廖 偉 胡書(shū)勇 羅海濤 蔣 恬 張士杰 張 季

1.中國(guó)石油新疆油田儲(chǔ)氣庫(kù)有限公司 2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

0 引言

新疆H 地下儲(chǔ)氣庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為儲(chǔ)氣庫(kù)）位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，是中國(guó)石油2010年啟動(dòng)建設(shè)的6座氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)（群）之一，是目前國(guó)內(nèi)調(diào)峰儲(chǔ)氣規(guī)模最大的儲(chǔ)氣庫(kù)[1]。自2013年6月投運(yùn)以來(lái)，已經(jīng)歷了9 個(gè)完整的注采運(yùn)行周期，高峰日采氣量達(dá)到3 100×104m3，調(diào)峰采氣量占中石油目前已有10 座儲(chǔ)氣庫(kù)群總采氣量的20%，季節(jié)調(diào)峰保供的主力作用進(jìn)一步凸顯。受9 個(gè)周期的強(qiáng)注強(qiáng)采運(yùn)行模式影響，在2017—2022年冬季高位調(diào)峰期間，部分井出現(xiàn)了儲(chǔ)層出砂現(xiàn)象。

儲(chǔ)氣庫(kù)注采井具備“多周期強(qiáng)注強(qiáng)采”的特點(diǎn)，地層出砂嚴(yán)重影響了儲(chǔ)氣庫(kù)的調(diào)峰生產(chǎn)。如何保證儲(chǔ)氣庫(kù)具有較高的調(diào)峰能力，從而為冬季天然氣安全保供提供保障？在儲(chǔ)氣庫(kù)最大調(diào)峰能力研究方面，前人開(kāi)展了大量的工作。Tureyen 等[2]對(duì)氣井產(chǎn)能方程進(jìn)行修改，建立了井筒對(duì)氣井產(chǎn)能影響的模型，該模型可以幫助工程師更好地了解井筒的目前情況，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┨岣咦⒉删漠a(chǎn)能從而降低儲(chǔ)氣庫(kù)的投資。Li 等[3]采用氣井中攜帶的液滴趨向平坦的觀點(diǎn)，推導(dǎo)了氣井中連續(xù)去除液體的新公式，預(yù)測(cè)結(jié)果與我國(guó)氣井的實(shí)際生產(chǎn)性能相一致。Bagic 等[4]對(duì)枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)水平井注采系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。梁濤等[5-8]采用節(jié)點(diǎn)分析法，以臨界攜液流量和臨界沖蝕流量為約束條件，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)氣井不同油管尺寸的注采能力進(jìn)行了研究。譚羽非等[9]則應(yīng)用節(jié)點(diǎn)分析法對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注采能力的主要影響因素進(jìn)行了研究。王景芹等[10-11]運(yùn)用節(jié)點(diǎn)分析法，優(yōu)選出了儲(chǔ)氣庫(kù)氣井合理油管尺寸。對(duì)于具有邊底水的儲(chǔ)氣庫(kù)，舒萍等[12]則考慮了臨界水錐流量，通過(guò)節(jié)點(diǎn)分析法對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)氣井合理注采能力進(jìn)行了研究。羅天雨等[13]基于5 種經(jīng)典的出砂預(yù)測(cè)模型，分別計(jì)算了呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)在不同地層壓力下的出砂臨界壓差。王毅忠等[14]建立了球帽狀液滴模型的氣井最小攜液臨界流量計(jì)算公式。王嘉淮等[15]利用沖蝕產(chǎn)量模型，計(jì)算并優(yōu)選了管徑114.3 mm 的管柱為呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)的直井管柱，研究了安全閥部位的沖蝕規(guī)律。岳典典[16]簡(jiǎn)述了東河油田出砂因素，通過(guò)三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)法、BP 模型、Forchheier 模型分別求解了臨界出砂壓差，得出Forchheier 模型適用于東河油田。韓志磊等[17]基于現(xiàn)場(chǎng)巖心實(shí)驗(yàn)求解了適用于渤海蓬萊油田疏松砂巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，基于摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則建立了內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角相結(jié)合的出砂分析測(cè)井評(píng)價(jià)新方法。康毅力等[18]通過(guò)模擬含水飽和度變化的干濕交替實(shí)驗(yàn)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)前后巖石力學(xué)參數(shù)變化來(lái)探究深層致密砂巖氣藏出砂規(guī)律。

大量文獻(xiàn)表明，現(xiàn)有儲(chǔ)氣庫(kù)注采能力的研究并未考慮臨界出砂流量的情況[19-20]，在儲(chǔ)氣庫(kù)強(qiáng)注強(qiáng)采的運(yùn)行模式下，儲(chǔ)層出砂不僅僅影響氣庫(kù)的調(diào)峰能力，而且將會(huì)嚴(yán)重影響儲(chǔ)氣庫(kù)的壽命。因此，為了充分發(fā)揮新疆H 儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰保供能力，確保儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期安全運(yùn)行，需要更進(jìn)一步在考慮出砂影響的情況下深入研究?jī)?chǔ)氣庫(kù)氣井的最大調(diào)峰能力。

