頁巖氣井射流泵排水采氣工藝下泵深度優化設計

張 浩， 張志全， 劉 捷， 陳夢思， 紀國法

(長江大學石油工程學院， 武漢 430100)

目前，中國頁巖氣藏擁有巨大的開采儲量潛力，根據研究表明潛力可采儲量達30×1012m3。但頁巖氣的開發難度較大，國內相應的開采技術并未取得決定性突破，還沒有形成完善的頁巖氣井開采開發體系。其中頁巖氣井排水采氣工藝在整個頁巖氣開發過程中處于極其重要的地位[1]。頁巖氣常用的排采工藝主要有泡沫排水采氣、氣舉排水采氣、電潛泵排水采氣和有桿泵排水采氣等。其中射流泵排采工藝的管柱中沒有運動元件，結構簡單，不會出現磨損現象，可靠性強；在更換泵芯時不需要起出管柱，具有經濟效益好、適應力強等特點；并且在啟動初期就可以大量排出井底積液同時帶出井底污物[2-3]。這些優勢提高了頁巖氣井的排水采氣效率，降低了壓裂液對儲層的損害，確保了頁巖氣井的穩定開采[4]。目前針對射流泵排水采氣工藝中下泵深度確定方法的相關研究寥寥無幾，國內各大油田主要是通過氣井的生產情況分析產能，以氣井的IPR曲線為根據，結合井筒內壓力的分布，由射流泵的吸入口壓力確定下泵深度，或者依據經驗公式以射流泵的沉沒度超過泵掛深度的30%兩種設計方法。但是目前關于頁巖氣井射流泵的吸入口壓力的確定還沒有一個統一的標準；且經驗公式缺少理論支持，下泵深度的確定方法模糊，具有一定的局限性。

針對這個問題，現以滿足頁巖氣井正常帶液生產和節省管柱、提高經濟效益為目的，以氣井產氣量能夠滿足攜液要求時的液面為分析目標，從氣井產能和臨界攜液流量兩個方面進行分析，最終確定頁巖氣井射流泵的下泵深度，形成一套完整的頁巖氣井射流泵排水采氣工藝下泵深度的設計流程。

1 工作原理及結構

射流泵的主要工作元件(圖1)由噴嘴、喉管和擴散管三個部分組成。射流泵排采工藝主要利用噴射原理,將由地面高壓泵提供的高壓動力液通過噴嘴形成的高流速低壓頭的流體泵入喉管中,與通過吸入口進入喉管的井底積液均勻混合[5]。當混合液通過具有不斷增大的橫截面積的擴散管時,液體的流速持續不斷地降低,而壓力不斷升高,即混合液的動能持續不斷地轉換為壓能,直至混合液壓力高于液體靜液柱的壓力時,井底積液將被舉升至井口。

An為噴嘴出口斷面面積，Aj為喉管斷面面積圖1 射流泵工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of jet pump

2 頁巖氣井射流泵下泵深度分析

提出一種針對常壓高氣液比頁巖氣井的新型射流泵深度設計思想，從氣井產能和臨界攜液流量兩個方面進行分析，通過將射流泵下入頁巖氣井內某一深度后排出其上部所有積液，使頁巖氣井在該動液面高度下產氣量高于同一井底流壓下的臨界攜液流量，以達成頁巖氣井依靠自身的地層能量進行間歇自噴生產和節省管柱、提高經濟效益的目的。

采用這種新型射流泵排采設計后，頁巖氣井的生產模式會有所變化：在頁巖氣井見產之前下入射流泵，啟泵，排出射流泵上部的所有井液，當頁巖氣井通過自身的地層能量放噴生產時，停泵；隨著氣井放噴生產的進行，井筒積液增加，當地層不能為氣井自噴生產提供足夠能量時，啟泵排水，減小液柱對氣井地層能量的影響，當井筒積液降低到氣井能夠自噴時停泵，繼續放噴生產，如此不間斷循環；此外頁巖氣井也可以在射流泵排水的同時，通過大環空采氣進行生產。

2.1 頁巖氣井的產能分析

氣井產量和井底流壓的數據是擬合頁巖氣井產能方程必要條件，但由于采排測試中沒有測試井底流壓數據，所以只能通過井筒多相管流理論將地面測試的井口壓力折算井底流壓，進而分析頁巖氣井產能。

根據前人實踐經驗，當氣液比大于2 000 m3/m3時，井筒中流體流型以霧狀流為主，可以采用擬單相流公式求取井底流壓。當氣液比小于2 000 m3/m3時，液相的影響不可忽略，宜采用氣液兩相流方法求取井底流壓。

Beggs-Brill模型適用于計算氣液兩相流井筒壓力分布及井底流壓，其基本模型如下：

(1)

