致密氣藏井下智能排水采氣裝置研制及應用

楊全蔚,劉 輝,王 磊,常玉婷,曹國佳,陳 晨,王聞濤

(1.中國石油長慶油田分公司 第二采氣廠,陜西 榆林 719000;2.中國石油寶雞石油機械有限責任公司, 陜西 寶雞 721002)

以蘇里格氣田為代表的致密氣藏屬于典型的低壓、低滲、低豐度“三低”氣藏[1-4],氣水關系復雜,區(qū)域內氣藏含水差異明顯;氣井投產后產氣量低,壓力下降快,氣井攜液能力不足,積液氣井逐年增加。隨著氣井生產時間的延長,絕大多數氣井處于低壓、低產階段,依靠氣井自身的能量難以將井底積液排除[5-6]。低壓氣井逐年增加給氣田開發(fā)和管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。氣井低產、積液已經成為制約氣井穩(wěn)定生產的關鍵因素,規(guī)模化采用排水采氣工藝技術是解決氣井積液問題的有效手段。

針對致密氣田氣井低壓、低產階段時間長、積液井不斷增多的現狀,長慶油田開發(fā)了泡沫排水、速度管柱、柱塞氣舉等氣井排水采氣技術。泡沫排水技術對于產氣量0.5×104m3/d以上積液氣井,有效率高,且產量越高,效果越明顯。速度管柱技術對于低產階段穩(wěn)產能力強的Ⅰ類氣井,有效期長。柱塞氣舉技術可用于產氣量0.3×104m3/d以上或以下間歇生產氣井的排水采氣,但當地層瞬時出液量多時可能將柱塞“淹死[7-10]。其中,泡沫排水技術適用的氣井產氣量>0.3×104m3/d,產水量<25 m3/d;速度管柱技術適用的氣井產氣量≥0.3×104m3/d,產水量<5 m3/d ;柱塞氣舉技術適用的氣井產氣量>0.3×104m3/d,產水量<10 m3/d。以上排水采氣技術基本解決了產氣量0.3×104m3/d以上積液氣井的排水采氣問題,改善了致密氣藏的開發(fā)效果,取得了顯著的經濟效益。

但是,產氣量<0.3×104m3/d的積液氣井占積液氣井數的絕大部分,上述3種氣井排采氣技術對于這些積液氣井的適應性及效果較差。另外,以上3種排水采氣技術無法根據井下實際工況進行精準排水采氣,存在井筒積液排除不徹底、無效關井時間長、排液效率低等問題。為解決產氣量<0.3×104m3/d積液氣井的排水采氣問題,研制了致密氣藏井下智能排水采氣裝置(以下簡稱智能排水采氣裝置)。該裝置可根據井下實際工況進行精準排水采氣,井筒積液排除不徹底,排液效率高,無效關井時間短。本文介紹了智能排水采氣裝置的結構、工作原理,以及應用情況。

1 結構及工作原理

智能排水采氣裝置主要由復合密封、溫度傳感器、旁通中心流道孔、控制器、控制電機等組成,結構如圖1所示。

1-復合密封;2-旁通中心孔流道;3-溫度傳感器;4-控制器;5-控制電機。 圖1 致密氣藏井下智能排水采氣裝置結構

智能排水采氣裝置在裝配時由注液孔向密閉液腔注入液壓油。配置的多種傳感器將感知、采集、存儲、計算、控制、通訊等數字信息融為一體。采用溫度智能控制原理,編制控制程序并存入智能排水采氣裝置的控制存儲模塊。智能排水采氣裝置深入井下,通過實時采集和分析井筒數據,自動探明井筒液面位置。控制系統的工作原理如圖2所示。

智能排水采氣裝置在井筒內下落時,溫度傳感器測量環(huán)空流體的溫度值,當該溫度值小于預設控制溫度值時,控制存儲模塊發(fā)出控制指令,使控制電機啟動并帶動心軸向下運動。液腔容積增大,金屬與高彈性密封的復合密封結構收縮,旁通孔中心流道孔打開,智能排水采氣裝置快速下落。

智能排水采氣裝置進入井筒液面一定深度后,當測得的流體溫度值大于預設控制溫度值時,控制存儲模塊發(fā)出控制指令,使控制電機帶動心軸向上運動。液腔容積受控減小,在液壓力的作用下,金屬與高彈性密封的復合密封結構受壓膨脹并密封油管內壁,旁通孔中心流道孔接受控制反饋信號而自動關閉,智能排水采氣裝置自動懸停,液氣流體被密封在金屬與高彈性密封的復合密封結構上端,使井底氣體憋壓而產生高壓,將智能排水采氣裝置及密封的液氣流體推向井口,實現自上而下、分級分段定量周期往返,完成智能排水。

