致密低滲氣藏氣井“四線六區(qū)”工況識別方法

周 瑞 立

中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院

0 引言

大牛地氣田屬于典型的致密低滲透氣藏，截至2018年底，探明儲量動用程度達(dá)79.37%，每年新建產(chǎn)能合計70.9 108m3，除自然遞減外保有產(chǎn)能45 108m3。受地層低壓、低產(chǎn)、低滲“三低”特征的影響氣井產(chǎn)能年遞減率在10%以上，遞減較快，尤其到開發(fā)中后期，氣井整體呈現(xiàn)低產(chǎn)、低壓、低氣液比“三低”特征，受壓力和產(chǎn)液影響，排液難度劇增，給氣井工況識別及穩(wěn)產(chǎn)工藝選擇帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

大牛地現(xiàn)有的氣井工況診斷方法主要有產(chǎn)能評價法、生產(chǎn)潛力評價法、攜液能力評價法、排水工況分析法等[1-7]。這些方法相互獨(dú)立，僅能判斷工況好壞或優(yōu)劣，無法系統(tǒng)、準(zhǔn)確、科學(xué)地判斷氣井工況所處階段，不利于全生命周期、系統(tǒng)分析及指導(dǎo)工藝選擇。筆者在“生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)點分析”方法的基礎(chǔ)上，將 “臨界攜液曲線”和“臨界攜泡曲線”有機(jī)整合，繪制在同一圖版，進(jìn)而將全生命周期氣井工況細(xì)分為6個典型特征區(qū)，結(jié)合不同特征區(qū)生產(chǎn)狀況及配套排采工藝，又分為4個生產(chǎn)階段，同時制定不同生產(chǎn)階段適合排采工藝指導(dǎo)表，為大牛地氣田“三低”產(chǎn)井的工況識別及合理排水采氣選擇提供技術(shù)支撐。

1 “四線六區(qū)”工況識別方法

1.1 基本原理

在產(chǎn)能評價與生產(chǎn)優(yōu)化過程中，利用氣井流入流出動態(tài)（IPR）曲線[1]，估算氣井生產(chǎn)能力，確定儲層的生產(chǎn)動態(tài)[6-7]。臨界攜液模型能對井筒連續(xù)攜液工況作出合理的解釋，可以對氣井某一階段進(jìn)行工況評價。該IPR曲線和臨界攜液模型研究相對比較成熟，筆者不再做詳細(xì)研究。在IPR曲線圖版的基礎(chǔ)上，將臨界攜液流量曲線、臨界攜泡流量曲線繪制在同一圖版上，構(gòu)成四線工況圖版，如圖1所示。

圖1 氣井四線工況圖版示意圖

其中，流入曲線、油管動態(tài)曲線按照指數(shù)式產(chǎn)能方程、HB壓降模型計算[8-9]：

式中Qg表示氣井產(chǎn)能，104m3/d；C表示氣井產(chǎn)能方程系數(shù)，無因此；pr表示原始地層壓力，MPa；pwf表示井底流壓，MPa。

式中pm表示流體密度，kg/m3；g表示重力加速度，m/s2；fm表示持液率，%；Gm表示氣液混合物質(zhì)量流量, kg/s；D表示油管直徑，m；A表示流體流動截面積，m2；pL表示液體密度，kg/m3；HL表示液體持液高度，m；pg表示氣體密度，kg/m3。

