长宁页岩气水平井柱塞工艺技术研究与应用

2022-04-09陈家晓叶长青向建华王庆蓉

天然气勘探与开发 2022年1期

余帆陈家晓叶长青向建华杨智蒋密王庆蓉陈珂

1. 中国石油西南油气田公司工程技术研究院 2. 四川页岩气勘探开发有限责任公司

0 引言

2012年3月，长宁—威远页岩气区块被批准为国家级页岩气开发示范区。经过十余年的技术攻关和生产建设形成规模产能，目前长宁—威远国家级页岩气开发示范区已成为我国最大的页岩气产区，页岩气年产量突破100×108m3，已探明储量超过10 000×108m3。

长宁区块页岩气井采用衰竭式开发，初期压力高、产气量大，能够自喷带液生产。但随着地层能量不断衰减，进入低压小产量阶段后，自身能量无法将井筒内液体带到地面，气井估算最终采出量的40%需要依靠人工举升采出。柱塞工艺作为主要的排水采气技术措施[1]，由于其经济环保特点，已广泛应用于常规气井生产[2-4]。而柱塞工艺在页岩气井中的应用，晚于常规气井。北美地区最早开展页岩气井的柱塞工艺试验，目前柱塞工艺已成为北美地区低压低产页岩气井排水采气的主要技术手段[5]。国内中石油、中石化两大公司在页岩气井柱塞工艺方面，都开展了一系列的现场试验[6-9]，取得了一定的成果，但仍存在一些技术难点，制约着柱塞工艺的实施效果，如井下限位器的设计、工艺介入时机的选择、水平井钢丝的作业难度等。因此，准确认识大斜度井、水平井的井筒流动规律，合理设计工艺参数，从而有针对性地采取柱塞工艺措施，对确保页岩气区稳产具有重大意义。

本文通过建立一套可视化井筒气液两相流实验模拟装置，设置不同的液量、气量、井斜角度及流速，观察气液两相的井筒流动规律，同时综合考虑其他因素得出结论，用以指导工艺实施目标井段与工艺介入时机；并在此基础上进行钢丝作业工具的配套、柱塞工具的选型，以确保工艺施工及运行效果，形成了适用于长宁页岩气区块的一套柱塞工艺技术。

1 井筒流动规律研究

1.1 室内实验装置

基于大斜度井、水平井的井筒气水流动规律与常规直井存在较大差异[10]，为了更好地研究大斜度井、水平井的井筒积液问题，建立了可视化井筒气液两相流实验模拟装置，对比研究垂直段、倾斜段和水平段的积液现象。实验装置采用内径50 mm，长度18 m的可视化有机玻璃管来模拟井筒，管倾角可在0°～90°之间自由调节。室内实验在环境温度20℃、标准大气压条件下进行。实验过程中，在不同液量、气量、管倾角度的条件下，采用高速摄像仪观察和捕捉井筒流动形态的变化，并实时记录液膜反转时的情况，以获得不同气液流量条件下的井筒流型分布。

实验模拟装置示意图见图1，实验系统由进气系统、进液系统、管路系统和测控系统四部分组成。主要配套装置包括空气压缩机、储气罐、涡轮流量计、高压隔膜泵、阀门、压力传感器、压差传感器、摄像装置。

图1 可视化井筒气液两相流实验模拟装置示意图

1.2 工艺目标井段

首先开展了不同角度—不同液量条件下的临界携液流速测定实验。液量变化范围设置为1×m3/d～5×m3/d，以1×m3/d递增，液量模拟的是气井生产过程中的水产量；管倾角度变化范围设置为5°～90°，以5°递增，管倾角度模拟的是井斜角度。实验分别测定在不同角度、不同液量条件下的液膜反转气流速，即临界携液流速，测试结果如图2所示。实验结果显示，在不同液量下，临界携液的气体流速随着井斜角度变化的趋势一致，均表现为随着井斜角度的增大，临界携液气流速先增大后减小；在井斜角度为55°时，临界携液气流速达到了最大值，同时液量变化对临界携液气流速的影响也达到最大值。

图2 实验测定不同角度和液量条件下的液膜反转气流速变化图

其次进行了不同角度—不同气量条件下的压降和持液率测试实验。表观气流速（vsg）分别设置为0.5 m/s、3 m/s、9 m/s、15 m/s、21 m/s，表观气流速模拟的是气井的产气量；管倾角度变化范围仍为5°～90°，以5°递增，模拟井斜角度的变化。实验分别测定在不同角度、不同表观气流速条件下的井筒压降和持液率数据，测试结果如图3、图4所示。从图3可以看出，不同气量下，井筒压降均随井斜角度的增大而先增大后减小，最大压降点均出现在井斜角度为55°时。从图4可以看出，不同气量下，井筒持液率随着井斜角度的增大而先缓慢增大、后缓慢减小，持液率最大值仍出现在井斜角度为55°时，说明该角度为最难携液点。

