王 輝, 周 朝, 周忠亞, 何祖清, 陳明忠

1中國石化江漢油田 2中國石化石油工程技術(shù)研究院 3頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實驗室 4中國石油川慶鉆探公司井下作業(yè)公司

0 引言

頁巖氣作為一種潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源，其高效開發(fā)對于保障我國能源安全具有重要意義[1]。頁巖氣井井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用多級壓裂進(jìn)行儲層改造，使得頁巖氣藏中存在壓裂液的侵入與返排，引發(fā)井筒積液問題，亟需選取適合的排水采氣工藝治理積液。但是，目前排水采氣工藝的選擇主要采用現(xiàn)場經(jīng)驗法[2]和宏觀控制圖版法[3-4]，考慮的影響因素欠缺，只能定性選取排水采氣工藝，無法實現(xiàn)多工藝定量優(yōu)選，導(dǎo)致工藝實施效果較差。為此，根據(jù)壓力供給與臨界攜液原則，綜合考慮產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量、壓力界限、攜液界限和井身結(jié)構(gòu)等多因素，建立了“一井一策”的頁巖氣井排水采氣工藝綜合優(yōu)選方法，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益分析，實現(xiàn)排水采氣工藝定量優(yōu)選。

1 排水采氣工藝適用性評價

不同排水采氣工藝的本質(zhì)原理都是從壓力和攜液兩方面單獨(dú)或共同作用來實現(xiàn)井筒排液。一方面可以通過改善壓力供給，降低井底回壓，提高產(chǎn)氣量；一方面可以通過降低井筒臨界攜液流量，提高排液量。

目前頁巖氣田現(xiàn)場常用的排水采氣工藝包括井口增壓、泡排、柱塞氣舉、優(yōu)選管柱等非補(bǔ)能工藝，以及連續(xù)氣舉、電潛泵、射流泵等補(bǔ)能工藝。開展頁巖氣井排水采氣工藝適用性分析和成本分析，以?73 mm生產(chǎn)管柱為例，得到工藝作用原理、適用條件與經(jīng)濟(jì)性(表1)。

表1 排水采氣工藝原理、適用條件與經(jīng)濟(jì)性

2 壓力與攜液分析

非補(bǔ)能排水采氣工藝的優(yōu)選，需要同時考慮壓力供給原則和臨界攜液原則，從而確定工藝的壓力適用界限與攜液適用界限。當(dāng)非補(bǔ)能排水采氣工藝均無法適用時，則優(yōu)選補(bǔ)能排水采氣工藝。

2.1 壓力適用界限

為滿足壓力供給原則，應(yīng)用排水采氣工藝后的井口油壓須大于井口外輸壓力：

pwf-Δp=pt>ptr

(1)

式中：pwf—井底流壓，MPa；Δp—井筒總壓降，MPa；pt—井口油壓，MPa；ptr—井口外輸壓力，MPa。

地層的壓力供給能力根據(jù)氣井產(chǎn)能方程得到：

(2)

式中：Qg—產(chǎn)氣量(標(biāo)況)，m3/d；pR—地層壓力，MPa；C—系數(shù)，m3/d·MPa-2n；n—指數(shù)，無因次。

對于優(yōu)選管柱和井口增壓工藝，井筒總壓降可以選取水平井兩相流模型計算：Beggs-Brill模型[5]、Baker Jardine模型[6]、Dukler-Flanigan模型[7-8]和Mukherjee-Brill模型[9]。根據(jù)涪陵頁巖氣井的現(xiàn)場數(shù)據(jù)(表2)優(yōu)選兩相流模型，分別利用4種兩相流模型計算34口頁巖氣井的井底流壓，并與實測井底流壓比較，計算結(jié)果如圖1，誤差分析如表3。由表3可知，Mukherjee-Brill模型的平均相對誤差絕對值和均方根誤差均最小。

表3 兩相流模型誤差分析

圖1 兩相流模型計算結(jié)果

表2 頁巖氣井現(xiàn)場數(shù)據(jù)表

對于泡排工藝，根據(jù)泡排井筒不同流型機(jī)理，分別確定不同流型的泡沫流體密度和摩阻系數(shù)[10]，并計算井筒總壓降：

(3)