式中 表示氣、水相質(zhì)量流量，kg/s；表示氣、水相表觀流速，m/s；

兩相摩阻系數(shù)fm采用Jain計算，其中兩相雷諾數(shù)由下式確定，即

式中 分別表示氣、水、混合物黏度，mPa s；vm表示混合物流速，m/s； 表示無滑脫混合物密度，kg/m3。

臨界攜液曲線、攜泡曲線按照如下公式計算[5-6]：

式中μcc表示臨界攜液流速，m/s；σ表示氣液間的界面張力，N/m。

當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)不變時（油管管徑不變、管網(wǎng)壓力不變），氣井油壓下限的油管動態(tài)曲線（油壓為管網(wǎng)壓力）、臨界攜液/攜泡流量曲線均不發(fā)生變化，而流入曲線隨地層壓力下降的逐漸向左下方移動。隨著流入曲線的變化，根據(jù)幾條曲線的關(guān)鍵交點，可將圖版分成6個區(qū)間，即構(gòu)成了“四線六區(qū)”圖版，其中第一條流入曲線以試氣投產(chǎn)時的地層壓力、井底流壓和產(chǎn)氣量為基礎(chǔ)通過一點法方程得到的，第二、三條流入曲線以試井方法得到的并分別通過油管動態(tài)曲線與臨界攜液、攜泡曲線的交點。（圖2）。

1.2 六區(qū)內(nèi)容及判別方法

按照“四線六區(qū)”工況識別方法的基本原理，將氣井整個生命周期劃分為6個區(qū)間。

其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)，均在通過油管動態(tài)曲線與臨界攜液曲線交點流入曲線之上，此流入曲線命名為第二條流入曲線。

Ⅰ區(qū)：此階段氣井生產(chǎn)最佳時期，原理上不需任何輔助工藝可正常生產(chǎn)；一般處于氣井投產(chǎn)初期，受管柱管徑影響較大，若是優(yōu)化管柱可以使兩條臨界攜液流量曲線往左平移，延長氣井無助排時期；

圖2 氣井 四線六區(qū) 工況識別圖版示意圖

Ⅱ區(qū)：此階段氣井處于臨界攜液流量以下，臨界攜泡流量以上，可輔助泡沫排水工藝生產(chǎn)；若氣井產(chǎn)能充足，可適當(dāng)提高配產(chǎn)進(jìn)入Ⅰ區(qū)，延緩泡排介入時機(jī)；或通過優(yōu)化管徑降低臨界攜液流量，也可擴(kuò)大Ⅰ區(qū)無助排時期。

Ⅲ區(qū)：此階段氣井配產(chǎn)不合理區(qū)，達(dá)不到臨界攜泡流量，但氣井壓力高，一般情況下滿足舉升壓力，氣井能夠自噴；有時需配合提產(chǎn)帶液+泡排輔助生產(chǎn)，既是Ⅲ區(qū)向Ⅱ區(qū)過渡；

將通過油管動態(tài)曲線與臨界攜泡曲線交點流入曲線命名為第三條流入曲線。Ⅳ、Ⅴ區(qū)介于第二條流入曲線與第三條流入曲線之間。

Ⅳ區(qū)：此階段氣井基本達(dá)到了此階段的合理生產(chǎn)能力，通過輔助泡排，可正常攜液。

Ⅴ區(qū)：此階段氣井生產(chǎn)情況類似Ⅲ區(qū)，若氣井產(chǎn)能充足，可通過優(yōu)化配產(chǎn)調(diào)整至Ⅳ區(qū)，再輔助泡排保障排液；若氣井產(chǎn)能不足，主要是氣流速低，液體滑脫嚴(yán)重，已達(dá)泡排極限，需優(yōu)通過選柱塞氣舉、超聲霧化、渦流等降低滑脫損失，提高氣井生產(chǎn)能力；或是通過間歇生產(chǎn)提高瞬時流量；還可以通過液氮?dú)馀e、制氮?dú)饩仍瞿芄に囕o助生產(chǎn)，但這些工藝僅能短時間有效，需周期性輔助生產(chǎn)。