1 改進(jìn)的儲(chǔ)氣庫(kù)氣井節(jié)點(diǎn)分析方法

結(jié)合H 儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)氣井節(jié)點(diǎn)分析法進(jìn)行改進(jìn)，即在分析儲(chǔ)氣庫(kù)合理產(chǎn)能時(shí)，除了考慮氣井臨界攜液流量[21-22]、氣井臨界沖蝕流量因素外[23-25]，還考慮了氣井臨界出砂流量為約束條件，建立儲(chǔ)氣庫(kù)氣井的采氣能力圖版，深入研究?jī)?chǔ)氣庫(kù)氣井的最大調(diào)峰能力。

節(jié)點(diǎn)分析法是運(yùn)用系統(tǒng)工程理論研究氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的氣藏工程、采氣工程和集輸工程之間的壓力、流量關(guān)系方法[26]。節(jié)點(diǎn)分析法也應(yīng)用到了儲(chǔ)氣庫(kù)氣井的注采能力及調(diào)峰能力的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)[27-28]。

儲(chǔ)氣庫(kù)的采氣過(guò)程主要是天然氣從“地層—井底—地面”的一體化系統(tǒng)過(guò)程，該過(guò)程可以分為4個(gè)部分：①流體克服儲(chǔ)層的阻力在地層中的滲流；②克服射孔孔眼的阻力向井底的流入；③克服管線摩阻和滑脫損失沿井筒從井底向井口的流動(dòng)；④克服地面設(shè)備和管線的阻力沿集輸管線的流動(dòng)。節(jié)點(diǎn)分析法將采氣過(guò)程劃分為6 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中第6 點(diǎn)為始節(jié)點(diǎn)，第1 點(diǎn)為末節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。在儲(chǔ)氣庫(kù)的采氣生產(chǎn)系統(tǒng)中，選取井底為解節(jié)點(diǎn)，劃分為流入和流出兩大部分，即流入模型為產(chǎn)能方程，流出模型為管流方程。

圖1 氣井生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位置示意圖

1.1 產(chǎn)能方程

采氣系統(tǒng)的產(chǎn)能方程主要以二項(xiàng)式產(chǎn)能方程為主，代表著儲(chǔ)層的供氣能力。二項(xiàng)式產(chǎn)能方程式為：

式中pr表示地層壓力，MPa；pwf表示氣井井底流壓，MPa；qsc表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下的天然氣流量，m3/d；a表示層流系數(shù)；b表示紊流系數(shù)。

1.2 管流方程

氣井井筒垂直管流方程用來(lái)描述采氣系統(tǒng)的流出動(dòng)態(tài)曲線：

其中

式中pwh表示氣井井口靜壓，MPa；e表示絕對(duì)粗糙度；S表示無(wú)因次指數(shù)；f表示摩阻系數(shù)；表示井筒靜氣柱平均溫度，K；表示井筒靜氣柱平均偏差系數(shù)；D表示油管內(nèi)徑，m；γg表示天然氣相對(duì)密度，無(wú)因次；h表示井口到氣層中部深度，m。

天然氣黏度（μg）按照Lee-Gonzalez-Eakin 半經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算，天然氣偏差系數(shù)（Z）按照Cranmer 方法迭代計(jì)算。

1.3 臨界攜液流量模型

目前較為常用的臨界攜液流量模型主要有Turner模型、李閩模型和王毅忠模型。不同模型的臨界攜液流速公式如表1所示。

表1 臨界攜液流量模型公式表

不同模型條件下臨界流速公式的形式完全相同，僅公式系數(shù)存在差異，Turner 模型系數(shù)為6.6，李閩模型系數(shù)為2.5，王毅忠模型系數(shù)為2.25，系數(shù)不同的主要原因是液滴形狀不同。

其中，李閩模型比較符合國(guó)內(nèi)氣田的真實(shí)情況，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。因此，應(yīng)用李閩模型計(jì)算不同尺寸的油管在不同井口壓力下的臨界攜液流量。

1.4 臨界沖蝕流量模型

針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)強(qiáng)注強(qiáng)采的特殊生產(chǎn)模式，高速氣體在油管內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著沖蝕作用，造成管壁和井下工具的沖蝕磨損，但沖蝕一般不會(huì)發(fā)生在直管處，多發(fā)生在井口。沖蝕流量（qce）是管柱發(fā)生顯著沖蝕作用時(shí)的產(chǎn)氣量，儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)中主要用API RP 14E 推薦的計(jì)算公式[7]：

式（3）中的沖蝕系數(shù)（c）是經(jīng)驗(yàn)值，并沒(méi)有嚴(yán)格的取值方法，最低可取值100，當(dāng)酸性氣體含量降低、含砂量較少時(shí)，可以適當(dāng)取大一點(diǎn)；若是采用耐蝕合金管柱時(shí)，c值取200；常規(guī)SS 管柱取值150。參考其他儲(chǔ)氣庫(kù)的取值大小，根據(jù)新疆H 儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際情況，c值取為180，其臨界沖蝕流量計(jì)算公式為：