式中：ρm—泡沫流體密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；θd—井斜角，(°)；fm—泡沫流體摩阻系數(shù)，無因次；vm—泡沫流體速度，m/s；D—管道內(nèi)徑，m；dz—井筒分段長度，m。

對于柱塞氣舉工藝，忽略柱塞運(yùn)移時的摩擦力和漏失[11]，根據(jù)柱塞舉升液柱剛好達(dá)到井口的臨界狀態(tài)分析計算井筒總壓降：

(4)

2.2 攜液適用界限

為滿足臨界攜液原則，應(yīng)用排水采氣工藝后的實際產(chǎn)氣量須大于全井筒最大臨界攜液流量：

Qg>Qcmax

(5)

式中：Qcmax—全井筒最大臨界攜液流量(標(biāo)況)，m3/d。

目前的臨界攜液流量方法有多種[12]，然而現(xiàn)有臨界攜液流量方法未全面考慮井筒返排液量變化、液滴形狀特征和復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)。為此，建立全井筒臨界攜液流量新模型，以橢球型變形液滴模型(圖2)為基礎(chǔ)[13]，可得到垂直井筒最大變形液滴受力平衡式：

圖2 液滴變形示意圖

(6)

考慮造斜率變化引起的液滴碰撞能量損失[14]，對垂直井筒臨界攜液流速修正得到全井筒臨界攜液流速：

(7)

根據(jù)最大穩(wěn)定橢球型液滴總表面能與氣相紊流動能的平衡關(guān)系，可得到最大穩(wěn)定橢球型液滴長軸公式：

(8)

考慮高雷諾數(shù)時液滴內(nèi)部流動，修正剛性橢球體曳力系數(shù)，得到橢球型液滴曳力系數(shù)公式：

(9)

式中：ucv—垂直井筒臨界攜液流速，m/s；uc—全井筒臨界攜液流速，m/s；α—橢球型液滴軸比，小數(shù)；dec—最大穩(wěn)定橢球型液滴長軸，m；Cd—曳力系數(shù)，無因次；R—造斜率，(°)/30 m；σ—表面張力，N/m；Ql—產(chǎn)液量，m3/s；μg—?dú)庀囵ざ?，Pa·s；ρg—?dú)庀嗝芏?，kg/m3。

全井筒臨界攜液流量為：

(10)

式中：Qc—臨界攜液流量(標(biāo)況)，m3/d；p—壓力，MPa；T—溫度，K；Z—?dú)庀嗥钕禂?shù)，無因次。

選取Belfroid模型、修正李閩模型、修正Richter模型、修正王志彬模型和本文模型式(7)～式(10)分別計算表2中氣井的臨界攜液流量，其中的修正模型指應(yīng)用Fiedler形狀函數(shù)修正。5種臨界攜液流量模型的積液預(yù)測精度如表4，可知本文模型的積液預(yù)測精度最高，為94.1%。本文模型的最大臨界攜液流量計算結(jié)果如圖3。

表4 臨界攜液流量方法積液預(yù)測精度

圖3 最大臨界攜液流量與實際產(chǎn)氣量比較

優(yōu)選管柱和井口增壓工藝的臨界攜液流量可由式(7)～式(10)計算。對于泡排工藝，可將泡排井筒攪拌流到段塞流的流型轉(zhuǎn)換界限氣流速作為臨界攜泡流速[15]：

(11)

式中：ucb—全井筒臨界攜泡流速，m/s。

由式(11)計算出臨界攜泡流速后，根據(jù)式(10)即可計算出全井筒臨界攜泡流量。

3 排水采氣工藝綜合優(yōu)選方法

建立頁巖氣井排水采氣工藝綜合優(yōu)選方法，如圖4所示。

圖4 排水采氣工藝綜合優(yōu)選方法

工藝綜合優(yōu)選步驟為：

(1)根據(jù)工藝的適用性,初選非補(bǔ)能排水采氣工藝。

(2)計算流入動態(tài)曲線和非補(bǔ)能排水采氣工藝的流出曲線。

(3)過流出曲線與流入動態(tài)曲線的交點(diǎn)做垂直于橫坐標(biāo)的直線，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)作為壓力適用界限Qgp。

