柱塞氣舉在川西地區(qū)定向井中的應(yīng)用研究

摘 要

摘要：柱塞氣舉排水采氣工藝一般應(yīng)用于直井，國(guó)內(nèi)外尚沒有在定向井中應(yīng)用的先例。為了探索該工藝在定向井中的應(yīng)用，在川西氣田川孝601-4井(最大井斜角為38.49°)開展了柱塞氣
摘要：柱塞氣舉排水采氣工藝一般應(yīng)用于直井，國(guó)內(nèi)外尚沒有在定向井中應(yīng)用的先例。為了探索該工藝在定向井中的應(yīng)用，在川西氣田川孝601-4井(最大井斜角為38.49°)開展了柱塞氣舉試驗(yàn)。通過優(yōu)化入井工具串長(zhǎng)度以及施工程序，成功安裝了井下設(shè)備，并對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；試驗(yàn)井安裝柱塞氣舉后，柱塞運(yùn)行正常，油套壓差明顯減小，增產(chǎn)天然氣0.8×104m3/d，排水采氣效果非常明顯，試驗(yàn)取得了圓滿成功。柱塞氣舉排水采氣工藝在定向井中的首次成功應(yīng)用，表明該工藝可以適用于井斜角小于40°的定向井，拓寬了該項(xiàng)工藝的應(yīng)用范圍，豐富了川西氣田氣井的排水采氣措施。
關(guān)鍵詞：定向井；柱塞氣舉；排水采氣；參數(shù)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；四川盆地；西
   目前川西氣田定向井已有200余口，形成產(chǎn)能在200×104m3/d以上，已經(jīng)成為川西中淺層氣藏開發(fā)的主要模式。由于相當(dāng)一部分井產(chǎn)水量較大，其井眼軌跡的特殊性使得在井斜角較大的井段容易導(dǎo)致流態(tài)發(fā)生變化，造成液體回落。但是目前國(guó)內(nèi)外尚沒有將柱塞氣舉應(yīng)用于定向井的實(shí)例，因此在川西氣田定向井中開展了柱塞氣舉的應(yīng)用研究。
1 柱塞氣舉工藝原理及要求
   柱塞氣舉是間歇?dú)馀e的一種特殊形式，柱塞作為一種固體的密封界面，將舉升氣體和被舉升液載分開，減少氣體竄流和液體回落，提高舉升氣體的效率[1]。柱塞氣舉排水采氣工藝有以下工藝要求[2～3]：①氣井自身具有一定的產(chǎn)能，帶液能力較弱的自噴生產(chǎn)井；②產(chǎn)水量小于50m3/d；③氣液比大于500m3/m3；④井底具有一定深度的積液；⑤井底清潔，無鉆井液等污物；⑥不適用于大斜度井。
2 試驗(yàn)井的選擇
   柱塞氣舉工藝要求所選井必須要有一定的地層能量，能推動(dòng)柱塞及液柱上行到井口。適宜于高氣液比、產(chǎn)液量不大、井筒積液的低產(chǎn)、間歇自噴井[4]。根據(jù)柱塞氣舉工藝要求及選井原則，選擇川孝601-4井作為柱塞氣舉試驗(yàn)井。
2.1 川孝601-4井生產(chǎn)特征
    川孝601-4井安裝柱塞氣舉前，油壓為9.67MPa，套壓為15.3MPa，產(chǎn)氣量為0.5×104m3/d，產(chǎn)水量為7.5m3/d，壓力月平均遞減1.4MPa，產(chǎn)量年遞減率為69%。
2.2 川孝601-4井儲(chǔ)量狀況
    該井在2008年底投產(chǎn)，截止到柱塞氣舉安裝前僅生產(chǎn)330d，累計(jì)采出量?jī)H為440×104m3，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量采出程度不足20%，實(shí)施前井口壓力16MPa，地層壓力高達(dá)29MPa，因此該井能量充足，壓力恢復(fù)快，有較大的潛力可挖。
3 井下設(shè)備的安裝
    川孝601-4井是1口定向井，井深2900m，最大井斜角為38.49°，為保證柱塞氣舉井下設(shè)備順利安裝，需要對(duì)入井工具串參數(shù)和施工程序進(jìn)行優(yōu)化。
3.1 入井工具串參數(shù)優(yōu)化
柱塞氣舉井下設(shè)備安裝之前，首先要進(jìn)行通井作業(yè)，通井工具串組成有繩帽、加重桿、震擊器以及Φ59mm通井規(guī)，工具串長(zhǎng)度8～9m，下卡定器與柱塞緩沖器時(shí)的工具串長(zhǎng)度一般要超過9m，因此必須優(yōu)化工具串長(zhǎng)度，以保證入井工具串能順利通過造斜段。井下工具串通過造斜段最大長(zhǎng)度見圖1。通過計(jì)算得到入井工具串最大長(zhǎng)度為8m左右，為保證入井工具串能順利通過造斜段，其長(zhǎng)度應(yīng)控制在6～7m，同時(shí)將重量由通常情況下的38kg加重為45kg。
 