式(1)中:p為壓力，MPa；g為重力加速度，m/s2；v為混合物平均流速，m/s；vsg為氣相表觀流速，m/s；θ為管線與水平方向夾角，(°)；ρl為液相密度，kg/m3；ρg為氣相密度，kg/m3；Hl為持液率，%；λ為流動阻力系數；D為管的內徑，m；A為油管截面積，m2。

常規天然氣井的產能方程主要有指數式和二項式，其數學表達式分別如式(2)和式(3)所示。

(2)

(3)

式中:Pr為井底靜壓，qsc為井口流量，Pwf為井底流壓。

式(3)變形可得

(4)

2.2 頁巖氣井的臨界攜液流量分析

在頁巖氣井正常開發時，氣體為連續相，主要由壓裂液組成的井底積液為分散相顆粒。在充足的地層壓力保證下，積液以液滴的形式被氣體連續不斷地攜帶至井口，但隨著頁巖氣井生產時間的增加，氣藏的地層壓力逐漸減小，井下氣體流速下降，氣體的攜帶液滴的能力不斷降低，最終無法將積液持續不斷地舉升至地面，致使氣井產量降低甚至停產。為了保證氣井不積液，氣井的產量必須大于臨界攜液流量[6-7]。

根據對XX區塊鄰井井史的調研，該區塊頁巖氣井在正常攜液生產初期屬于常壓高氣液比頁巖氣井，并且隨著生產開發，頁巖氣井的井底液量逐漸減少，氣井正常攜液生產時的氣液比會逐漸增大，故該區塊頁巖氣井適用于Turner等模型分析其臨界攜液流量[8]。

臨界攜液流量作為判斷氣井是否積液至關重要的數據，中外專家學者提出了多種確定頁巖氣井的臨界攜液流量的相關模型，這些模型是根據某一區塊的地質特征在Turner理論的基礎上根據液滴的不同形態又或是不同雷諾數Re等條件下建立的。在公式中由于不同曳力系數CD的取值導致系數a不同[9]。因此，最終推導出的計算公式中的各項系數不同，如表1所示。

表1 不同臨界攜液流速公式對比

2.3 頁巖氣井射流泵的下入深度分析

為保證頁巖氣井的正常帶液生產，對氣井產能和臨界攜液流量兩個方面進行分析，以氣井的產氣量能夠滿足攜液要求時的液面為下泵深度的依據，最終確定頁巖氣井射流泵的下泵深度。頁巖氣井射流泵下泵深度設計流程如圖2所示。

圖2 射流泵下泵深度設計流程框圖Fig.2 Flow chart of pump depth design of jet pump

3 實例

為了驗證提出的頁巖氣井射流泵下泵深度研究的可行性，同時為該區塊同類頁巖氣井射流泵下泵深度的確定探索新的技術途徑。XX工程院于2019年5月選用同心雙管射流泵在XX區塊XX井進行了試驗應用。XX井是一口常壓高氣液比的頁巖氣井，該井通過采取靜壓測試措施(壓力計下入氣層中部深度3 000 m)，實測井下壓力為27.23 MPa，壓力系數為0.908，同時測得該儲層的地層靜溫是84.37 ℃，地溫梯度為2.55 ℃/100 m。由于XX井在壓裂后無法采用套管完成測試求產，氣舉無法激活；之后采用間歇電潛泵抽排試氣，4次測試求產，測試氣產量(6.4～14.7)×104m3/d，水量2～6 m3/h，測試期間電潛泵排液量115 m3，套管放噴339 m3，累計排液454 m3，2019年11月30日停止測試，起出電潛泵排采管柱。測試數據如表2所示。

表2 XX井四次排采測試情況統計

3.1 根據XX井史測試數據進行該井的流入動態分析

由于XX井4個測試時間點的氣液比均低于2 000 m3/m3，并且該井的電潛泵的下泵深度為2 380 m，所以在井底流壓的計算中2 380 m以上部分井筒的壓力的計算應使用Beggs-Brill方法。而2 380 m以下部分的壓力分布則按照靜液柱壓力計算[10]。根據XX井四次排采測試情況，分析和計算結果如表3所示。

表3 XX井四次排采測試情況統計

圖3 指數式產能方程擬合曲線Fig.3 Fitting curve of exponential capacity equation

根據指數式產能方程變形后的線性回歸曲線可以計算得出，該產能方程中常數n=2.194，常數C=4.95×10-5，將系數代入產能方程中，得到

(5)

根據產能方程計算繪制該井的井底流壓與井口產氣量的流入動態曲線如圖4所示。

3.2 根據Turner液滴模型對XX井進行臨界攜液流量分析

頁巖氣井在正常帶液生產時，氣流從井筒上升的過程中受到的壓力逐步減小，氣體流速增加，氣體的攜液能力增加，所以井底附近是確定臨界攜液流量的關鍵點。選取了三個在中國各大油田應用廣泛具有代表性的模型，并根據XX井不同的井底流壓推導得出臨界攜液流量的變化趨勢，如圖5所示。

