低压深井柱塞气举排水采气技术研究及应用

时间：2024-09-03

张婷,唐寒冰,朱鹏,杨智,叶长青,彭杨

中国石油西南油气田分公司工程技术研究院

0 引言

气井出水问题，目前工艺上有多种解决方法，如优选管柱、气举、泡沫排水、机抽、电潜泵、射流泵等[1-12]。但针对低压、小产水量气井的排采技术，如果采用优选管柱、气举、电潜泵等排水采气工艺，将增大作业费用和建设周期，影响气井生产；而泡排剂的长期使用不可避免地对产层造成伤害，影响气藏最终采收率。柱塞气举技术具有设备投资少、施工作业简单、自动化程度高等特点，是目前川渝地区低压小产量气井经济效益开采最重要的技术手段，在井深小于4 000 m常规气井中应用效果显著[13-15]。但是，在川渝气田井深超过4 500 m、井筒压力梯度不足0.2 MPa/100 m的产水气井中，尚无应用先例。这类井主要分布在川东地区，产液量仅1～3 m3，井身结构复杂，常规工艺难以实现效益开采。

1 低压小产量深井生产现状

1.1 低压小产量深井生产现状

川渝老气田有水气藏已投产的110个气田中，产水气田有104个，占气田总数的94.5%，近半数投产气井产水。其中，日产水量小于10 m3的井占到产水气井总数的85.56%(图1)。以川东地区为例，日产气量小于1.5×104m3、井口生产压力小于2 MPa的气井超过 50%，呈现出低压、低产、小液量的生产特点(表1)。在蜀南、川西地区，该类井以中浅层气井为主，主要采用间歇生产和泡排、柱塞气举工艺维持生产。而在川东地区，石炭系气藏为主力气藏，占总井数66.7%，气井以高温、深井为主，平均井深超过5 000 m，井温90～120 ℃;且井型多样，有大量斜井和水平井，生产管柱复杂，螺杆泵等大部分泵类工艺不适应该类型气井。同时，低压、小产量的生产特点，使得气举等常规工艺在技术上基本可行，但因不“经济有效”，无法推广，导致大部分气井后期只能间歇生产甚至直接关停。

图1 川渝气田不同产水井所占比例

表1 川东地区产水气井生产情况统计

1.2 柱塞气举技术应用存在的问题

近年来，通过工具自主研制和现场试验推广，柱塞气举技术在川渝气田浅层气井中已应用100余井次，同时在长宁页岩气等非常规气井中也得到了大量应用，是目前小产量气井最为经济有效的排水采气技术。但在井深超4 500 m的低压小液量气井中尚未得到应用，主要是因为以下几个方面的制约：

(1)设计方法不适应。柱塞气举设计在选井时，要求生产气液比在油套连通时不小于每千米200 m3/m3，油套不连通时不小于每千米1 100 m3/m3，而低压小产量深井的气液比往往达不到这一要求。这是因为柱塞气举设计时，采用福斯(Foss)—格尔(Gaul)经验计算法计算，主要考虑井筒储集效应，没有考虑开井初期地层流体流入对生产的动态影响[16],与实际情况相比，所需的气液比和最小启动压力偏高。从而在柱塞选井时，将一大批适合柱塞气举工艺的井排除，工艺适应范围小。

(2)深井举升效率低。在TD91井开展了深井柱塞气举试验。该井为连续自喷生产井，但因地层压力低(9.2 MPa/5 030 m),需要间歇替喷排除井底积液。通过柱塞工艺前后生产情况对比(表2)，柱塞带液效果不明显，产气量和产水量均有所下降。导致产量下降的原因有两个：一是有效生产时间缩短，工艺前为连续生产，工艺后每天生产时间为22 h；二是柱塞举升效率低，该井柱塞运行深度为4 946.65 m，常规弹块柱塞在低压深井中上升速度慢(仅0.85 m/s)，上行时间过长(70 min)，导致漏失量大，举升效率低。若要在深井中实施柱塞气举工艺，需要优选柱塞类型，或研发低漏失柱塞，提高举升效率。