3.2 入井施工程序優(yōu)化
    由于川孝601-4井井身結(jié)構(gòu)的特殊性，為保證井下設(shè)備的順利安裝，需要對(duì)施工程序優(yōu)化。優(yōu)化后的施工程序?yàn)椋孩偻ň?mdash;—為保證卡定器和柱塞緩沖器能順利下入預(yù)定位置，通井工具串長(zhǎng)度應(yīng)以安裝上卡定器和柱塞緩沖器的工具串的最大長(zhǎng)度為準(zhǔn)，其長(zhǎng)度為6.5m；②下卡定器——將卡定器連接到打撈工具，然后安裝到入井工具串上，其長(zhǎng)度為6.2m，慢慢將卡定器送入預(yù)定位置；③下柱塞緩沖器——由于將柱塞緩沖器連接到打撈工具再安裝到入井工具串上，長(zhǎng)度超過了6.5m，故將柱塞緩沖器單獨(dú)從井口丟入井內(nèi)，依靠其自身重力下落，待其落到井下，再下通井工具串用力將其下推以保證坐穩(wěn)在卡定器上。
4 柱塞氣舉工藝參數(shù)設(shè)計(jì)
4.1 卡定器下入深度
    卡定器下入深度的計(jì)算公式為[5]：
    Hmax=WGLR/GLRmin    (1)
式中Hmax為卡定器最大下入深度，km；WGLR為生產(chǎn)井的氣液比；GLRmin為應(yīng)用柱塞所需的最小氣液比，取值GLRmin=236。
4.2 最小工作套壓
    最小工作套壓是當(dāng)柱塞及其以上液柱到達(dá)井口時(shí)所對(duì)應(yīng)的井口套壓，已知卡定器下入深度和周期排水量，其最小工作套壓計(jì)算公式[6～7]為：
 
式中pcmin為最小工作套壓，MPa；pwh為井口壓力，MPa；pLH為液段靜液柱壓力，MPa；pLF為液段運(yùn)動(dòng)摩阻損失壓力，MPa；pgt為油管內(nèi)靜氣柱壓力，MPa；pgtf為油管流動(dòng)摩阻損失壓力，MPa；pgc為環(huán)空內(nèi)靜氣柱壓力，MPa；Mp為柱塞質(zhì)量；At為油管內(nèi)橫截面積，m2；g為重力加速度，取g=9.81m/s2。
4.3 最大工作套壓
    已知最小共作套壓，根據(jù)氣體定律可計(jì)算最大工作套壓。忽略氣體膨脹時(shí)其偏差系數(shù)的差異，最大工作套壓為：
    pc max=pc min(1+At/Ac)    (3)
式中pc max為最大工作套壓，MPa；Ac為套管面積，m2。
4.4 工作周期數(shù)
    完成一個(gè)工作周期所需的時(shí)間是由開井時(shí)間和關(guān)井時(shí)間兩部分組成。開井時(shí)間包括柱塞上行時(shí)間和柱塞停留在井口捕捉器的時(shí)間；關(guān)井時(shí)間包括柱塞下行時(shí)間以及柱塞在井底停留的時(shí)間。工作周期數(shù)為：
 
