火山巖氣藏采氣工藝及方案設計要點

摘 要

摘要：火山巖氣藏地質和開發(fā)特征具有特殊性，對其采氣工藝及方案設計開展了相應的研究與探討。以松遼盆地的大慶徐深氣田和吉林長嶺氣田為例，運用理論研究與現(xiàn)場實際分析相結合的
摘要：火山巖氣藏地質和開發(fā)特征具有特殊性，對其采氣工藝及方案設計開展了相應的研究與探討。以松遼盆地的大慶徐深氣田和吉林長嶺氣田為例，運用理論研究與現(xiàn)場實際分析相結合的方法，研究了火山巖氣藏在完井方式通擇、儲層改造、防腐工藝及排水采氣等采氣工藝方面的特點，并指出了火山巖氣藏采氣工程方案設計中應重點考慮的關鍵點。研究結果表明：火山巖氣藏固相侵入、水鎖傷害嚴重，必須全生產(chǎn)過程進行儲層保護；裂縫開啟機理復雜，需采取合理的壓裂設計與工藝措施，如加支撐劑前加細粉砂等；同時考慮到火山巖氣藏CO2含量普遍較高，在生產(chǎn)過程中應加強防腐工作。
關鍵詞：火山巖氣藏；完井方式；采氣工藝；方案；設計；水鎖；裂縫(巖石)；防腐
1 火山巖氣藏地質與開發(fā)特征
1.1 儲層分布特點
    火山巖氣藏氣層由多段組成，含氣井段長，單一氣層厚度變化大。平面上，分布較為分散，連續(xù)性差。區(qū)塊之間不連續(xù)，但區(qū)塊內氣層平面上可以疊加連片。
1.2 氣藏特征
1.2.1儲滲空間
    火山巖儲集空間類型具有多樣性，既有孔隙又有氣孔和裂縫，孔隙結構十分復雜?；鹕綆r滲流通道也比較復雜，既有孔隙吼道，也有裂縫，甚至有串珠狀氣孔。火山巖孔隙連通性差，雖然有原生孔隙存在，但多數(shù)呈孤立狀，因而難以對儲滲起作用。而在有裂縫存在的巖段，雖然孔隙度幾乎沒有什么增加，但滲透率卻高達幾百、甚至幾千毫達西，可見裂縫在改善火成巖儲集性能方面所起的重要作用。
1.2.2儲層物性類型
    火山巖氣藏孔滲普遍較低，多為中-低孔、中-低-特低滲儲層。
1.2.3氣水系統(tǒng)
    總體氣水關系復雜。徐深火山巖氣藏構造高部位為純氣層，構造低部位為氣水同層或水層；長嶺主體區(qū)塊具統(tǒng)一氣水界面，為底水構造氣藏。
1.3 氣藏溫度壓力特征
    大慶徐深氣田地層壓力系數(shù)為1.020～1.067，地溫梯度為3.08℃/100m[1]；吉林長嶺1號壓力系數(shù)平均為1.132；地溫梯度平均為3.412℃/100m。均屬正常溫度系統(tǒng)。新疆陸東-五彩灣火山巖氣藏屬正常溫度系統(tǒng)[2]，壓力系數(shù)介于1.16～1.33，有部分井區(qū)屬異常高壓。
1.4 流體特點
    吉林長嶺、大慶徐深和新疆五彩灣火山巖氣藏都是以甲烷為主的干氣藏，不含H2S。長嶺氣田CO2含量高且穩(wěn)定，平均27.19%；徐深氣田CO2含量變化較大，0.54%～31%；五彩灣氣田CO2含量低，最高只有0.32%。
1.5 開發(fā)特征[3～4]
    1) 氣井試氣無阻流量普遍較低，徐深氣田以小于10×104m3/d為主，長嶺氣田無阻流量介于15.4～74.5×104m3/d。
    2) 徐深氣田各井產(chǎn)量差異大，多數(shù)井產(chǎn)量較低，需壓裂措施方可獲得工業(yè)氣流；長嶺1號氣田產(chǎn)量較高，但有部分井仍需壓裂改造。
   3) 單井產(chǎn)量、壓力遞減快，關井壓力恢復緩慢，表明儲層物性差、外圍供給能力弱，需合理控制采氣速度，提高最終采收率。
    4) 氣水關系復雜，存在裂縫、邊水、底水，需控制一定的生產(chǎn)壓差。
    5) 儲層連通性差，單井控制動態(tài)儲量少。
2 火山巖氣藏開采工藝特點
2.1 完井方式選擇
    火山巖儲層產(chǎn)能低，存在邊、底水，具有改造增產(chǎn)的潛在要求，因此直井、水平井的主體完井方式都選擇射孔完井。對于產(chǎn)能高、無須壓裂的水平井，由于火山巖出砂的風險比較小，可選用篩管+管外封隔器或裸眼方式完井。
2.2 儲層改造