2 技術參數

外形尺寸 ?59.5 mm×1 000 mm

工作壓力 ≤35 MPa

工作溫度 ≤150 ℃

壓力傳感器精度 0.03% FS

溫度傳感器精度 ±0.5 ℃

3 關鍵技術

1) 小閉環(huán)控制技術。

智能排水采氣裝置采用井下小閉環(huán)控制技術,溫度傳感器測量井筒內的溫度。微處理器將預置的開關旁通孔中心流道溫度參數信息與實時測得的溫度信息進行比較,當該智能裝置沉入液面以下達到關閉旁通孔中心流道設定溫度值時,控制程序發(fā)出控制指令,使旁通孔中心流道關閉,智能裝置懸停憋壓。當智能排水采氣裝置上行至井口,測得溫度值達到設定的打開旁通孔中心流道設定的溫度值時,控制程序發(fā)出控制指令,使旁通孔中心流道打開并排水、排氣,智能排水采氣裝置下行,完成1個周期的排水采氣。

2) 可開啟和關閉的旁通孔中心流道結構。

采用可接通和關閉的旁通孔中心流道結構,當旁通孔中心流道接通和關閉時,分別實現智能排水采氣裝置在井筒內快速下落和在井筒中的憋壓上行功能。

3) 溫度智能控制準則。

智能排水采氣裝置入井前,按照事先測得的井筒溫度梯度進行控制程序編程,而后將溫度控制程序輸入致密氣藏井下智能排水采氣裝置的存測儲單元。進行排水采氣作業(yè)時,該智能排水采氣裝置根據井筒溫度自動實現井下小閉環(huán)控制功能,控制其旁通孔中心流道的開合,實現智能排水采氣。井筒內溫度變化幅度較小,采用溫度傳感器采集井筒溫度,將溫度作為智能控制準則的方式,控制判斷流道開合更加準確及時。

4) 金屬與高彈性密封的復合結構。

采用金屬與高彈性密封的復合結構,提高了智能排水采氣裝置的密封性能和使用壽命。

5) 智能識別井筒動液面并精準排水采氣技術。

采用溫度智能控制原理,事前將控制程序存入智能排水采氣裝置。智能排水采氣裝置通過溫度、壓力傳感器實時采集和分析井筒數據,自動探明井筒液面位置。當到達設定排水深度,旁通孔中心流道受控閉合,可精準排水采氣。

4 選井要求

1) 直井或井斜度小于60°,井深≤3 500 m。

2) 適用油管規(guī)格60.3 mm(2″)、73.0 mm(2″)、88.9 mm(3″),油管無破損、變形、脫落。

3) 0.05×104m3/d≤產氣量<0.3×104m3/d,產水量≤10 m3/d,油壓力比地面輸送壓力大0.5～1.0 MPa。

4) 尾管上部50 m以上安裝卡定器。

5) 具有井筒溫度梯度測試數據。

5 應用步驟

5.1 通井

5.2 井下卡定器的安裝

連接工具串。工具串結構為:鋼絲繩帽+加重桿+機械震擊器+投撈工具+卡定器。

打開采氣樹閥門,將卡定器下入預訂深度,正常下入速度≤100 m/min。下入要平穩(wěn),防止下擊剪斷打撈工具內的銷釘,造成卡定器提前坐封。

5.3 井筒溫度和壓力梯度測試

連接工具串。工具串結構為:鋼絲繩帽+加重桿+機械震擊器+智能排水采氣裝置的測控存單元部件。 工具串入井進行溫度、壓力梯度測試,根據井深間隔200 m或500 m測試1個點,直至通井深度。緩慢起出工具串,讀取測試數據,生成井筒溫度、壓力梯度圖表,分析數值,為智能排水采氣裝置溫度控制程序編寫做準備。

5.4 智能排水采氣裝置控制程序編寫

數據線連接智能排水采氣裝置和編程電腦,根據采集到的溫度梯度數據進行控制程序編寫。該控制程序需要設置的參數為:識別溫度值(井口溫度)、初始井下關閥溫度值(動液面處的溫度)、最大關閥溫度值(卡定器處的溫度)、跟蹤動液面溫度增量值(裝置沉沒到動液面一定深度的控制溫度,一般取3 ℃),溫度闕值(旁通孔中心流道在井口位置打開的溫度公差值,一般取±0.5 ℃)等。將編制好的控制程序輸入智能排水采氣裝置的存儲單元,并作為該系統在井筒內排水采氣的工作程序。