式中np為工作周期數(shù)，周期/d；tpr為柱塞上行時(shí)間，s；tpdg、tpdl分別為柱塞分別在氣體、液體中的下行時(shí)間，s；tps為柱塞在井口的停留時(shí)間，s；tpc為柱塞在卡定器上的停留時(shí)間，s。
4.5 地面控制盒參數(shù)設(shè)置
    本次試驗(yàn)采用的是智能柱塞氣舉系統(tǒng)，其正常工作由電子控制器按照編制好的方案程序設(shè)定，控制氣動(dòng)閥自動(dòng)開、關(guān)井，并控制柱塞周期性循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將井內(nèi)液體舉升出井口，地面控制盒能夠保證柱塞安全有效地運(yùn)行，其參數(shù)設(shè)置如下。
    1) 柱塞上行時(shí)間(Ton)
    Ton=3H/215
式中H為卡定器下入深度，m。
    根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的柱塞上行時(shí)間，設(shè)置值可以比實(shí)際計(jì)算出的數(shù)值稍大一些。
    2)柱塞下落時(shí)間(Toff)
    Toff=H/50
    根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出柱塞下落至井底的時(shí)間，設(shè)置值可以比實(shí)際計(jì)算出的數(shù)值稍大一些，保證柱塞有足夠的時(shí)間下落至柱塞緩沖器頂部。
    3) 柱塞最小上行時(shí)間(Tmin)
    Tmin=H/650    (7)
   根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出柱塞最小上行時(shí)間，當(dāng)柱塞上行過快存在安全隱患時(shí)，控制盒將會(huì)自動(dòng)關(guān)井。
   根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算公式以及試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)，最終確定川孝601-4井柱塞氣舉工藝參數(shù)：卡定器下入深度2550m，最小套壓10MPa，最大套壓14.6MPa，2個(gè)工作周期，柱塞上行時(shí)間45min，柱塞下落時(shí)間50min，柱塞最小上行時(shí)間5min。
5 效果評(píng)價(jià)
5.1 排水采氣效果評(píng)價(jià)
   川孝601-4井施工前產(chǎn)氣0.5×104m3/d，產(chǎn)水7.5m3/d；施工后產(chǎn)氣1.3×104m3/d，產(chǎn)水10m3/d，增產(chǎn)天然氣0.8×104m3/d，排水采氣效果顯著。綜合采氣曲線可以看出：該井自安裝柱塞氣舉以來，油套壓差減小，產(chǎn)氣量顯著增加，排水采氣效果明顯。柱塞氣舉安裝前后產(chǎn)量對(duì)比如圖2、3所示，柱塞安裝前后綜合采氣曲線如圖4所示。
 

5.2 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)
   該井安裝柱塞氣舉后于2009年11月下旬正常運(yùn)行，到2010年5月已累計(jì)增產(chǎn)天然氣100×104m3，預(yù)計(jì)年增產(chǎn)天然氣150×104m3，該井總投入費(fèi)用(技術(shù)服務(wù)費(fèi)、設(shè)備費(fèi)、施工費(fèi)、配套流程整改費(fèi)用)85萬元，加上全年產(chǎn)出水增加成本13萬元，直接投資成本費(fèi)用共計(jì)98萬元，目前已經(jīng)全部收回，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
6 結(jié)論
    1) 柱塞氣舉工藝首次在定向井中成功應(yīng)用，表明該工藝可以適用于井斜角小于40。的定向井，在柱塞氣舉設(shè)備安裝施工時(shí)需要著重考慮入井工具串長(zhǎng)度和施工程序的優(yōu)化。
    2) 柱塞氣舉推廣應(yīng)用時(shí)，選井依據(jù)可以考慮以下幾點(diǎn)：①投產(chǎn)時(shí)間短；②氣井能量足；③無阻流量大于2.0×104m3/d；④生產(chǎn)受井底積液影響嚴(yán)重氣井；⑤井斜角小于40°。
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(本文作者：董耀文 譚明文 周興付 中國(guó)石化西南油氣分公司川西采氣廠)