表2 TD91井柱塞前后生产情况对比

(3)地面流程复杂，压力损失大。柱塞工艺实施时，薄膜阀连入生产流程涉及到切割及动火焊接作业，单井施工需要4～5 d，施工量大，改造费用偏高，且过程中存在诸多的高风险因素。同时，薄膜阀接口和现场流程的法兰连接接口不匹配，无法进行直接安装，需要在原有流程的基础上安装新的流程，这种安装方式导致地面弯头增多，摩阻损失增大，使柱塞气举效果变差。

2 低压深井柱塞气举技术

2.1 低压深井柱塞气举设计方法优化

柱塞正常运行不仅要达到一定产量，还需要在柱塞上下端形成一定压差，才能推动柱塞运动，这个压差是柱塞能够正常运行最关键的参数。假设普通柱塞气举的能量主要来源于储存在套管中的高压气体，当开井生产时，套管中的气体向油管膨胀，到达柱塞下端，推动柱塞和液体段塞向上运动。如果套管中气体能量高，柱塞及液体载荷能够运动达到井口，那么就能进行正常柱塞气举;否则，柱塞及液体载荷不能达到井口。柱塞在运动过程中主要克服最小油压、周期排水量的重力损失和摩阻损失以及柱塞本身重量，所需最小启动压力(最小套压)如公式(1)所示。由于最小套压是环空中气体在最大套压下膨胀的结果，那么由气体定律可计算最大套压。忽略气体膨胀时其偏差系数的差异，最大套压如公式(2)所示：

pcmin=ptmin+(p1h+p1f)ω+pp+pf

(1)

(2)

式中:ptmin—最小油压，MPa；p1h—举升1 m3液体段塞的静液柱压力，MPa；p1f—举升1 m3液体段塞的摩阻压力，MPa；ω—周期排水量，m3；pp—克服柱塞重量所需的压力，一般取0.04 MPa；pf—柱塞以下油管长度上的气体摩阻，MPa；Ac—套管面积，m2；At—油管面积，m2。

以上计算方法是假设气井在柱塞举升期间产气量为零，计算结果比实际值偏大，与现场实际不符合，选井范围窄，无法在低压深井中应用。

为克服常规设计方法仅考虑套管气对柱塞影响的局限性，针对低压小产量深井，构建了基于井筒流入、套管压力等多因素的流动模型，通过数据统计分析，利用生产数据(包括关井套压、生产输压、工艺深度、产量、产水压差、柱塞上行速度、开井套压下降差值、载荷系数)计算柱塞启动压力,如公式(3)，系数取值见表3，建立柱塞启动压力指导图版(图2)，设计结果与现场符合率从60%提升至95%。

图2 柱塞启动压力指导图版

表3 系数取值表

(3)

式中：p—套压与输压的差值，MPa;H—柱塞卡定器深度，m;G—日产气量，104m3;L—日产液，m3;a=A1+B1H+C1H2+D1H3;b=A2+B2H+C2H2+D2H3;c=A3+B3H+C3H2+D3H3;d=A4+B4H+C4H2+D4H3。

2.2 低漏失自密封柱塞

针对柱塞在上升时因重力原因偏向一边，造成液体滑脱的问题，通过在柱塞本体上设计旋转流道，使柱塞保持居中，易于启动；同时设计喷射孔(图3)，旋转上升时让气流从柱塞内部喷出，在柱塞与油管壁产生动态密封气环;同时在柱塞表面设计有凹槽、螺旋或其他形状，使柱塞表面形成湍流，减少柱塞运行中的液体漏失，提高举升效率。

图3 低漏失自密封柱塞

室内实验和现场试验结果表明：在相同的举升条件下，自密封低漏失柱塞比常规柱塞漏失量减少20%～30%(表4)；川东某低压深井采用该型柱塞后，产气量和产水量均得到显著提升(图4)。

图4 常规柱塞(弹块)与低漏失自密封柱塞现场试验效果对比图

表4 不同柱塞举升效率对比