澀北氣田氣舉工藝的研究及應(yīng)用

歐寶明 葉富艷 濮蘭天 鄭旭偉 馬洪奎 陳曉宏

（1.中國(guó)石油青海油田公司鉆采工藝研究院，甘肅 敦煌 736202；2.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司青海分公司，甘肅 敦煌 736202；3.中國(guó)石油青海油田公司采氣一廠，青海 格爾木 816000；4.中國(guó)石油青海油田公司氣田開發(fā)處，甘肅 敦煌 736202）

0 引言

柴達(dá)木盆地澀北氣田為國(guó)內(nèi)外罕見的第四系生物成因疏松砂巖氣藏，是青海氣區(qū)天然氣開發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)。隨著氣田開發(fā)的深入，氣井積液日益嚴(yán)峻，水淹氣井逐年增多。目前，氣田共有積液井374口，占總井?dāng)?shù)的44%，積液井平均積液高度為309 m，積液井總產(chǎn)能為195.5×104m3，占?xì)馓锟偖a(chǎn)能的12.4%。受氣井出水的影響，氣田穩(wěn)產(chǎn)形勢(shì)日益嚴(yán)峻。氣田已經(jīng)形成的泡排、優(yōu)化管柱等利用氣井自身能量的排采工藝已不能滿足水淹氣井的排水及復(fù)產(chǎn)需求。螺桿泵、電潛泵、抽油機(jī)等機(jī)械類排采工藝受氣井出砂的影響有效期較短，均未取得顯著效果[1]。為有效解決水淹氣井的排水及復(fù)產(chǎn)需求，開展氣舉工藝技術(shù)研究，探索邊水氣藏開發(fā)中后期的治水關(guān)鍵技術(shù)。

1 氣田概況

澀北氣田位于柴達(dá)木盆地東部，包括澀北一號(hào)、澀北二號(hào)、臺(tái)南3個(gè)整裝大型氣田，都屬于第四系疏松砂巖背斜層狀邊水氣藏。儲(chǔ)層主要為粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，欠壓實(shí)、成巖性差、膠結(jié)疏松，氣藏埋藏淺、易出砂且氣水界面復(fù)雜是氣田的主要特點(diǎn)[2-3]。

澀北氣田地勢(shì)較為平坦，氣井分布集中，經(jīng)過(guò)多年的開發(fā)建設(shè)，已經(jīng)建成了各類集氣站15座，氣田均采用“兩套管網(wǎng)集氣、站內(nèi)加熱、節(jié)流、常溫分離、集中增壓、集中脫水”的總體集輸方式[4]。單井來(lái)氣在各集氣小站經(jīng)過(guò)常溫分離后匯集至各氣田集氣總站進(jìn)行二次脫水外輸。隨著氣田開發(fā)的進(jìn)行，氣田出水逐年加劇。目前澀北氣田單井日產(chǎn)水量為6 m3，水氣比為2.22 m3/104m3，且呈逐年上升趨勢(shì)。氣田共有積液井374口，占總井?dāng)?shù)的44.0%，其中，48.5%的積液井瀕臨水淹，需要連續(xù)排水才能維持穩(wěn)定生產(chǎn)。

2 澀北氣田氣舉工藝研究

2.1 工藝原理及特點(diǎn)

氣舉工藝主要用于水淹井復(fù)產(chǎn)、產(chǎn)水量較大的氣井助排及氣藏強(qiáng)排水，是目前有水氣田開發(fā)中較好的排水采氣工藝措施之一[5]。氣舉工藝排水量范圍大，不受氣井氣液比的變化、井型及出砂的限制，操作管理簡(jiǎn)單，改變工作制度靈活[6]。氣舉排水采氣是通過(guò)向井筒補(bǔ)充氣體流量，直至氣相流體達(dá)到臨界攜液流速，從而將井底積液和地層產(chǎn)出液排出，達(dá)到降低井底回壓、恢復(fù)氣井正常生產(chǎn)或提高氣井產(chǎn)量的目的，最終獲得較高的采氣速度和采收率。該工藝施工管柱簡(jiǎn)單，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，不受氣井出砂及井型的限制。

