周懷光,張 寶,王 鵬,孫玉國,王 玉,任利華

(中國石油塔里木油田分公司 油氣工程研究院,新疆 庫爾勒 841000)

塔里木油田碎屑巖油藏整體已進入中高含水期,但油藏普遍埋藏深(>4 000 m)、溫度高(110～140 ℃)、礦化度高(最高27 ×104mg/L),以聚合物、表面活性劑等應(yīng)用為主體的化學(xué)法提高采收率技術(shù)在塔里木油田適應(yīng)性較差。注氣驅(qū)油是一項較為成熟而有效的提高采收率技術(shù),在國內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用,并且受溫度、礦化度的影響較小[1-4]。加之塔里木油田擁有豐富的天然氣資源,因此注氣提高采收率技術(shù)在塔里木油田具有巨大的應(yīng)用潛力。東河1 石炭系油藏是塔里木油田首個碎屑巖油田注氣開發(fā)試驗區(qū)。前期室內(nèi)實驗結(jié)果表明,所注天然氣與原油在油藏條件下可達到混相,在注氣過程中,隨受效程度加深,地層壓力及油氣相態(tài)發(fā)生復(fù)雜轉(zhuǎn)變,對注氣受效井在機采階段的生產(chǎn)將帶來多方面影響。一方面,井筒中氣液比將隨之不斷變化,氣液比最高達到了400 m3/t,一旦泵吸入口處含氣率超過機采泵的氣處理能力,將影響泵效甚至導(dǎo)致氣鎖現(xiàn)象[5],機采工藝需進行針對性優(yōu)化;另一方面,生產(chǎn)井井口壓力不斷升高,常規(guī)采油樹、穿越電纜及防噴盒存在超壓失控風(fēng)險,帶來一系列井完整性問題。因此,為保障注氣開發(fā)試驗效果,需對注氣受效井機采工藝開展系統(tǒng)優(yōu)化工作。

1 機采階段主要工況分析

隨著注氣規(guī)模的擴大,地層壓力逐漸恢復(fù),生產(chǎn)井氣液比逐漸升高,受效生產(chǎn)井將具備自噴能力。因此,需明確轉(zhuǎn)自噴前機采階段的氣液比、井口壓力等工況,為機采工藝的配套提供參考依據(jù)。

1.1 生產(chǎn)氣液比

根據(jù)井筒流動理論,油井是否具備自噴能力主要取決于地層壓力、采液指數(shù)、生產(chǎn)氣液比及含水率。根據(jù)采液指數(shù)的不同,將試驗區(qū)生產(chǎn)井劃分為三類:≤1 m3/(d·MPa)、3～4 m3/(d·MPa)、≥20 m3/(d·MPa)。以日產(chǎn)液40 m3、含 水 率20%、油壓1.8 MPa 作為自噴條件,分別對不同產(chǎn)液指數(shù)的井進行了自噴模擬計算,計算結(jié)果見圖1。

從圖1 中可以看出,隨采液指數(shù)的增大,臨界線向左移動,自噴條件區(qū)域隨之擴大,表明生產(chǎn)井越易達到自噴條件。目前該區(qū)地層壓力位于40～50 MPa,在最小地層壓力、最小采液指數(shù)條件下,該區(qū)生產(chǎn)井具備自噴條件的臨界氣液比為150 m3/m3。換言之,注氣開發(fā)機采階段所需滿足的最大氣液比為150 m3/m3。

1.2 泵吸入口處含氣率

1)泵吸入口處含氣率計算方法

為確定機采泵對不同氣液比的適應(yīng)能力,需首先對泵吸入口處的含氣率進行準確計算。含氣率即游離氣在油、氣、水三相混合體系中的體積分數(shù),計算公式如下:

式中,fg為泵吸入口處含氣率,%;fw為井口產(chǎn)出液的含水率,%;Rgo為生產(chǎn)氣油比,m3/m3;Rs為泵吸入口處溫度、壓力條件下的溶解氣油比,m3/m3;Bg、Bo及Bw分別為泵吸入口處溫度、壓力條件下氣、油及水的體積系數(shù),m3/m3。

在式(1)中,fw、Rgo可直接由生產(chǎn)數(shù)據(jù)中獲取,Bw隨溫度、壓力變化相對較小,對最終計算結(jié)果的影響可忽略不計,此處可作Bw=1 處理。該油藏條件下,由于注入的天然氣可與地層中原油發(fā)生混相,流入井筒中的原油及天然氣的高壓物性將發(fā)生復(fù)雜的變化。

2)泵吸入口處含氣率變化規(guī)律分析

注氣井受效后,泵吸入口處含氣率主要受到氣油比及泵吸入口處壓力兩方面因素的影響。一方面,隨著注氣規(guī)模的擴大,氣驅(qū)前緣逐漸向生產(chǎn)井推移,氣液比將不斷上升。從圖2 中可以看出,生產(chǎn)氣油比的上升對含氣率有升高作用。而另一方面,注入氣使得地層壓力得到補充,動液面隨之升高,泵吸入口處壓力將逐漸上升(見圖3)。圖4 為相同生產(chǎn)氣油比、含水率條件時,不同泵吸入口處壓力下含氣率的模擬計算結(jié)果。從圖4 中可以看出,隨著泵吸入口處壓力的上升,含氣率呈現(xiàn)下降趨勢。