Ⅵ區(qū)：該階段氣井位于第三條關(guān)鍵流入曲線下方，此時氣井最大產(chǎn)氣量低于臨界攜泡流量，理論上泡排無效，單純的優(yōu)化泡排已經(jīng)無意義，僅能改善生產(chǎn)狀況，無法治標(biāo)。若氣井產(chǎn)能具有一定生產(chǎn)潛力，可以整站增壓外輸降低管網(wǎng)運(yùn)行壓力或單井負(fù)壓采氣輔助氣井生產(chǎn)，針對產(chǎn)液大氣井可以借助機(jī)抽、電潛泵等強(qiáng)排生產(chǎn)；若氣井產(chǎn)能生產(chǎn)潛力低，一般工藝均無法實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，則采取間歇生產(chǎn)，最大限度提高采收率。

2 “四線六區(qū)”不同階段工藝優(yōu)選

“三低”氣井排水采氣貫穿氣井整個生命周期，其中最經(jīng)濟(jì)、最有效的措施是泡排工藝。以大牛地為例，92%氣井通過泡沫排工藝輔助生產(chǎn)，同時先后試驗了連續(xù)油管、柱塞氣舉、超聲霧化、渦流、同步回轉(zhuǎn)、機(jī)抽排水等工藝[10-20]。為方便不同時期工藝優(yōu)選，根據(jù)各種工藝特點和6個特征區(qū)生產(chǎn)特征，將全生命周期氣井劃分為自主攜液階段、泡排階段、泡排+階段和泡排后階段4個排采階段。

2.1 自主攜液階段

該階段主要分布在Ⅰ區(qū)，此時氣井處于投產(chǎn)初期階段，產(chǎn)能足，大于舉升壓力，且配產(chǎn)高于臨界攜液流量，不需輔助任何工藝可正常生產(chǎn)。但是該階段受生產(chǎn)管柱管徑影響較大，通過縮小管徑可降低臨界攜液流量，臨界攜液曲線則向左移動，自主攜液區(qū)的面積擴(kuò)大，延長氣井無助排期。

以DP1井為例：試氣連續(xù)自噴，采用壓裂投產(chǎn)一體化生產(chǎn)管柱，后期組下?50.8 mm速度管，可延長無助排期到3 520 d；與原 ?73 mm管柱相比可延長無助排期1 182 d。

圖3 DP1井實際生產(chǎn)情況與優(yōu)選管柱對比圖

2.2 泡沫排采階段

該階段主要分布在Ⅱ、Ⅳ區(qū)，此時氣井配產(chǎn)處于臨界攜液和攜泡曲線之間，一般氣井處于生產(chǎn)中后期，地層壓力降低，即舉升壓力降低，達(dá)不到臨界攜液流速，若不采取措施，導(dǎo)致積液不能及時排出，造成氣井水淹。通過起泡劑與井底積水混合，在氣流攪動下生成低密度的含水泡沫，液體表面張力下降，從而改變了井筒內(nèi)氣液流態(tài)[11]。在地層能量不變的情況下，降低了臨界攜液流速，提升了氣井帶液能力，從而把地層水?dāng)y帶至地面。

大牛地目前90%的氣井整體處于該階段，經(jīng)過多年的泡沫排水采氣工藝技術(shù)應(yīng)用，研發(fā)了適合不同壓力區(qū)間泡排體系，建立了氣井積液診斷方法，編制了泡排指導(dǎo)做法表，泡排成功率85.7%，生產(chǎn)時率94.1%，保障氣井生產(chǎn)。

2.3 泡排+排采階段

該階段主要分布在Ⅲ、Ⅴ區(qū)。其中Ⅲ區(qū)氣井主要受配產(chǎn)不合理影響，氣井尚有一定產(chǎn)能，可以通過優(yōu)化配產(chǎn)或優(yōu)選管柱措施，使氣井生產(chǎn)提升至Ⅱ區(qū)，此時可以借助泡排+優(yōu)選管柱輔助生產(chǎn)；Ⅴ區(qū)氣井受舉升壓力較低，氣液滑脫損失大，通過泡排+優(yōu)化管柱工藝往往收效甚微，可通過柱塞氣舉、超聲霧化等工藝減少氣液滑脫，從而提升氣井?dāng)y液能力；也可通過氣舉等增能方式使Ⅴ區(qū)向Ⅳ區(qū)過度，此類氣井常見于水淹井復(fù)產(chǎn)，例如環(huán)空激動、液氮?dú)馀e、鄰井氣舉等工藝，同時輔助泡排保障氣井復(fù)產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

