǎn)，容易發(fā)生水淹停產(chǎn)；（3）工藝排水采氣階段，一般在投產(chǎn)5～9mon后開始。

頁巖氣井峰值產(chǎn)量相差大，一般在（10～50）×104m3/d之間。生產(chǎn)5年后的氣井，日產(chǎn)氣量普遍低于1×104m3，日產(chǎn)水量為1～2m3，需要依賴長期經(jīng)濟有效的排水采氣工藝提高氣井產(chǎn)量。

1.2 井筒積液嚴重影響氣井生產(chǎn)

井口壓力接近輸壓后，氣井進入不穩(wěn)定生產(chǎn)階段，生產(chǎn)開始受井筒積液影響。井筒壓力剖面測試發(fā)現(xiàn)，普遍存在生產(chǎn)動液面、關(guān)井靜液面（圖2）；積液導(dǎo)致井筒壓力損失大幅增加，對比井實測數(shù)據(jù)表明，積液井的井底回壓增加3MPa（圖3）；積液導(dǎo)致水淹停產(chǎn)，需要氣舉等強排措施復(fù)活。積液普遍存在，每口井都需要長期開展排水采氣，工藝的經(jīng)濟有效性至關(guān)重要。

1.3 斜井段積液是導(dǎo)致井筒積液的主要原因

常壓傾斜管（內(nèi)徑50.7mm的透明管）臨界帶水空氣表觀流速實驗數(shù)據(jù)表明（圖4），在井斜角為20°～50°時，同樣的水量條件下，臨界帶水的氣體表觀流速最大，是最易發(fā)生積液井段，井筒內(nèi)積液回流開始的地方。水平段積液是斜井段積液持續(xù)回流的結(jié)果，因此，排水采氣技術(shù)方案的主要關(guān)注點在斜井段。

圖4 內(nèi)徑50.7mm傾斜管臨界帶水空氣表觀流速曲線

1.4 生產(chǎn)后期井筒液面低，油管內(nèi)無靜液面

回聲儀液面測試數(shù)據(jù)表明，生產(chǎn)后期井筒液面低，甚至低于油管鞋（圖5）。在測試的163口井中，60口有液面，其中90%的井液面低于井斜角60°，75%的井液面低于井斜角70°。頁巖氣井水平段長，儲集空間大，油管內(nèi)積液量相對較小，在重力作用下全部回流到水平段。因此，柱塞工藝排水采氣技術(shù)方案需要解決因積液回流水平段而造成的無效能量損失，留住油管內(nèi)的水是第一關(guān)鍵。

圖5 低液面井回聲測試圖

1.5 油管下入水平段將限制氣井產(chǎn)能

頁巖氣井主體生產(chǎn)套管尺寸為φ137.9mm×12.7mm，油管尺寸為φ60.3mm×4.86mm。水平段中油管、油套環(huán)空、套管內(nèi)流動壓力實驗數(shù)據(jù)表明：相同流量條件下，油管內(nèi)壓力損失最大，對氣量最敏感；在氣量400m3/h、水量50L/h時，油管內(nèi)壓降為空套管內(nèi)壓降的10倍（圖6）。由此可見，油管下入水平段，增大了單位長度的流動壓力損失，增加了油管下深以淺產(chǎn)層段流體進入篩管的環(huán)空流動長度，將增加產(chǎn)層回壓，減小生產(chǎn)壓差，從而限制氣井產(chǎn)能發(fā)揮。

圖6 水平管流動壓降曲線（水量為50L/h）

1.6 斜井段偏心漏失導(dǎo)致柱塞氣舉效率降低

斜井段柱塞排水實驗表明（圖7），重力作用產(chǎn)生的偏心現(xiàn)象，增大了柱塞下部高壓舉升氣的上竄量及柱塞上部液體的回流量，降低了柱塞排水效率。因此，防漏失是提高柱塞排水效率的第二關(guān)鍵。

圖7 柱塞在斜井段運行實驗圖

2 頁巖氣主體排水采氣技術(shù)及其應(yīng)用

以氣井自身能量為主要舉升動力的排水采氣工藝有優(yōu)選管柱、泡沫、柱塞、超音速（或旋流）霧化等，以外部能量為主要舉升動力的排水采氣工藝主要有氣舉、機抽、電潛泵、射流泵、螺桿泵等。其中機抽、電潛泵、射流泵、螺桿泵等強排工藝，需要將各種泵安裝在井筒液面以下，運行過程中需保持一定的沉沒度。對于長水平段頁巖氣井，產(chǎn)液量低于2m3/d，液面在水平段內(nèi)，油基鉆井液鉆井及橋塞分段壓裂工藝中，套管變形、出砂、橋塞碎塊、油污均不同程度存在，將泵下入水平段風險高，設(shè)備、施工及運行成本高，相對于小產(chǎn)量的頁巖氣井，不具備經(jīng)濟可行性。超音速（或旋流）霧化工藝，尚沒有在低壓井中長期有效運行的實例。