    火山巖儲層雖然微裂隙較發(fā)育，但大多基質滲透率低、物性差，壓裂前大部分井很難達到工業(yè)產(chǎn)氣量，需通過人工裂縫有效溝通天然裂縫，提高單井控制面積，獲得較高產(chǎn)能。因此壓裂改造是保證火山巖氣藏有效開發(fā)的重要技術手段。
    但火山巖的壓裂又有其特殊性。這是由于火山巖中的大量微裂縫，如不加控制，在壓裂中會出現(xiàn)多條裂縫同時開啟，這些開啟的小裂縫及巖體中的微裂縫只過液不過砂，導致局部砂橋而使施工失敗[5]。因此，必須優(yōu)化壓裂方案設計，以形成有足夠寬度與長度的主裂縫，才能保證施工順利，從而大幅提高氣井產(chǎn)能。
2.3 防腐工藝
    防腐技術主要采取兩條路線：①特殊管材防腐。鉻鋼(主要是11Cr、13Cr，更高級的有HP13Cr、22Cr等)、內涂層油管、非金屬管、雙金屬復合油管等。②緩蝕劑應用。可用普通碳鋼P110或N80+井下封隔器+油套環(huán)空加緩蝕劑。由于低合金鋼(3Cr、9Cr)耐蝕性比碳鋼無明顯優(yōu)勢且價格高出2～3倍，因此可用普通碳鋼而不用低合金鋼。
    徐深氣田達深3區(qū)塊CO2分壓在0.012～10.24MPa范圍內，井底溫度最高達142℃，必須采取防腐措施。從采用普通管材并加入緩蝕劑、采用內涂層油管以及11Cr管材3種選擇方案的單井總投資費用對比可看出：①對于生產(chǎn)年限較長的一類井，在10年的生產(chǎn)期內，采用11Cr管材要比普通管材加入緩蝕劑更加經(jīng)濟；此生產(chǎn)年限使用內涂層油管雖然經(jīng)濟，但后期效果不一定好，綜合考慮采用11Cr管材更合理。②對于生產(chǎn)年限短的二、三類井，使用普通管材+緩蝕劑或者內涂層管材要比使用11Cr管材更經(jīng)濟。
2.4 排水采氣
    從火山巖氣藏開發(fā)特征來看，氣水關系復雜、存在邊底水、裂縫發(fā)育，因此氣井出水會比較嚴重，選擇適宜的排水采氣方式是穩(wěn)產(chǎn)的必要條件。徐深氣田有的氣井出水已比較嚴重，但目前大慶徐深氣田的大部分井能攜液生產(chǎn)，未大面積采取氣舉措施。由于泡排技術比較成熟，適合氣井產(chǎn)水量小的情況，比較適合達深3區(qū)塊的氣井。目前達深3區(qū)塊正在一些井上進行試驗，優(yōu)選適合的泡排劑。
    大慶在下白堊統(tǒng)登婁庫組的深層產(chǎn)氣量低、高產(chǎn)水的氣井上成功應用了氣舉輔助排液采氣工藝，對徐深火山巖氣藏很有借鑒意義。
3 火山巖氣藏采氣工程方案設計要點
    火山巖氣藏采氣工程方案設計和常規(guī)氣藏一樣要嚴格按《采氣工程方案設計編寫規(guī)范》和《天然氣管理規(guī)定》的基本原則進行設計，方案設計的方法應具有科學性、方案設計的內容應具有針對性和完整性、方案設計的實施具有較強的可操作性與經(jīng)濟可行性。這里主要針對火山巖氣藏特征進行方案設計要點探討。
3.1 關于儲層保護
    首先要通過敏感性實驗來確定儲層傷害的原因。對于低孔低滲、裂隙發(fā)育的火山巖儲層，固相入侵、水鎖通常是首要的傷害原因；其次分析采氣作業(yè)中可能導致的氣層傷害。表1為火山巖氣藏在各種作業(yè)中可能造成氣層傷害的主要形式。
表1 采氣作業(yè)中氣層傷害的形式表
作業(yè)過程
氣層傷害的形式
射孔作業(yè)
1)壓實帶的形成；2)射孔液與儲層不配伍引起水鎖及黏土膨脹等；3)固相堵塞
壓裂
1)壓裂液殘渣或固相堵塞支撐劑孔道；2)濾液引起的黏土膨脹等
采氣
采氣速度過大引起儲層微粒運移
修井
1)修井液濾液與儲層不配伍引起黏土膨脹、顆粒運移、無機沉淀；2)殘留固相堵塞滲流通道
    針對敏感性分析結果和各種作業(yè)中導致儲層傷害的形式，制定具體、有效的保護措施。根據(jù)大慶徐深某區(qū)塊巖心敏感性實驗結果，對入井液提出了以下要求：①無固相體系；②入井液中加入適當?shù)谋砻婊钚詣┗蚴褂梅撬鳂I(yè)液降低入井液的表面張力和界面張力，減輕水鎖損害程度；③礦化度高于14000mg/L，加入聚季胺鹽等黏土穩(wěn)定劑，防止水敏；④減少入井液濾失量，壓井液等密度一般控制在1.1～1.25g/cm3。