氣舉工藝根據(jù)地面注氣流程及設(shè)備的不同，可分為撬裝移動(dòng)壓縮機(jī)氣舉和集中增壓氣舉。撬裝壓縮機(jī)具有移動(dòng)性強(qiáng)、排氣量小、只能同時(shí)對(duì)一口井氣舉的特點(diǎn)；集中增壓氣舉是氣田內(nèi)部建立增壓站及配氣閥組，通過(guò)鋪設(shè)氣舉管線至各個(gè)氣舉單井，由配氣閥組區(qū)控制注氣量及壓力，具有自動(dòng)化程度高、可同時(shí)對(duì)多口井連續(xù)氣舉的特點(diǎn)[7]。

2.2 氣舉方式的選擇

根據(jù)澀北氣田氣井的產(chǎn)量情況及氣井現(xiàn)有的油管生產(chǎn)進(jìn)站流程選取氣舉方式，見表1。

表1 澀北氣田氣舉方式的優(yōu)選表

2.3 氣液兩相管流壓力計(jì)算模型的優(yōu)選

多相管流壓力計(jì)算是分析產(chǎn)水氣井井筒壓力分布的核心，目前公開發(fā)表的管流多項(xiàng)式多達(dá)幾十種，由于是在理論和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，因此沒(méi)有一種放之四海而皆準(zhǔn)的模型能解決所有管流的問(wèn)題[8]。不同性質(zhì)的流體介質(zhì)、氣液比例、管徑、壓力等因素的相互干擾都會(huì)影響多相管流壓力梯度計(jì)算方法的選擇。

對(duì)此，優(yōu)選出澀北氣田產(chǎn)水量較大的25口氣井，用Ansari、Gray、Mukherjee&Brill、Hagedorn&Brown等常用的6種不同模型的管流相關(guān)式預(yù)測(cè)氣井沿井筒的壓力分布情況，通過(guò)與實(shí)測(cè)壓力梯度的對(duì)比，得出Gray模型平均誤差最小，由此，氣舉設(shè)計(jì)時(shí)選用Gray模型為氣液兩相垂直管流壓力計(jì)算模型。

2.4 油管尺寸設(shè)計(jì)

油管尺寸對(duì)氣舉的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先是不同管徑的氣井的臨界攜液流量不同；其次是不同管徑油管壓力損失不同，即在相同井口壓力時(shí)，計(jì)算的井底壓力不同，從而導(dǎo)致氣井流入流出協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)生偏移，氣井產(chǎn)量發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)不同管徑油管的臨界攜液流量及油管壓損的計(jì)算分析，大尺寸油管氣井的所需攜液氣量大，但油管壓力損失小，小尺寸油管氣井所需的攜液氣量小但油管壓力損失大[9-10]。從氣井?dāng)y液及油管壓力損失方面綜合考慮，經(jīng)計(jì)算確定氣舉井選用直徑為60.3 mm的油管。

2.5 注氣量設(shè)計(jì)

李閩模型在澀北氣田判斷氣井積液情況的應(yīng)用中具有較高的準(zhǔn)確性，因此，選用李閩模型進(jìn)行臨界攜液流量計(jì)算。但臨界攜液流量是建立在液滴模型基礎(chǔ)上的霧狀流[11]，霧狀流對(duì)于氣液比是有限制條件的，因此在注氣量設(shè)計(jì)中，應(yīng)以一定氣液比的值作為劃分界限，在此選取氣液比500 m3/m3作為界限。

