頁巖氣井排水采氣工藝綜合優選方法

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研究院 3頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室 4中國石油川慶鉆探公司井下作業公司

0 引言

頁巖氣作為一種潛力巨大的非常規天然氣資源，其高效開發對于保障我國能源安全具有重要意義[1]。頁巖氣井井身結構復雜，采用多級壓裂進行儲層改造，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場經驗法[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，無法實現多工藝定量優選，導致工藝實施效果較差。為此，根據壓力供給與臨界攜液原則，綜合考慮產氣量、產液量、壓力界限、攜液界限和井身結構等多因素，建立了“一井一策”的頁巖氣井排水采氣工藝綜合優選方法，結合經濟效益分析，實現排水采氣工藝定量優選。

1 排水采氣工藝適用性評價

不同排水采氣工藝的本質原理都是從壓力和攜液兩方面單獨或共同作用來實現井筒排液。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。

目前頁巖氣田現場常用的排水采氣工藝包括井口增壓、泡排、柱塞氣舉、優選管柱等非補能工藝，以及連續氣舉、電潛泵、射流泵等補能工藝。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生產管柱為例，得到工藝作用原理、適用條件與經濟性(表1)。

表1 排水采氣工藝原理、適用條件與經濟性

2 壓力與攜液分析

非補能排水采氣工藝的優選，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。當非補能排水采氣工藝均無法適用時，則優選補能排水采氣工藝。

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氣井產能方程得到：

(2)

式中：Qg—產氣量(標況)，m3/d；pR—地層壓力，MPa；C—系數，m3/d·MPa-2n；n—指數，無因次。

對于優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]。根據涪陵頁巖氣井的現場數據(表2)優選兩相流模型，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 兩相流模型計算結果

表2 頁巖氣井現場數據表

對于泡排工藝，根據泡排井筒不同流型機理，分別確定不同流型的泡沫流體密度和摩阻系數[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，無因次；vm—泡沫流體速度，m/s；D—管道內徑，m；dz—井筒分段長度，m。

對于柱塞氣舉工藝，忽略柱塞運移時的摩擦力和漏失[11]，根據柱塞舉升液柱剛好達到井口的臨界狀態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，應用排水采氣工藝后的實際產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(標況)，m3/d。

目前的臨界攜液流量方法有多種[12]，然而現有臨界攜液流量方法未全面考慮井筒返排液量變化、液滴形狀特征和復雜井身結構。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[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)

根據最大穩定橢球型液滴總表面能與氣相紊流動能的平衡關系，可得到最大穩定橢球型液滴長軸公式：

(8)

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

(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；dec—最大穩定橢球型液滴長軸，m；Cd—曳力系數，無因次；R—造斜率，(°)/30 m；σ—表面張力，N/m；Ql—產液量，m3/s；μg—氣相黏度，Pa·s；ρg—氣相密度，kg/m3。

全井筒臨界攜液流量為：

(10)

式中：Qc—臨界攜液流量(標況)，m3/d；p—壓力，MPa；T—溫度，K；Z—氣相偏差系數，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用Fiedler形狀函數修正。5種臨界攜液流量模型的積液預測精度如表4，可知本文模型的積液預測精度最高，為94.1%。本文模型的最大臨界攜液流量計算結果如圖3。

表4 臨界攜液流量方法積液預測精度

圖3 最大臨界攜液流量與實際產氣量比較

優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選方法

建立頁巖氣井排水采氣工藝綜合優選方法，如圖4所示。

圖4 排水采氣工藝綜合優選方法

工藝綜合優選步驟為：

(1)根據工藝的適用性,初選非補能排水采氣工藝。

(2)計算流入動態曲線和非補能排水采氣工藝的流出曲線。

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

(4)計算非補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曲線的交點做垂直于橫坐標的直線，與橫坐標的交點作為攜液適用界限Qgc。

(6)根據適用區間和經濟效益優選非補能排水采氣工藝，如果非補能排水采氣工藝無適用區間，則優選補能排水采氣工藝。

4 現場實例

4.1 排水采氣工藝優選

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

圖5 焦頁X井排水采氣工藝優選

如表5，實施泡排后，該井從間歇生產轉變為連續生產，產氣量增加至3.9×104m3/d，產液量增大，油套壓差減小，應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選方法的有效性。

表5 泡排工藝應用效果

4.2 經濟效益評價

根據表1，泡排的工藝成本約為18元/103m3，成本低于井口增壓、柱塞氣舉和優選管柱。涪陵頁巖氣田應用泡排的成本費用主要包括：泡沫加注裝置與配套管線費用約20萬元/套，泡排藥劑費用約2萬元/年。初定焦頁X井應用泡排后的穩產有效期為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出比為1/5，具有良好的經濟效益。隨著泡排工藝應用有效期延長，其投入產出比將會進一步降低，因此泡排工藝是一種有效的低成本排水采氣工藝。

5 結論

(1)排水采氣工藝優選需同時考慮壓力供給和臨界攜液原則，并兼顧經濟效益，應用工藝后的井口油壓須滿足井口外輸要求，實際產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確計算井筒壓降，根據誤差分析優選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確計算全井筒臨界攜液流量，綜合考慮產液量、液滴變形和造斜率變化引起的液滴碰撞，建立了預測精度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選方法，實現了排水采氣工藝“一井一策”定量優選，為現場工藝選擇提供指導。