    作業(yè)中通過下列措施，減輕或消除傷害：①盡量采用近平衡鉆井，負壓射孔；②盡可能開展各種聯(lián)作技術，減少重復壓井引起的儲層損害；③優(yōu)化施工設計，簡化作業(yè)工序，縮短浸泡時間；④條件許可時，壓裂后采用不壓井作業(yè)施工。
3.2 完井設計
    火山巖儲層的特點是裂隙發(fā)育、低孔低滲。因此壓裂增產(chǎn)、控制邊底水以及防腐，應成為火山巖氣藏選擇完井方式的首要考慮因素。同其他完井方式相比，套管射孔完井有如下特點：
    1) 選擇性射開不同壓力物性氣層，避免層間干擾。
    2) 避開夾層水、底水；避開夾層坍塌。
    3) 具備分層采氣和選擇性壓裂或酸化等分層作業(yè)條件。
    因此，火山巖儲層的直井、水平井的主體完井方式都選擇套管射孔完井。由于火山巖儲層低孔低滲、出砂風險比較小，對于產(chǎn)能高、無須壓裂的水平井，也可考慮選用篩管+管外封隔器或裸眼方式完井。
3.3 采氣井口優(yōu)選
    對于C02含量較高的火山巖氣藏，在選擇采氣井口時要優(yōu)先考慮材料級別，其次是壓力等級、溫度等級等。大慶徐深和吉林長嶺1號火山巖氣田的井口基本要求如下。
    1) 材料級別：按標準用CC級即可，但考慮國內材料質量，可用FF級。
    2) 耐溫等級：LU(-46～121℃)。
    3) 壓力等級：70MPa。
3.4 排水采氣工藝
    排水采氣的方法主要有泡沫排水、氣舉排水(連續(xù)氣舉、間歇氣舉)、機抽排水、電潛泵排水、射流泵排水等。各種排水采氣方法有其技術特點和適應條件，大慶和長嶺火山巖氣藏排水采氣方法主要以泡沫排水和氣舉為主。
3.5 防腐設計
    大慶和長嶺火山巖氣藏氣井的CO2腐蝕普遍嚴重。C02的腐蝕主要是由于CO2溶于水生成碳酸引起的電化學腐蝕所致。從以下幾方面對腐蝕程度進行初判：
    1) 根據(jù)靜壓以及CO2含量，計算區(qū)塊典型井的CO2分壓情況。
    2) 判斷地層水的Cl-以及礦化度情況。
    3) 當溫度低于60℃時.，以均勻腐蝕為主；當溫度在60～110℃時，局部孔蝕嚴重；當溫度高于150℃時，腐蝕率下降。
    4) 如果pH值大于8，則會大大減弱腐蝕程度。
    根據(jù)以上評判及生產(chǎn)實際綜合判斷影響氣井油套管腐蝕的主要原因、程度(指不腐蝕、腐蝕還是嚴重腐蝕)及各種因素的腐蝕速率等。然后根據(jù)井的產(chǎn)量、開采年限，再結合腐蝕初判，計算采用各種防腐措施所需要的費用進行防腐方案選擇。
    對于產(chǎn)量高、開采時間長、經(jīng)濟效益好而腐蝕嚴重的井需要重點保護，考慮采用11Cr、13Cr及以上鋼級管材增加其使用年限；對于產(chǎn)量中等、經(jīng)濟效益一般的井，若腐蝕嚴重可采用低鉻鋼加注緩蝕劑的方法或采用高鉻鋼；對于產(chǎn)量低、經(jīng)濟效益差的井，只采用普通管材加注緩蝕劑防腐。
4 認識與建議
    1) 針對火山巖氣藏，要精心組織、周密細致做好采氣工程方案的編制工作。
    2) 火山巖氣藏由于固相入侵、水鎖傷害嚴重，必須全生產(chǎn)過程進行儲層保護。
    3) 火山巖氣藏壓裂裂縫開啟機理復雜，需要加強測試壓裂分析，采用合理的壓裂措施，例如，加支撐劑前加細粉砂壓裂技術等。
    4) 火山巖氣藏大多CO2含量高，需要加強實施防腐措施：對于高產(chǎn)井，選用不銹鋼管材防腐；對于低產(chǎn)井，選用普通鋼管材防腐劑防腐。
    5) 火山巖氣藏排水采氣方式優(yōu)先采用優(yōu)選管柱、泡排和氣舉。
參考文獻
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(本文作者：李文魁1 劉巖1 周廣厚1 王云1 曹光強1 吳曉東2 1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；2．中國石油大學(北京)石油天然氣工程學院)