1）當(dāng)氣井處于高氣液比狀態(tài)時(shí)，井筒內(nèi)液相主要以液滴形式存在。研究表明，在流體介質(zhì)一定的條件下，當(dāng)氣相流速達(dá)到一定值后，氣體可以將液體完全攜帶出井筒，氣舉注氣量可以以臨界攜液流量作為標(biāo)準(zhǔn)[12]，臨界攜液流量與氣井實(shí)際產(chǎn)量之間的差值，即需要對(duì)氣井補(bǔ)充的注氣量。氣液比大于500 m3/m3時(shí)，采用臨界攜液流量作為補(bǔ)充氣量來(lái)避免井底積液是可行的。

2）當(dāng)氣井處于低氣液比狀態(tài)時(shí)，氣液兩相存在不同流態(tài)，難以求得類似霧狀流條件下的數(shù)學(xué)解析解[13]，即不應(yīng)用臨界攜液流量模型來(lái)進(jìn)行注氣量設(shè)計(jì)。對(duì)氣液比小于500 m3/m3的氣井，參照氣舉排水設(shè)計(jì)原則，以追求提高氣體舉升效率最大化為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.6 氣舉壓力設(shè)計(jì)

1）工作壓力。氣舉工作壓力是指正常氣舉帶液生產(chǎn)時(shí)，高壓氣體進(jìn)入油管正常帶水生產(chǎn)時(shí)的注氣壓力[14]。在考慮地層供液和井筒流出協(xié)調(diào)的前提下，結(jié)合優(yōu)選的管流壓力計(jì)算模型，通過(guò)PIPESIM氣舉參數(shù)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算出井筒流壓的分布曲線，根據(jù)連通器原理，通過(guò)油套環(huán)形空間靜氣柱壓力計(jì)算確定氣舉工作壓力。

2）啟動(dòng)壓力。氣舉過(guò)程中需要保證氣井在任何狀態(tài)下注氣系統(tǒng)提供的壓力都能順利將氣體注入油管。假設(shè)井底流壓與地層壓力平衡，氣井不供氣，在注氣過(guò)程中按照U型管原理，油管內(nèi)積液達(dá)到最大高度時(shí)需要的注氣壓力最大，即氣井的啟動(dòng)注氣壓力[15]。

2.7 氣舉地面流程的設(shè)計(jì)

1）撬裝壓縮機(jī)氣舉

撬裝壓縮機(jī)氣舉是通過(guò)利用可移動(dòng)式的車載壓縮機(jī)對(duì)氣體進(jìn)行增壓，增壓后的氣體進(jìn)入井筒，帶出井筒積液。根據(jù)氣舉氣源的不同，可分為氮?dú)鈿馀e和天然氣氣舉，制氮車產(chǎn)生的氮?dú)饨?jīng)增壓后通過(guò)套管注入井筒，流程簡(jiǎn)單。結(jié)合氣田井距小的實(shí)際情況，天然氣壓縮機(jī)氣舉采用的是集氣站內(nèi)外輸氣，經(jīng)過(guò)鄰井的進(jìn)站管線返輸至井場(chǎng)，通過(guò)天然氣壓縮機(jī)增壓后注入井筒。地面工藝流程如圖1所示[16]。由于澀北氣田井深不超過(guò)2 000 m，一般撬裝壓縮機(jī)排氣壓力及排量均可滿足氣舉需求。

圖1 撬裝壓縮機(jī)氣舉地面流程圖

2）集中增壓氣舉

集中增壓氣舉即在氣田內(nèi)部建立集中增壓站及配氣閥組區(qū)，通過(guò)鋪設(shè)氣舉管線至各個(gè)需要?dú)馀e的單井，由配氣閥組區(qū)控制注氣量及注氣壓力，可同時(shí)對(duì)多口氣井進(jìn)行氣舉排水，其工藝流程見圖2。集中增壓氣舉工藝為一系統(tǒng)性工程，涉及到地面、井筒、產(chǎn)層3個(gè)方面，需要做到3個(gè)方面的有機(jī)銜接才能使該工藝高效運(yùn)行。該工藝在氣田井距小、氣井集中、地層供液能力強(qiáng)的情況下適應(yīng)性較強(qiáng)。