2 臨界出砂流量模型

由于地層出砂是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，單一的方法很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)過(guò)程的地層出砂情況，以往的定性出砂預(yù)測(cè)模型（組合模量法、出砂指數(shù)法、聲波時(shí)差法）也只能大致判斷儲(chǔ)層是否出砂或出砂的程度。選取壓縮破壞模型、剪切破壞模型及BP 模型來(lái)計(jì)算出砂壓差，從而指導(dǎo)新疆H 儲(chǔ)氣庫(kù)的生產(chǎn)與調(diào)峰。

壓縮破壞模型為[29]：

剪切破壞模型為[30]：

BP 模型為[31]：

其中?由下式計(jì)算：

式中pcr表示臨界井底流壓，MPa；Δpcr表示臨界生產(chǎn)壓差，MPa；p0表示孔隙壓力，MPa；μ表示巖石泊松比；β表示Biot 系數(shù)；τ0表示巖石內(nèi)聚力，MPa；σzo表示垂向主應(yīng)力，MPa；φ表示內(nèi)摩擦角，(°)；C表示巖石內(nèi)聚力，MPa。

以新疆H 儲(chǔ)氣庫(kù)HUK24 井為例，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算得到的HUK24 井臨界出砂壓差如表2所示。

表2 HUK24 井臨界出砂壓差表 單位：MPa

由表3 的推薦臨界出砂壓差，根據(jù)地層平均壓力，計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的井底流壓，再根據(jù)二項(xiàng)式產(chǎn)能方程式，即可計(jì)算出臨界出砂流量，如表3 和圖2所示。

表3 HUK24 井臨界出砂流量表

圖2 HUK24 井臨界出砂流量曲線圖

由表3 和圖2 可知，氣井臨界出砂流量與地層壓力呈正相關(guān)。

3 考慮出砂影響的單井極限調(diào)峰能力

對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)的采氣系統(tǒng)，氣井合理產(chǎn)氣能力應(yīng)大于臨界攜液流量，并且小于協(xié)調(diào)點(diǎn)；應(yīng)急產(chǎn)氣能力應(yīng)大于協(xié)調(diào)點(diǎn)，并且小于臨界沖蝕流量與臨界出砂流量?jī)烧叩淖钚≈?，如圖3所示。

圖3 采氣能力圖

基于節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)分析方法，綜合考慮臨界攜液流量、臨界出砂流量及臨界沖蝕流量等因素，以新疆H儲(chǔ)氣庫(kù)HUK24 井為例，確定HUK24 井的采氣能力圖版，確定在不同地層平均壓力與不同井口壓力下的合理產(chǎn)氣能力與應(yīng)急采氣能力，最大限度地滿(mǎn)足儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰與應(yīng)急產(chǎn)量配置需求。HUK24 井基礎(chǔ)參數(shù)如表4所示，其采氣能力圖版如圖4所示，合理產(chǎn)氣能力與應(yīng)急采氣能力如表5所示。

表4 HUK24 井基礎(chǔ)參數(shù)表

表5 HUK24 井合理產(chǎn)氣能力與應(yīng)急采氣能力表

圖4 HUK24 井采氣能力圖

分析上述圖表可知，HUK24 井在地層壓力為26.00 MPa、井口壓力為18.00 MPa 時(shí)，合理壓差為2.23 MPa，合理產(chǎn)氣能力為62.19×104m3/d；其井口壓力為15.68 MPa 時(shí)，應(yīng)急壓差為4.16 MPa，應(yīng)急產(chǎn)氣能力為87.88×104m3/d。

4 結(jié)論

1）利用節(jié)點(diǎn)分析方法結(jié)合H 儲(chǔ)氣庫(kù)限制性流量模型，可確定注采井合理調(diào)峰區(qū)間與應(yīng)急增供區(qū)間。

2）通過(guò)對(duì)臨界攜液流量模型、臨界沖蝕流量模型、臨界出砂流量模型的研究，優(yōu)選了適合新疆H儲(chǔ)氣庫(kù)的限制性流量模型。

3）利用限制性流量模型，可定量評(píng)價(jià)注采井在不同地層壓力與井口壓力條件下的極限調(diào)峰能力，最大限度地滿(mǎn)足儲(chǔ)氣庫(kù)季節(jié)調(diào)峰與應(yīng)急供氣產(chǎn)量配置需求。

4）綜合考慮了氣井的臨界攜液流量、臨界沖蝕流量、臨界出砂流量等參數(shù)，建立了儲(chǔ)氣庫(kù)氣井的采氣能力圖版，以此確定氣井極限調(diào)峰能力。該方法對(duì)于其他類(lèi)似儲(chǔ)氣庫(kù)的調(diào)峰能力評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)借鑒意義。