(4)計算非補(bǔ)能排水采氣工藝的臨界攜液曲線。

(5)過臨界攜液曲線與流入動態(tài)曲線的交點(diǎn)做垂直于橫坐標(biāo)的直線，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)作為攜液適用界限Qgc。

(6)根據(jù)適用區(qū)間和經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)選非補(bǔ)能排水采氣工藝，如果非補(bǔ)能排水采氣工藝無適用區(qū)間，則優(yōu)選補(bǔ)能排水采氣工藝。

4 現(xiàn)場實例

4.1 排水采氣工藝優(yōu)選

涪陵頁巖氣田焦頁X井采用?73 mm油管生產(chǎn)，油管下深2 650 m，處于間歇生產(chǎn)階段，產(chǎn)氣量1.5×104m3/d，產(chǎn)液量2 m3/d，井底壓力梯度0.31 MPa/100 m。根據(jù)適用性分析，初選非補(bǔ)能排水采氣工藝包括井口增壓、泡排、柱塞氣舉和優(yōu)選管柱，利用排水采氣工藝綜合優(yōu)選方法進(jìn)行定量優(yōu)選，計算結(jié)果如圖5?？梢钥闯?，目前產(chǎn)氣量條件下，?73 mm油管無適用區(qū)間，無法正常生產(chǎn)；4種非補(bǔ)能排水采氣工藝中，柱塞氣舉無壓力適用界限且無適用區(qū)間，井口增壓和?60.3 mm小油管無適用區(qū)間，只有泡排有適用區(qū)間滿足Qgp

圖5 焦頁X井排水采氣工藝優(yōu)選

如表5，實施泡排后，該井從間歇生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)氣量增加至3.9×104m3/d，產(chǎn)液量增大，油套壓差減小，應(yīng)用泡排工藝后取得了較好的排液效果，驗證了排水采氣工藝綜合優(yōu)選方法的有效性。

表5 泡排工藝應(yīng)用效果

4.2 經(jīng)濟(jì)效益評價

根據(jù)表1，泡排的工藝成本約為18元/103m3，成本低于井口增壓、柱塞氣舉和優(yōu)選管柱。涪陵頁巖氣田應(yīng)用泡排的成本費(fèi)用主要包括：泡沫加注裝置與配套管線費(fèi)用約20萬元/套，泡排藥劑費(fèi)用約2萬元/年。初定焦頁X井應(yīng)用泡排后的穩(wěn)產(chǎn)有效期為30 d，井口天然氣價格為1.4元/m3，計算得到泡排工藝的投入產(chǎn)出比為1/5，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著泡排工藝應(yīng)用有效期延長，其投入產(chǎn)出比將會進(jìn)一步降低，因此泡排工藝是一種有效的低成本排水采氣工藝。

5 結(jié)論

(1)排水采氣工藝優(yōu)選需同時考慮壓力供給和臨界攜液原則，并兼顧經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用工藝后的井口油壓須滿足井口外輸要求，實際產(chǎn)氣量須大于全井筒最大臨界攜液流量。

(2)明確排水采氣工藝的壓力適用界限須準(zhǔn)確計算井筒壓降，根據(jù)誤差分析優(yōu)選Mukherjee-Brill兩相流模型用于計算頁巖氣井筒壓力分布。

(3)明確排水采氣工藝的攜液適用界限須準(zhǔn)確計算全井筒臨界攜液流量，綜合考慮產(chǎn)液量、液滴變形和造斜率變化引起的液滴碰撞，建立了預(yù)測精度94.1%的頁巖氣井臨界攜液流量模型。

(4)建立頁巖氣井排水采氣工藝綜合優(yōu)選方法，實現(xiàn)了排水采氣工藝“一井一策”定量優(yōu)選，為現(xiàn)場工藝選擇提供指導(dǎo)。