大牛地每年水淹井復(fù)產(chǎn)方面，通過環(huán)空激動、制氮?dú)馀e和天然氣壓縮氣舉等工藝，制氮?dú)馀e258井次/a，壓縮氣舉98井次/a，產(chǎn)量維持在43.5 104m3/d，累計增加產(chǎn)量7 743.3 104m3。

2.4 泡排后排采階段

該階段主要分布在Ⅵ區(qū)。此時氣井已處于某個特定條件下末期或是氣井生產(chǎn)末期。之所以稱之為某個特定條件下末期，是指不同氣田在開發(fā)過程中在特定集氣模式下受外輸壓力影響，達(dá)到每個外輸壓力，通過1次增壓或是2次增壓后，井口壓力下降，流出曲線下移，原在Ⅵ區(qū)將往Ⅴ區(qū)和Ⅳ區(qū)過渡，通過泡排和泡排+工藝可以正產(chǎn)生產(chǎn)。但在增壓后，氣井達(dá)到氣藏廢棄壓后，可以通過井口負(fù)壓裝置進(jìn)一步降低井口壓力進(jìn)一步釋放氣井產(chǎn)能，或是通過間歇生產(chǎn)，等氣井壓力恢復(fù)后，通過提高瞬時流量，輔助泡排等工藝同樣可釋放氣井產(chǎn)能直至氣井完全枯竭或是沒有經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)能力廢棄。

2.5 排水采氣工藝優(yōu)選

結(jié)合氣井6個區(qū)生產(chǎn)特征，將Ⅰ區(qū)定義為自主攜液階段；Ⅱ和Ⅳ區(qū)定義為泡排階段；Ⅲ和Ⅴ區(qū)定義為泡排+階段；Ⅵ區(qū)井定義為泡排后階段。針對不同階段生產(chǎn)特征，從排采工藝的原理、有效性、介入時機(jī)、經(jīng)濟(jì)性入手，建立適合氣井全生命周期不同階段一套科學(xué)、有效的排采工藝指導(dǎo)方法，如（圖4）。

圖4 四線六區(qū) 排采工藝優(yōu)選指導(dǎo)圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 單井應(yīng)用實例

以88-6井為例，生產(chǎn)層位為中二疊統(tǒng)石盒子組盒3段，地層中部深度2 767 m（垂深2 780 m），無阻流量14.8 104m3/d。2005年10月投產(chǎn)，?73 mm加厚油管1根+?89 mm加厚油管292根，喇叭口完深2 753.06 m。該井穩(wěn)產(chǎn)4年，2008年底進(jìn)入定壓降產(chǎn)期，2014年增壓后產(chǎn)量略有上升且穩(wěn)定（表1、圖5）。累計測試流壓30井次，覆蓋氣井整個周期，利于分析。

結(jié)合30余井次的流壓測試，基于流動物質(zhì)平衡的一點法產(chǎn)能方程繪制動態(tài)IPR曲線及臨界攜液/攜泡曲線，繪制出實際生產(chǎn)工況的下“四線六區(qū)”圖版（圖6）。