頁巖氣井的開采方式為人造縫網(wǎng)系統(tǒng)，在工藝排水采氣期，壓力低，氣井能量不足，無法自噴帶液生產(chǎn)；氣產(chǎn)量低，氣井產(chǎn)出價值小，不能承擔高成本的排水采氣工藝；水產(chǎn)量小，排液所需能量相對較小。因此，需優(yōu)選適用的采氣工藝，合理利用氣井能量，提高帶水效率，才能實現(xiàn)低成本、高效排水采氣目的。

長寧區(qū)塊位于四川盆地南部長寧—威遠國家級頁巖氣示范區(qū)，是四川盆地頁巖氣開發(fā)的主戰(zhàn)場。本文以長寧區(qū)塊為例，研究頁巖氣排水采氣工藝方案選擇、技術(shù)應(yīng)用及取得的效果。

2012年7月，長寧201H1井測試獲得商業(yè)價值氣流后，長寧區(qū)塊開啟了第一批頁巖氣井鉆井工程，2014年開始陸續(xù)投產(chǎn)。普遍在初期采用空套管投產(chǎn)；當進入不穩(wěn)定生產(chǎn)期后，多采用放噴提液來消除井筒積液，但這種方式的有效期快速降低，不斷有氣井水淹；鄰井壓竄導(dǎo)致先期投產(chǎn)井水淹也時有發(fā)生[22]?，F(xiàn)場排水采氣的需求改變了頁巖不含水所以頁巖氣井不產(chǎn)水的早期認識。通過近幾年在長寧區(qū)塊開展的實驗研究和現(xiàn)場實踐，綜合優(yōu)選出的主體排水采氣工藝為優(yōu)選管柱、柱塞排水采氣、泡沫排水采氣，選擇氣舉排水作為臨時助排及水淹復(fù)產(chǎn)措施。從現(xiàn)場試驗結(jié)果看，優(yōu)選管柱是基礎(chǔ)工藝，柱塞工藝是首選工藝，泡排工藝是補充工藝，氣舉工藝是臨時措施（主要用于積液井助排及水淹井復(fù)活）。

2.1 頁巖氣井優(yōu)選管柱工藝技術(shù)

不同的生產(chǎn)管柱能實現(xiàn)不同的采氣技術(shù)需求。在初期高壓自噴生產(chǎn)階段，更大尺寸的井筒流動通道，能降低井筒的流動阻力，充分釋放氣井產(chǎn)能獲得更高的產(chǎn)量；較小尺寸的井筒流動通道，能增加井筒壓力損失，控制產(chǎn)能過度釋放，降低井口壓力，減小地層壓力下降速度。在排水采氣階段，最優(yōu)的生產(chǎn)管柱尺寸、下入深度及管柱結(jié)構(gòu)，既能降低臨界攜液流速增加氣井帶液能力，又能降低井筒壓力損失提高產(chǎn)量，還可為后續(xù)排水采氣工藝提供工程條件。

2.1.1 工藝技術(shù)方案

（1）油管柱技術(shù)方案。

油管尺寸及類型：選擇φ60.3mm×4.86mm，API常規(guī)油管。

在φ139.7mm×12.7mm生產(chǎn)套管內(nèi)，可選擇φ73.0mm（內(nèi)徑62.0mm）、φ60.3mm（內(nèi)徑50.7mm）API常規(guī)油管，以及φ60.3mm、φ50.8mm（內(nèi)徑42.0mm）連續(xù)油管。如圖8所示，在頁巖氣井后期的生產(chǎn)條件下，φ73.0mm與φ60.3mm油管的井筒流動壓力損失接近，采氣效果相同，φ60.3mm油管更為經(jīng)濟（相同長度，油管質(zhì)量降低28%）；φ50.8mm油管的壓力損失明顯大于φ60.3mm油管，不利于提高產(chǎn)量及采收率。API油管在柱塞限位器坐放施工、柱塞運行等方面優(yōu)于連續(xù)油管。