图3 实验测定不同角度和气量条件下井筒压降变化图

图4 实验测定不同角度和气量条件下井筒持液率变化图

实验观察表明，①垂直管一般以环状流的形式携带液体，越接近临界携液点，液膜厚度越厚，液滴直径越大；②水平管则以波动液膜携液为主，形成的液滴较少，水平管内的临界携液流量最低；③倾斜管中，管底液膜存在明显的滑脱现象，呈现来回下降又上升的过程。分析认为，页岩气井的滑脱现象主要出现在斜井段，水平井中水平井段的液体以液膜携带为主，而直井段中越接近井口，越以液滴携带为主[11-12]。综合考虑实验得出的规律，临界携液流速、压降和持液率均在井斜角55°附近出现峰值，是斜井段的最难携液点，可以将其作为排水采气工艺重点目标井段，同时考虑液膜滑脱具有一定范围，因此在页岩气井柱塞工艺设计编写中，将工艺实施目标井段设定在井斜60°～70°附近。

1.3 工艺介入时机

传统临界携液模型忽略了井斜角度变化对临界产量的影响，导致计算结果与实际情况有较大偏差[13-15]，一些学者在对传统模型进行修正的过程中，发现修正系数主要与油管内径和井斜角相关，受管壁摩擦系数的影响较小[16-18]。本文针对页岩气水平井井型与高气水比特点，在室内可视化水平井模型气液两相管流研究的基础上，将Belfroid[19]结合Fiedler模型[20]所提出的角度修正关系带入Wallis模型，再通过生产数据对实验数据进行拟合，不再考虑液滴直径，以管径D作为影响因素，最终得到页岩气井的临界携液气量模型：

式中vg表示临界携液流速，m/s；ρg表示气体密度，kg/m3；ρL表示液滴密度，kg/m3；D表示管径，m；g表示重力加速度，m/s2；β表示井斜角，（°）；qsc为临界携液气量，104m3/d；A表示油管横截面积，m2；p表示压力，MPa；T表示温度，K；Z表示气体偏差因子，无量纲。

由这个修正后的页岩气井临界携液气量模型，可以计算得到临界携液流速，继而得到临界携液气量。当气井的日产气量低于临界携液气量时，将不能正常带液生产。

结合现场柱塞工艺施工周期，同时考虑页岩气产量递减速度，研究结论为：在气井的日产气量降到1.2倍临界携液流量之前，作为实施柱塞工艺的最佳时机。以此确保在气井产量低于临界携液流量之前投运柱塞，使气井能够稳定带液生产。

2 柱塞工具选型配套

2.1 施工工具串配套

基于前述研究成果，柱塞工艺目标井段为井斜角为60°～70°的井段，而常规工具串在大斜度井段施工困难。为保证工艺顺利实施，配合井下柱塞卡定器的投放，需要对钢丝作业工具进行配套优化。通过专用工具评价及研制，引入滚珠扶正器（图5）、井下飞轮（图6）以及研制滚轮柔性短节等低摩阻工具，解决了工具串在水平井大井斜角施工时的摩阻问题。作业工具串的配套优化，使柱塞卡定器在大斜度井段投放施工中的安全适用性、通过性及投捞成功率得到有力保障。2020年该技术在长宁页岩气区块，成功完成106口井的柱塞卡定器施工投放工作，成功率100%。整体施工技术也通过现场实践得到进一步提升，柱塞卡定器投放的最大井斜角从最初的50°，逐步突破到65°，目前65°大井斜段的施工作业已实现常态化。

图5 滚珠扶正器示意图

图6 井下飞轮示意图

2.2 柱塞工具选型

通过调研、室内实验和现场试验验证，针对现场的不同井况，研发形成工艺柱塞选型标准。

总体上柱塞应具备如下功能：①在井下天然气压力恢复的作用下，以段塞方式将液体举出井口；②作为液柱和举升天然气之间的隔离面，应尽量减少漏失；③清洁油管内壁，防止结蜡或结垢。

在基本功能的基础上，适用于水平井的柱塞，还需要考虑柱塞偏磨、大斜度井段的漏失等问题。通过对比分析不同类型柱塞的结构特点、适用范围与气液比适用条件等（表1），结合长宁页岩气井生产特征，优选出柱状柱塞、旋转柱塞作为区块主体柱塞。

表1 不同类型柱塞工具选择条件对比表

3 柱塞工艺应用效果

2020年在长宁页岩气水平井中实施柱塞工艺87口井，部分井的工艺数据与增产效果见表2。表中可见多口井的柱塞井下限位器下入井段，井深较深、井斜角较大，对应施工难度大，但均成功实施了柱塞工艺。工艺后平均单井日增产气量0.5×104m3，平均油套压差下降20%，年增产气量1.02×108m3，柱塞工艺应用效果良好。预计2025年将有1 228口页岩气井投产，页岩气井柱塞举升排水采气系列技术将具有广阔应用前景。