圖2 集中增壓氣舉工藝流程圖

集中增壓氣舉系統(tǒng)主要由氣體增壓系統(tǒng)、氣體輸送系統(tǒng)、氣量分配系統(tǒng)、氣井及氣體處理系統(tǒng)等5部分組成，各個(gè)部分的功能見表2。其中，氣體增壓系統(tǒng)是氣舉系統(tǒng)的核心，但各部分合理匹配才能形成完整的氣舉生產(chǎn)系統(tǒng)。集中增壓氣舉系統(tǒng)具有3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：供氣系統(tǒng)集中；單井調(diào)控、配氣、計(jì)量集中；生產(chǎn)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和遠(yuǎn)控，自動(dòng)化程度高。

結(jié)合澀北氣田集氣站的功能及“無(wú)人值守、定期巡檢”的運(yùn)行模式[17]，如表3所示，充分利用已建設(shè)施，方便管理，減少地面投資，確定在集氣總站取氣并建立集中增壓站，在小站建立配氣閥組，配氣后由支線到達(dá)氣舉井筒的整體地面建設(shè)方案。

氣舉壓縮機(jī)的排出壓力必須能滿足所需注氣壓力最高井氣舉的啟動(dòng)。然而，氣井啟動(dòng)后，注氣壓力將長(zhǎng)期處于較低的壓力狀態(tài)，選用較高壓力等級(jí)的壓縮機(jī)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備利用率降低，此外，高壓力級(jí)別的壓縮機(jī)費(fèi)用昂貴，相應(yīng)帶來(lái)的是地面投資的增加[18]，根據(jù)預(yù)測(cè)得到試驗(yàn)井啟動(dòng)壓力及工作壓力（圖3）并從氣田高效開發(fā)、降本增效的角度考慮，結(jié)合氣舉閥下入情況確定集中增壓氣舉壓縮機(jī)的壓力級(jí)別為10 MPa。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果評(píng)價(jià)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況及效果

撬裝壓縮機(jī)氣舉。2015-2017年針對(duì)中等水淹井開展撬裝氣舉施工共178口井、293井次，累計(jì)增氣量為25 416.8×104m3，累計(jì)排液量為12.1×104m3（表4、圖4）。

表4 2015-2017年澀北氣田撬裝氣舉效果統(tǒng)計(jì)表

圖4 澀北氣田歷年撬裝氣舉效果圖

集中增壓氣舉。澀北氣田集中氣舉地面配套工程自2016年建成以來(lái)，已陸續(xù)實(shí)施氣舉井共17口，有效率為100%，實(shí)現(xiàn)了多井同時(shí)連續(xù)有效排水的目的，恢復(fù)了水淹井的帶液穩(wěn)定生產(chǎn)。日增天然氣產(chǎn)量為11×104m3，日排水量為172.7 m3，已累計(jì)運(yùn)行411 d，增產(chǎn)天然氣產(chǎn)量為3 466×104m3、氣田水排水量為5.87×104m3（圖5）。

圖5 澀北氣田集中增壓氣舉實(shí)施效果圖

圖6 澀R46-3井氣舉前后井筒流壓分布情況圖

3.2 典型井分析

澀R46-3井位于澀北二號(hào)氣田Ⅲ-2層組邊部。2013年12月因水淹停產(chǎn)，地層靜壓為12.1MPa，預(yù)

計(jì)啟動(dòng)壓力高于集中氣舉設(shè)備的壓力級(jí)別，對(duì)此，該井下入兩級(jí)閥，氣舉閥設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。下閥后均能通過(guò)集中氣舉氣源啟動(dòng)卸載并維持氣舉生產(chǎn)，啟動(dòng)壓力較原井管柱氣舉降低2.0 MPa。初期日注氣量為0.8×104m3，恢復(fù)生產(chǎn)壓差為2.4 MPa，實(shí)現(xiàn)日增天然氣量為0.75×104m3、日氣田水排水量為37.3 m3，達(dá)到了氣舉閥氣舉排水采氣的目的。目前已累計(jì)增產(chǎn)天然氣達(dá)120.64×104m3，累計(jì)氣田水排水量為2 226 m3。