圖8 頁巖氣水平井生產(chǎn)后期不同尺寸油管流動壓力剖面圖

油管柱結(jié)構(gòu)：油管柱預(yù)置柱塞工藝限位器坐放短節(jié)、回音標，限位器坐放短節(jié)位于井斜角55°～60°、回音標位于2/3油管柱長度井深取整；雙公短節(jié)與油管內(nèi)徑一致，油管掛與采氣樹通徑一致，油管、雙公短節(jié)、油管掛、采氣樹主通徑等流動通道保持同心。

油管下入深度：井斜角接近但不大于80°；下傾井距射孔段不小于測深10m，上翹井距井筒最大垂深為 10～15m。

（2）采氣樹技術(shù)配套。

主通徑：與油管尺寸匹配。φ60.3mm油管配主通徑52mm采氣樹，φ73mm 油管配主通徑65mm采氣樹。

井口預(yù)置工藝接口：生產(chǎn)翼預(yù)置柱塞工藝井口流程連接三通、控制閥用電線。

（3）施工技術(shù)要求。

下油管時間：套管生產(chǎn)井口壓力接近輸壓，氣井積液影響生產(chǎn)。在帶壓作業(yè)能力內(nèi)盡早下入油管，生產(chǎn)井口壓力不小于10MPa。

井筒準備：應(yīng)確保井筒清潔、暢通。

下入方式：不壓井帶壓下入，積液水淹風險小的井，可在生產(chǎn)的同時實施下入作業(yè)。

完井復(fù)產(chǎn)：低壓井在憋破裂盤時，若采用純清水，存在水淹風險，用“氮氣+清水”方式，減少油管內(nèi)清水柱高度，可避免水淹風險。

2.1.2 代表井效果分析

如圖9所示，該井下油管前因井筒積液水淹停產(chǎn)，下油管后，經(jīng)氣舉復(fù)活，產(chǎn)量明顯增加并穩(wěn)定。如圖10所示，該井在井口壓力降到輸壓前下入油管生產(chǎn)，下油管后產(chǎn)量及井口壓力下降趨勢明顯轉(zhuǎn)好，基本實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖9 水淹井下油管前后采氣曲線對比

圖10 早下油管井穩(wěn)定排水采氣曲線

2.2 頁巖氣井柱塞排水采氣技術(shù)

柱塞工藝是頁巖氣井排水采氣的首選工藝。柱塞能有效減少井筒液體滑脫，井下限位器能有效阻止上部油管內(nèi)液體回流。

2.2.1 單井方案

（1）主體工具及流程功能。

限位器：具備單向截流功能，有效阻止限位緩沖工具至井口段內(nèi)液體回流到長水平段，創(chuàng)造條件讓柱塞舉升井液。

柱塞：具備旋轉(zhuǎn)居中功能，有效減少斜井段的柱塞偏磨及偏心漏失。

控制器：具備閥后壓力參數(shù)控制技術(shù)，有效降低頁巖氣采氣管網(wǎng)中集中增壓+平臺增壓、新井投產(chǎn)頻繁等帶來的壓力較大幅度變化對柱塞工藝運行的影響。

井口工藝流程：控制閥優(yōu)選電動孔式閥。平臺可提供弱電支持，確保控制閥的開關(guān)操作有效性，開度調(diào)節(jié)更便捷可靠，無須安裝氣動閥的控制氣流程，降低了維護工作量。

（2）施工技術(shù)要求。

井筒準備：通井，柱塞全尺寸通徑規(guī)；油管不清潔的井需用洗井液洗井、鋼絲刷清潔。

工具串：在大斜度井段坐放限位器，繩索作業(yè)工具串配備滾珠扶正器、萬向節(jié)，提高通過性，減少阻力。

（3）調(diào)試優(yōu)化技術(shù)。

聲波運行跟蹤：通過井口聲波測試，判斷柱塞開井后井液到達井口時間、柱塞到達井口時間、續(xù)流期間帶液情況、關(guān)井后柱塞到達液面時間、柱塞到達限位緩沖工具時間、液柱高度等柱塞運行參數(shù)（圖11）。根據(jù)測試解釋的運行參數(shù)制定合理的生產(chǎn)制度。

圖11 柱塞下落過程井口聲波特征

遠程及時優(yōu)化：低壓、小產(chǎn)量的頁巖氣井，其帶液生產(chǎn)的穩(wěn)定性弱，生產(chǎn)動態(tài)變化易導(dǎo)致工藝運行異常，需要遠程及時干預(yù)或智能干預(yù)。