圖5 XX井臨界攜液流量與井底流壓的關系曲線Fig.5 Relationship curve between critical liquid-carrying flow and bottom-hole flow pressure in well XX

根據圖5可以看出在不同模型中臨界攜液流量隨井底流壓變化的趨勢相似，系數a的取值越大，某一確定井底流壓下對應的臨界攜液流量值就越高。為了確保頁巖氣井能夠完成間歇自噴生產，應選取最安全的臨界攜液流量作為確定下泵深度的條件。所以選用系數最大的Turner模型進行氣井的最大攜液流量分析，計算不同井底流壓時氣井的臨界攜液流量。

根據Turner模型理論推導出的臨界流速公式為

(6)

式(6)中：a=(4g/3CD)0.25；v為臨界流速，m/s；CD為曳力系數，無因次；g為重力加速度，m/s2；ρl、ρg為液相、氣相的密度，kg/m3；σ為氣液表面張力，N/m。

換算成標況下的氣井臨界攜液流量公式，如式7所示：

qc=2.5×104AvP/ZT

(7)

式(7)中:qc為臨界流量，104m3/d；A為油管橫截面積，m2；P為壓力，MPa；T為溫度，K；Z為天然氣偏差系數，無因次。

3.3 根據XX井流入動態以及最大臨界攜液流量確定下泵深度

從XX井的產能和最大臨界攜液流量兩個方面進行分析，將該井的流入動態曲線(圖4)以及根據Turner液滴模型確定的臨界攜液流量與井底流壓的關系曲線(圖5)繪制在同一坐標系中，兩條曲線相交于一點，如圖6所示。

圖6 XX井流入動態與臨界攜液流量分析曲線Fig.6 Analysis curve of inflow dynamics and critical liquid-carrying flow rate in well XX

圖6中的橫坐標表示該井的產氣量，縱坐標表示根據XX井史數據計算得出的井底流壓。根據XX井流入動態與臨界攜液流量曲線可以分析得出，當井底流壓小于交點23.86 MPa時，在固定井底流壓下，氣井的產氣量大于臨界攜液流量，氣井能夠正常生產。

同心雙管射流泵在正常生產時流體流動通道為油套環空，按最大外輸壓力4 MPa計算，當井底壓力為23.86 MPa時，該氣井的動液面深度為2 050 m。也就是說，井筒液體被掏空至2 050 m時氣井就能正常生產，為了確保舉升液體后能夠正常生產，可以將射流泵下至2 100 m。

4 現場應用效果評價

4.1 射流泵啟泵排水效果評價

XX井于2019年6月依據確定的射流泵下泵深度及其配套的參數優化設計進行施工排水，根據前期測井數據測得動液面在167 m，射流泵下深2 100 m，尾管下深2 800 m，接近A靶點。該井合計啟泵工作14.2 h，在啟泵工作10 h后，井筒內動液面下降到2 100 m，井口開始有氣體產出，氣井開始啟泵生產。啟泵排水的過程中地層累計產水量為40.83 m3，混合液累計排液量為96 m3，射流泵的平均泵效為20%，證實了射流泵可高效攜帶液體出井筒并且有效降低了井筒液柱對地層回壓的影響，實現了頁巖氣井的快速排水采氣，減少了壓裂液對氣藏的傷害，提高了氣井的采收率。

4.2 頁巖氣井自噴生產效果評價

XX井在啟泵工作14.2 h后停泵，通過小油管環空進行自噴生產，氣井的累計產氣量104.01×104m3，累計產水量86.75 m3，氣液比為11 921.74 m3/m3，由于氣井產氣量較大，地層產水成連續相被氣體攜帶出小油管環空。其生產數據如表4所示。

根據頁巖氣井的自噴生產數據，該井平均產氣量為14.86×104m3/d，遠大于最大臨界攜液流量6.752×104m3/d，證明設計的射流泵下泵深度滿足現場生產的需要，能夠保證該井在較長時間內正常帶液生產并且節省管柱，降低了生產成本，提高了經濟效益。

表4 XX井正常自噴攜液生產數據

5 結論

(1)XX區塊XX井的現場數據證實了提出的常壓高氣液比頁巖氣井射流泵下泵深度設計思想的可行性，對現場施工具有指導意義。

(2)根據本工藝計算得到的射流泵最佳下泵深度進行現場施工，能夠節省管柱，有效降低生產成本，對頁巖氣井射流泵排水采氣工藝的使用和推廣具有積極作用。

(3)對于準備采用確定射流泵下泵深度設計的頁巖氣井，應采用實測的IPR曲線進行計算設計，以減小工程誤差。