氣井氣舉閥氣舉排液采氣工藝參數(shù)設(shè)計研究

摘　要

受井筒流態(tài)差異的影響，氣井氣舉閥氣舉誘噴排液不同于油井氣舉閥氣舉采油，簡單照搬油井氣舉閥排液設(shè)計模式，難以在氣井誘噴中獲得成功。在氣舉閥工作原理的基礎(chǔ)上，論述了氣舉排液采氣工藝特點及影響因素，設(shè)計了氣舉閥誘噴排液采氣工藝參數(shù)，并編制了程序，取得了較好的應(yīng)用效果。

0　前言

依靠臨井高壓氣源直接氣舉誘噴是中原油田低滲砂巖氣藏氣井誘噴復(fù)產(chǎn)的一種簡單廉價的方法，曾在文23、戶部寨氣田得到了廣泛應(yīng)用。隨著氣源井壓力逐年遞減，高壓氣舉誘噴成功率降低，又引入了氣舉閥氣舉誘噴排液，但氣舉閥參數(shù)設(shè)計大多照搬油井氣舉閥排液采油模式，未能取得理想的誘噴效果，導(dǎo)致該技術(shù)應(yīng)用受到極大限制。為此，有必要結(jié)合氣舉閥的工作原理和氣井排液特點，優(yōu)化氣井氣舉閥氣舉設(shè)計參數(shù)，提高氣舉閥氣舉的針對性和成功率。

1　氣舉閥工作原理

目前現(xiàn)場氣井使用較多的是套管壓力操作氣舉閥。其主要組成部分為充氣室、波紋管、凡爾球和凡爾球座。氣舉閥凡爾開啟狀態(tài)如圖1所示。

圖1 雙波紋管凡爾 ( 關(guān)閉狀態(tài) )

注:圖中　Pt—凡爾處的油管壓力; Pc—凡爾處的套管壓力; Ab—封包面積; Ap—凡爾孔面積。

1.1　凡爾的打開
在圖1所示的關(guān)閉狀態(tài)下，凡爾球受油管壓力Pt產(chǎn)生的上頂力，封包受套管壓力Pc產(chǎn)生的上頂力，兩者都試圖打開凡爾，而作用在封包面積上的氣室壓力則下壓使凡爾保持關(guān)閉狀態(tài)。
試圖打開凡爾的力 Fo=Pc(Ab-Ap) + PtAp， 保持凡爾關(guān)閉的力 Fc= PdAb；
若以Pop表示氣舉閥將要開啟瞬間凡爾處的套管壓力(開啟壓力)，則Pop=(Pd-RPt)/(1-R)(1)； 式中Pop—凡爾在井下的開啟壓力;Pd—凡爾在井下時封包內(nèi)的壓力;R—凡爾孔與封包的面積比， 即R=Ap/Ab。
將上式改寫為:Pop=Pd/(1-R)-RPt/(1-R)(2)
可以看出，隨著油管壓力增加，打開凡爾所需要的套管壓力要減小。
當(dāng)凡爾處的套管壓力Pc≥Pop之后，凡爾就會被打開，如圖2所示。

1.2　凡爾的關(guān)閉
凡爾打開后，保持凡爾開啟的力為: Fo=Pc(Ab-Ap)+PcAp=PcAb
試圖關(guān)閉凡爾的力Fc=PdAb

圖2 雙波紋管凡爾 ( 開啟狀態(tài) )

2　氣舉閥排液技術(shù)應(yīng)用研究

2.1　氣舉閥排液采氣的特點
由氣舉閥工作原理可知，氣舉排液采氣具有以下兩個特點:
(1)氣舉排液是靠氣舉閥的逐級打開和關(guān)閉來實現(xiàn)的，且氣舉閥的打開和關(guān)閉壓力都是自上而下逐級減小的;
(2)只有上一級氣舉閥關(guān)閉，氣流被截斷，環(huán)空液面才能繼續(xù)下降。即上一級氣舉閥的關(guān)閉是下一級氣舉閥發(fā)揮作用的前提。
這兩個特點是氣舉設(shè)計的重要依據(jù)和基本原則，也是氣舉設(shè)計必須滿足的條件。