因此,受以上兩方面因素的影響,在注氣受效井達到自噴條件前,含氣率并非呈現(xiàn)持續(xù)上升的規(guī)律。轉(zhuǎn)自噴前,含氣率的上升規(guī)律可劃分為三個階段(見圖5)。在受效的最初階段,由于地層壓力恢復(fù)相對較慢,泵吸入口處壓力上升幅度較小,含氣率主要受到氣液比上升的影響而不斷升高;但當氣液比上升到一定程度時,隨著地層壓力的逐步恢復(fù),泵吸入口處壓力對含氣率的影響逐漸增強,含氣率開始小幅下降;待氣油比與泵吸入口處壓力對含氣率的影響達到動態(tài)平衡后,含氣率穩(wěn)定在50%左右。

2 舉升工藝優(yōu)化與評價

根據(jù)上述分析,在注氣受效井轉(zhuǎn)自噴前,需應(yīng)對泵吸入口處含氣率50%～60%的工況,這超出了常規(guī)抽油機及電泵舉升工藝的適用范圍。為此,分別開展了高氣液比工況下電泵及抽油機舉升工藝的優(yōu)化研究。

2.1 電泵舉升工藝

為降低氣體對電泵的影響,目前國內(nèi)普遍采用安裝氣液分離器的處理方法。但氣液分離器的氣體處理能力最高僅達到40%(含氣率),無法滿足該區(qū)塊生產(chǎn)井最高62%的含氣率條件[7]。

為此,選用高效分離器+氣體處理器解決高含氣率問題。氣體處理器是一種具備高攜氣能力的氣液混輸裝置[8-9]。該裝置結(jié)構(gòu)如圖6 所示,由轉(zhuǎn)動部分和固定部分組成。其高攜氣能力主要來自于特殊的葉輪及導(dǎo)輪結(jié)構(gòu),能夠減小氣泡的體積,并將氣液混合得更為均勻,使得氣液混合流體的流動性更加接近單相流,其氣體處理能力可達70%。

典型井D-H4 井,于2016 年5 月下入高效分離器+氣體處理器電泵機采管柱。圖7 為D-H4 井轉(zhuǎn)自噴前生產(chǎn)曲線。從圖7 中可以看出,該井轉(zhuǎn)自噴前氣液比最高達到450 m3/t,計算泵吸入口處含氣率在50%～62%,期間配合采用套管放氣方式,未出現(xiàn)氣鎖、氣蝕現(xiàn)象,滿足了注氣受效井的高氣液比生產(chǎn)工況。

2.2 抽油機舉升工藝

針對高氣液比工況下的抽油機舉升工藝技術(shù),為降低氣體對泵效的影響,目前國內(nèi)外主要通過兩方面的途徑解決。一是降低泵吸入流體的含氣量,主要的實施方式包括加深泵掛、安裝氣錨及套管放氣等;二是減小進入泵的游離氣對泵的影響,主要的實施方式包括提高沖程、采用防氣泵等[10-11]。結(jié)合該區(qū)塊具體工況,選用氣砂錨+防氣抽油泵的組合方式解決高氣液比舉升問題。氣砂錨性能參數(shù)如表1 所示,所選氣砂錨可應(yīng)用在含砂量≤0.5%、氣油比≤300 m3/m3工況下。

在采用氣砂錨降低進泵流體含氣量的基礎(chǔ)上,選用防氣抽油泵降低進泵氣體對抽油泵的影響,防氣抽油泵的工作原理如圖8 所示。相較于常規(guī)抽油泵,防氣抽油泵增加了氣腔室結(jié)構(gòu)。上沖程時,固定閥開啟,游動閥關(guān)閉,當柱塞下端進入氣腔室時,泵內(nèi)流體中氣體上升,直至上沖程結(jié)束。下沖程時,固定閥關(guān)閉,游動閥開啟,當柱塞上端進入氣腔室時,氣腔室與油管聯(lián)通,存儲在氣腔室中的氣液混合體上逸,直至下沖程結(jié)束。中空管的設(shè)置給泵內(nèi)氣體的排出留出通道,從而增加了工作筒內(nèi)液體的充滿系數(shù),降低了泵內(nèi)的含氣率,有利于泵效的提高。

表1 氣砂錨性能參數(shù)表

典型井D-10H 井,于2016 年6 月下入氣砂錨+防氣抽油泵機采管柱,圖9 為D-10H 井轉(zhuǎn)自噴前生產(chǎn)曲線。從圖9 中可以看出,該井轉(zhuǎn)自噴前氣液比最高達到140 m3/t,計算泵吸入口處含氣率在5%～20%,期間配合采用套管放氣方式。根據(jù)該井日產(chǎn)液20 t、生產(chǎn)氣液比119 m3/t 生產(chǎn)條件下所測示功圖,認為氣體對泵的影響較小。

3 結(jié)論

1)針對泵吸入口處含氣率的計算方法,所選經(jīng)驗公式對于東河油藏流體物性具有較好適應(yīng)性,可綜合采用經(jīng)驗公式及PVT實驗數(shù)據(jù)進行含氣率的計算;

2)針對所研究油藏,在注氣開發(fā)過程中,受到氣液比上升及地層壓力上升的雙重影響,機采井轉(zhuǎn)自噴前,泵吸入口處含氣率呈現(xiàn)出先快速上升、后逐漸下降并趨于平穩(wěn)的變化趨勢,機采井所需面對的最高含氣率位于50%～60%;

3)井下工具配套方面,電泵井采用高效分離器+氣體處理器的組合方式,抽油機井采用氣砂錨+防氣抽油泵的組合方式,配合套管放氣工藝,能夠有效應(yīng)對轉(zhuǎn)自噴前高達62%的含氣率工況,基本滿足注氣受效井轉(zhuǎn)自噴前生產(chǎn)需求。