表5 澀R46-3井氣舉閥參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果表

通過(guò)分析該井氣舉前后以及不同氣舉注氣量的流壓測(cè)試結(jié)果（圖6），氣舉后井筒積液高度及井筒壓損得到明顯降低，通過(guò)連續(xù)氣舉恢復(fù)了氣井穩(wěn)定生產(chǎn)。從氣舉時(shí)不同氣舉注氣量時(shí)的井筒壓力分布曲線可以看出，注氣量的變化會(huì)導(dǎo)致注氣點(diǎn)位置變化，從而影響井筒壓損及產(chǎn)氣量的變化，不同的氣舉氣量可相應(yīng)控制各類氣井的生產(chǎn)制度（表6）。

3.3 工藝評(píng)價(jià)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，撬裝壓縮機(jī)氣舉靈活性強(qiáng)，可對(duì)任意氣井氣舉；前期投資少，勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)行成本高；壓力級(jí)別高但瞬時(shí)注氣量小，只能對(duì)一口井進(jìn)行作業(yè)，適合小水量井的間歇?dú)馀e。對(duì)水淹氣井能及時(shí)排水，以減小氣井進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)，同時(shí)提高了復(fù)產(chǎn)的可能性。集中增壓氣舉工藝瞬時(shí)注氣量大、氣量調(diào)節(jié)范圍寬、自動(dòng)化程度高，可同時(shí)對(duì)多口井進(jìn)行氣舉排水，適合氣藏水淹區(qū)域的整體排水采氣。初期地面投資大，但運(yùn)行成本低，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)氣舉；建設(shè)周期長(zhǎng)，氣舉單井需鋪設(shè)管線，適合小井距；適合產(chǎn)水量大的氣井及在地層水淹區(qū)域中使用。這兩種工藝優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了氣田“點(diǎn)和面”的全覆蓋，該工藝將成為澀北氣田開發(fā)中后期的重要生產(chǎn)措施。

表6 不同注氣量時(shí)氣井生產(chǎn)參數(shù)變化表

撬裝壓縮機(jī)氣舉及集中增壓氣舉工藝的成功應(yīng)用有效解決了澀北氣田水淹井的復(fù)產(chǎn)難題，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)出較好的適用性，其中集中氣舉達(dá)到了多井同時(shí)、連續(xù)排水的效果，氣舉地面配套流程、壓縮機(jī)選型及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)等均可滿足水淹井的復(fù)產(chǎn)需求。2015-2017年現(xiàn)場(chǎng)共實(shí)施195口井，累計(jì)增產(chǎn)天然氣量為2.89×108m3、排水量為18×104m3，工藝參數(shù)設(shè)計(jì)符合率達(dá)到90%。累計(jì)產(chǎn)出為26 256萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)為19 135萬(wàn)元，投入產(chǎn)出比為1∶4，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1）氣舉工藝是通過(guò)提供外部能量舉升井筒積液，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，不受氣井出砂及氣液比變化的影響，主要用于水淹井的復(fù)產(chǎn)及大產(chǎn)水量氣井的助排，適合在澀北易出砂氣田水淹氣井中應(yīng)用。

2）形成單井撬裝和多井集中氣舉排水的水淹井復(fù)產(chǎn)工藝模式，2015-2017年在澀北氣田應(yīng)用達(dá)195口井，累增產(chǎn)天然氣量為2.89×108m3，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)為1.9萬(wàn)元，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，兩種氣舉模式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了氣田“點(diǎn)和面”的全覆蓋，地面配套流程、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)等均可滿足水淹井的復(fù)產(chǎn)需求，其集中氣舉達(dá)到了多井同時(shí)、連續(xù)排水的效果，將成為氣田開發(fā)中后期低成本、高效益持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。