5.5 智能排水采氣裝置的投放

1) 關閉采氣樹的7#閥門、針閥,泄壓,將智能排水采氣裝置的防噴管安裝到采氣樹的7#閥門頂端拆除法蘭的螺紋孔內,將智能排水采氣裝置裝入防噴管內,關閉捕捉器。

2) 安裝撞擊塊、上緩沖彈簧、防噴管帽。

3) 打開采氣樹閥門(1#、4#、7#),然后打開捕捉器,釋放智能排水采氣裝置,使其在井筒內自由下落。

4) 關閉采氣樹閥門(1#)、針閥,泄壓,拆除防噴管,將采氣樹的7#閥門上的法蘭安裝到位。

5) 打開采氣樹閥門(1#)及針閥,開啟正常作業(yè)生產流程。

6 應用實例

6.1 井況參數

神木氣田X井完井深度2 610 m,油管內徑62 mm,油管下深2 420 m。生產層為山21、太22、本溪組,未下入節(jié)流器。該井為1口間歇生產井,油壓2.5 MPa、套壓10.8 MPa、平均日產氣量0.1×104m3/d。由于產氣量較低,其他排水采氣工藝均不適宜。采用智能排水采氣裝置的測控存單元部件進行井筒的溫度、壓力梯度測試,數據如表1所示。分析表1的數據知,在井深1 500 m處存在變密度液面,即,該深度處為井筒的動液面位置,說明井筒存在積液水淹現象。為此,選擇在該井進行智能排水采氣裝置排水采氣試驗應用。

表1 神木氣田X井的溫度和壓力梯度數據

6.2 智能排水采氣裝置及排采工藝參數

1) 卡定器下入深度。

根據油管下深,在距離油管鞋以上約50 m,即,井深2 343 m處下入卡定器。

2) 智能排水采氣裝置控制編程參數。

根據表1測得的溫度及溫度梯度數據進行智能排水采氣裝置控制程序編程,控制程序參數設置如下:識別溫度為(井口溫度)17.58 ℃、初始井下關閥溫度為(動液面處的溫度)42.32 ℃、最大關閥溫度為(卡定器處的溫度)60 ℃、跟蹤動液面溫度增量為(裝置沉沒到動液面一定深度的控制溫度)3 ℃,溫度闕值為(旁通孔中心流道在井口位置打開的溫度公差值)±0.5 ℃。將編制好的控制程序輸入智能排水采氣裝置存儲單元,并作為該系統在井筒內排水采氣的工作程序。

智能排水采氣裝置入井后,溫度傳感器檢測到動液面溫度值,當溫度升高3 ℃時(裝置沉入動液面以下一定深度),控制系統控制旁通孔中心流道關閉,智能排水采氣裝置懸停憋壓;當智能排水采氣裝置運行到井口,溫度傳感器檢測到井口處溫度為17.5 ℃±0.5 ℃時,控制系統控制旁通孔中心流道打開,排出氣、液后智能排水采氣裝置自由落入井筒內,即完成1個周期的定量排水采氣。

6.3 試驗應用效果分析

智能排水采氣裝置在神木氣田X井穩(wěn)定工作21 d,各部分工作狀態(tài)良好。圖3為智能排水采氣裝置的工作狀態(tài)曲線圖,溫度和壓力曲線規(guī)律、平穩(wěn)。從圖3可以看出,智能排水采氣裝置能夠按設定參數的控制程序工作,控制姿態(tài)調整及時,可自動探測液面位置并沉沒與動液面以下一定深度,智能排水采氣裝置在井筒內運行深度逐漸加深,實現了逐級定量排水功能,井筒液面逐漸降低,成功排出井筒積液。

圖3 智能排水采氣裝置工作狀態(tài)曲線

表2為智能排水采氣裝置應用前后油套壓、日產氣量等數據。由表2可以看出, 智能排水采氣裝置應用前,油壓2.5 MPa、套壓10.8 MPa、日產氣0.1×104m3/d,油套壓差較大,日平均產氣量較小。智能排水采氣裝置應用后,油壓2.8 MPa、套壓6.3 MPa、日產氣5 119 m3/d,日均增產氣4 119 m3/d,累計增產氣86 499 m3,油壓上升,套壓下降4.5 MPa,日產氣量大幅提高,達到排采平衡,成功將井激活,表明智能排水采氣裝置可以使氣井達到最佳化生產狀態(tài)。

表2 智能排水采氣裝置應用前后數據對比

7 結論

1) 智能排水采氣裝置試驗應用后,實現了自動精準探液面、逐級定量排水采氣功能,成功將井筒中的積液排出,達到了排采平衡,增產效果明顯。

2) 經過試驗應用證明,智能排水采氣裝置的溫度控制能很好地同井筒的實際工況相結合,助力智能排水采氣裝置功能的實現。

3) 工作一段時間后,智能排水采氣裝置出現了銹蝕、磨損情況,需提高其耐腐蝕、耐磨損性能。

4) 電池組電量不足,不能維持長時間工作。建議優(yōu)選放電性能更優(yōu)的電池組,或者在智能排水采氣裝置內集成無線充電單元。

5) 智能排水采氣裝置的數據存儲空間有限,工作期內需從井中起出該裝置,人工導出存儲數據,耽誤生產時間。建議在智能排水采氣裝置內集成無線數據傳輸單元。