由圖6可知，初期油管管徑偏大，配產(chǎn)不合理，導(dǎo)致該井實際生產(chǎn)工況處于不合理工況范圍內(nèi)。整體初期生產(chǎn)階段主要分布在Ⅲ區(qū)，因該井產(chǎn)能較足，屬于定產(chǎn)降壓階段，由于產(chǎn)液量相對較小，且滿足氣井舉升，氣井有時輔助提產(chǎn)帶液保障氣井生產(chǎn)；定壓降產(chǎn)階段前期基本上處于Ⅱ區(qū)，通過泡排氣井能夠正產(chǎn)生產(chǎn)，產(chǎn)液穩(wěn)定；受油管管徑偏大影響，氣井沒有明顯的Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)，2013年8月份后該井靠頻繁放空帶液+泡排輔助生產(chǎn)，至2014年9月一期增壓后生產(chǎn)狀況有所改變，但不明顯，需要優(yōu)化管徑，同時進(jìn)一步降低管網(wǎng)運(yùn)行壓力方能改善。

表1 88-6井基本情況表

圖5 88-6井生產(chǎn)曲線圖

圖6 88-6井實際生產(chǎn)工況與 四線六區(qū) 圖版投影交會圖

DPH-60井，水平井，生產(chǎn)層位為盒1段，測試無阻流量11.69 104m3/d。生產(chǎn)管柱?60.3 mm油管，油管下深2 602 m/垂深2 527.3 m。于2012年12月投產(chǎn)，除投產(chǎn)初期受水平井壓裂規(guī)模大，返排率低影響，初期為加快排液，放大壓差生產(chǎn)外，整個生產(chǎn)工況均處于Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)，生產(chǎn)中僅輔助泡排工藝，氣井一直平穩(wěn)生產(chǎn)，和工況識別相符（圖7、圖8）。

3.2 應(yīng)用效果

大牛地2018年推廣“四線六區(qū)”工況識別方法，優(yōu)選具有治理潛力的病態(tài)井259口，其中Ⅱ區(qū)25口，Ⅲ區(qū)16口，Ⅴ區(qū)81口，Ⅵ區(qū)病態(tài)井137口。Ⅱ區(qū)25口中優(yōu)選管柱治理3口井、泡排優(yōu)化18口井、泡排+ 工藝4口井，治理后25口產(chǎn)能由42.7 104m3/d恢復(fù)到47.0 104m3/d；Ⅲ區(qū)16口中優(yōu)選管柱治理1口井、泡排優(yōu)化13口井、泡排+工藝2口井，治理后產(chǎn)能由13.3 104m3/d恢復(fù)到15.8 104m3/d；Ⅴ區(qū)81口中優(yōu)選管柱治理37口井、泡排優(yōu)化42口井、泡排+工藝2口井，治理后產(chǎn)能由85.9 104m3/d恢復(fù)到100.3 104m3/d；Ⅵ區(qū)病態(tài)井137口中優(yōu)選管柱治理41口井、泡排+工藝96口井，治理后產(chǎn)能由43.0 104m3/d恢復(fù)到63.0 104m3/d，合計恢復(fù)產(chǎn)能41.2 104m3/d（表2）。

圖7 DPH-60井生產(chǎn)曲線圖

圖8 88-6井實際生產(chǎn)工況與 四線六區(qū) 圖版投影交會圖

表2 2018年大牛地病態(tài)井治理情況統(tǒng)計表

4 結(jié)論

1）從氣井產(chǎn)能方程出發(fā)，利用臨界攜液/攜泡流量工況工診斷方法，結(jié)合不同時期產(chǎn)能曲線刻畫出6個特征區(qū)，并進(jìn)行生產(chǎn)階段劃分及工藝配套，建立“四線六區(qū)”氣井工況識別方法。該方法可以實時進(jìn)行氣井工況識別診斷，便于指導(dǎo)氣井排采工藝優(yōu)選。

2）現(xiàn)場指導(dǎo)大牛地氣田259口病態(tài)井治理，使其現(xiàn)有產(chǎn)能由234.5 104m3/d提升至275.7 104m3/d,恢復(fù)產(chǎn)能41.2 104m3/d，取得良好效果。該方法更加適合氣井生產(chǎn)實際工況診斷，其工藝優(yōu)化合理，為致密低滲氣田氣井工況診斷及工藝優(yōu)化提供了一種新方法和新思路。