平臺協(xié)同生產(chǎn)：柱塞運行采氣期間產(chǎn)量變化極大，平臺井之間的生產(chǎn)干擾問題突出，平臺增壓對氣量的相對平穩(wěn)供給有要求。以單井生產(chǎn)制度優(yōu)化為基礎(chǔ)進行平臺整體制度優(yōu)化。

2.2.2 代表井效果分析

如圖12所示，H2-x井為常規(guī)井柱塞工藝方案，H4-x井為頁巖氣井柱塞工藝方案。H4-x井在關(guān)井期間，油套壓差明顯，表明限位器上部存在液柱，保障柱塞有水可舉；開井柱塞到達井口后油壓回升明顯，表明有大量液體被柱塞舉出井口；在輸壓出現(xiàn)異常升高期間，能夠及時關(guān)井防止倒灌加重積液，并在輸壓恢復(fù)正常后及時開井生產(chǎn)。

圖12 不同柱塞工藝技術(shù)方案的效果對比圖

2.3 頁巖氣平臺整體泡沫排水采氣技術(shù)

起泡劑能降低井筒液相密度，泡沫更易于攜帶。對于井工程條件不適合柱塞工藝運行的頁巖氣井，可實施泡沫排水采氣工藝。

2.3.1 工藝方案

（1）起泡劑加注。

起泡劑：CT5-7C I型優(yōu)化配方。

加注位置：井口環(huán)空，井口套壓取值表共用通道。

加注設(shè)備橇：雙泵（一備一用）+電磁閥組（依次輪換注入各井）；起泡液配備設(shè)備：自動按比例泵取藥劑及水，自動攪拌配勻。

加注管理：通過調(diào)整各井加注時間來優(yōu)化加注制度、故障自動報警、遠程控制加注裝置。

（2）消泡劑加注。

消泡劑型號：CT5-10型優(yōu)化配方。

加注位置：井口針閥后，流程上預(yù)置霧化裝置。

加注設(shè)備橇：多泵（一井一泵+一備）；消泡液配備設(shè)備：自動按比例泵取藥劑及水，自動攪拌配勻。

加注管理：通過調(diào)整各井消泡泵排量來優(yōu)化加注量、故障自動報警、遠程控制加注裝置。

2.3.2 實施效果

如圖13所示，氣井套壓及油壓大幅波動，受井筒積液、平臺井間干擾及外輸壓力的影響大；在實施增壓后，井間干擾及輸壓波動影響減少，井口油壓平穩(wěn)，但井筒積液影響仍大，套壓波動幅度接近2MPa；泡沫排水采氣工藝實施后，井口壓力平穩(wěn)，井筒積液影響消除，排水量和產(chǎn)氣量大幅增加（表1）。

圖13 H3-2井泡排工藝前后采氣壓力

表1 泡排工藝前后氣水產(chǎn)量對比

2.4 排水采氣工藝實施效果

現(xiàn)場推廣實施頁巖氣主體排水采氣技術(shù)后，有效維護了老井產(chǎn)能，有力支撐長寧區(qū)塊2020年達到開發(fā)方案設(shè)計的產(chǎn)量規(guī)模56×108m3/a，2021年實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)，區(qū)塊產(chǎn)量達57×108m3。主體工藝實施后，在老井不斷增加的基礎(chǔ)上，年度氣舉助排及復(fù)產(chǎn)工作量同比降低10%，臨時氣舉助排工作量及水淹井次大幅降低，取得了良好的生產(chǎn)效果。

3 結(jié)論與建議

（1）頁巖氣排水采氣主體工藝技術(shù)必須具備長期經(jīng)濟有效運行條件，優(yōu)選管柱是基礎(chǔ)，柱塞排水采氣工藝是首選，泡沫排水采氣工藝是補充。

（2）每口頁巖氣井都需要實施排水采氣工藝，在前期的井工程建設(shè)和地面工程建設(shè)中，注意為后期的工藝實施創(chuàng)造清潔暢通的井筒條件及提供單井生產(chǎn)動態(tài)參數(shù)，可以降低工藝實施成本，提高工藝效果。

（3）頁巖氣井排水采氣能力弱，工藝參數(shù)優(yōu)化不及時會導(dǎo)致水淹，產(chǎn)生額外的氣舉助排或復(fù)活成本。持續(xù)提高工藝運行智能化水平，是實現(xiàn)頁巖氣井在工藝采氣階段降本增效的重點方向。