2.2　氣舉閥排液采氣影響因素
在氣舉工藝參數(shù)設(shè)計中，如何選取兩級氣舉閥之間的合理開啟壓力差值，才能有效地保證上級氣舉閥關(guān)閉，則是氣舉施工能否取得成功的關(guān)鍵。
要保證多級氣舉閥在氣舉排液采氣實施過程中自上而下逐級關(guān)閉，必須保證兩級氣舉閥之間的開啟壓力差值為一特定數(shù)值，這一數(shù)值要根據(jù)氣舉井的井筒工況及動態(tài)特征來確定，不能簡單引用氣舉采油的設(shè)計思路。
在普通的壓縮機(jī)增壓注氣氣舉采油工藝設(shè)計中，因壓縮機(jī)的壓力、排量相對穩(wěn)定，且注入氣經(jīng)過凈化處理，在氣舉過程中，注氣壓力和氣量也相對穩(wěn)定。另外，因油井的產(chǎn)液量較大，地層供液及時，凡爾以上通常保持氣液兩相流態(tài)，凡爾處的油管壓力也相對較高，由公式(4)可知凡爾的距較小。因此，在氣舉采油工藝參數(shù)設(shè)計時，兩級氣舉閥之間的開啟壓力差值一般都比較小，通常為(0.1～0.3)MPa。
但是，在引用鄰井高壓氣氣舉施工時，因氣源井生產(chǎn)壓力本身就有一定的波動，加上氣源未經(jīng)過凈化，含有少量液體，注氣壓力在0.5MPa左右甚至更大幅度的波動是很正常的現(xiàn)象;再加上氣井的地層產(chǎn)液量相對較少，不能及時持續(xù)供液，舉通后，凡爾以上很快就會變成近似純氣流，凡爾處的油管壓力也相對較低，由式⑷可知，氣舉采氣井中凡爾的距相對較大。所以，在按氣舉采油工藝參數(shù)設(shè)計方法確定的(0.1～0.3)MPa的閥間的開啟壓力差值下，上級凡爾很難有效關(guān)閉，造成氣舉過程中氣舉閥自上而下逐級關(guān)閉的設(shè)計目的無法實現(xiàn)。在多級氣舉閥中，最上一級持續(xù)開啟，注氣持續(xù)短路，下部各級氣舉閥無法發(fā)揮作用，造成氣舉排液施工失敗。
部8井氣舉排液氣舉管柱設(shè)計，按簡單引用氣舉采油設(shè)計思路，確定參數(shù)(表1)。

表1 氣舉凡爾參數(shù)表

在部8井的氣舉排液施工中，多次氣舉均出現(xiàn)了井口注氣壓力升到11MPa左右，油管開始出氣液，但出液時間很短，然后開始出純氣，沒有出現(xiàn)注氣壓力逐級下降、氣液間噴的凡爾逐級啟動和關(guān)閉的正常反應(yīng)。計算分析表明，每次氣舉排出的液量都是僅相當(dāng)于第一級氣舉閥以上的積液量。表現(xiàn)為第一級氣舉閥在連續(xù)注氣的情況下無法關(guān)閉，氣舉沒有發(fā)揮預(yù)期作用。
由此可見，兩級氣舉閥間開啟壓力差值小是氣舉排液采氣失敗的主要原因。因此，利用鄰井高壓產(chǎn)氣，作氣舉氣源的氣舉閥氣舉排液采氣與壓縮機(jī)增壓氣源氣舉采油，在參數(shù)設(shè)計上有原則的區(qū)別。氣舉排液采氣氣舉閥的開啟壓力差值應(yīng)適當(dāng)增大。

3　氣舉排液采氣工藝參數(shù)設(shè)計

氣舉工藝參數(shù)設(shè)計主要包括:地面氣舉壓力、氣舉凡爾級數(shù)和深度、凡爾的開啟壓力、氣室的充氣壓力以及氣舉氣量等。
考慮氣舉過程中，油管內(nèi)的流態(tài)和壓力的動態(tài)變化過程會影響凡爾的距，進(jìn)行氣舉工藝參數(shù)設(shè)計時以凡爾的距為零和最大值來分別設(shè)計計算壓力調(diào)整區(qū)間。
井下凡爾開啟壓力公式為: Pop=Pd/(1-R)-RPt/(1-R)
當(dāng)氣舉凡爾的距為零，即Pt=Pd時，開啟壓力為Pop=Pd;
當(dāng)凡爾的距為最大即Pt=0時，最大開啟壓力Popmax=Pd/(1-R)。
由于現(xiàn)場操作時地面壓力難以控制為一定值，往往在一定壓力范圍內(nèi)波動。因此，為保障凡爾充分開啟，在設(shè)計時將地面氣舉壓力的上限值和下限值分別對應(yīng)井下凡爾最大開啟壓力Popmax和零凡爾距開啟壓力Pop(Pop=Pt=Pd)。由井口注氣壓力計算井下凡爾處的注氣壓力，按靜止氣柱的平均溫度和平均氣體偏差系數(shù)計算法迭代計算:

3.1　第一級凡爾各項參數(shù)計算步驟
①Pmax為地面能提供的最大氣舉壓力。定義井口氣舉壓力上限值為Pomax1，對應(yīng)井下凡爾處最大開啟壓力為Popmax1，取Pomax1=Pmax;設(shè):井口開啟壓力下限值為Po1=Pomax-y，對應(yīng)井下凡爾處開啟壓力Pop，y取初值為yo=1MPa;
②假設(shè)初始液面和凡爾深度距離為x0=400(m)，則凡爾下深為H1=hh+x0，hh為初始液面深度，計算液面降低到凡爾處的油管回壓Pt;Pt=(1+r)x03rl/100(MPa) 式中r—油管和油套環(huán)管內(nèi)相同體積的液柱高度之比;rl—壓井液密度。
③溫度按線性分布計算，利用下面的公式計算凡爾處開啟壓力Pop; Pop=Pws=Po1*exp(0103415*r_g*H₁/(ZT))
④令Pws=Pt，代入Pt=(1+r)x₁*r₁/100(MPa)反求出x₁;
⑤把x₁與x₀進(jìn)行比較，判斷兩者之差是否小于0.0001m，即判斷深度H1處油壓和注氣壓力是否相等，條件滿足則進(jìn)行下一步，否則x₀=x₁， 重復(fù)第②～④步，直到條件滿足為止;
⑥計算油壓為零時的最大開啟壓力Popmax1。 Popmax1=Pop1/(1-R)，再利用靜止氣柱公式反求出Pomax1;
⑦令y1=Pomax1-Po1，判斷y1與y2兩者之差是否小于0.0001，即判斷Pomax1與Pomax是否相等，若不等，則:令y0=y1，重復(fù)第①～⑥步，直到條件滿足為止;
⑧計算室溫下的氣室充氣壓力Pdo1，Pdo1=Z₀*293.15*P_op1/(Zd*Td)
測試架上的凡爾開啟壓力Ptro1， Ptro1=Pdo1/(1-R) 其中，Z0為293K和100kPa下的氮氣壓縮因子，Zd、Td為凡爾所在深度處氮氣的溫度及相應(yīng)的壓縮因子。
于是便確定了第一級凡爾的下深H1、地面工作壓力范圍Po1～Pomax1、凡爾井下開啟壓力Pop1、凡爾關(guān)閉壓力Pvc=Pop1=Pd、室內(nèi)充氣壓力Pdo1和測試架上的開啟壓力Ptro1，其中井口氣舉壓力上限值Pomax1將作為井口氣舉的工作壓力。
若在設(shè)計第一級氣舉凡爾時出現(xiàn)油管液面高出井筒，則應(yīng)適當(dāng)減小氣舉壓力。

3.2　第二級凡爾參數(shù)設(shè)計方法
該方法與第一級基本類似，但要考慮如下兩點:
(1)為保證氣舉凡爾不被刺壞，一般在地面氣舉工作壓力下控制注氣量在1×10⁴m³/d(標(biāo)準(zhǔn))左右，此時井下凡爾前后的壓差為(1～2)MPa，這里取中間值1.5MPa，即在第一級凡爾氣舉壓力上限值Pomax1下第一級凡爾前后壓差為1.5MPa。在壓差1.5MPa下油套液面會產(chǎn)生液面差值，若卸掉氣舉壓力，則液面會回落到一個平衡液面，在確定第二級凡爾下深時液面初始高度應(yīng)以平衡液面為準(zhǔn)。
(2)為保證第一級凡爾的關(guān)閉，第二級凡爾地面氣舉工作壓力即開啟壓力的上限值Pomax2取第一級凡爾開啟壓力的下限值Po1，即:取Pomax2=Po1，這樣第一級凡爾舉通后降低氣舉壓力開啟第二級凡爾時，能保證第一級凡爾完全關(guān)閉，然后通過迭帶求出二級凡爾地面開啟壓力下限值Po2和其他參數(shù)。進(jìn)行下一級凡爾設(shè)計時與第一、二級凡爾設(shè)計過程完全一樣，至此便完成了氣舉凡爾參數(shù)設(shè)計的全過程。
由以上設(shè)計計算過程可以看出，氣舉的設(shè)計計算是一個反復(fù)迭代的復(fù)雜過程，為了保證及時提供準(zhǔn)確的氣舉參數(shù)設(shè)計，按上述計算思路，進(jìn)行了設(shè)計計算程序編制，完成后調(diào)試通過，使氣舉參數(shù)設(shè)計全部通過VisualBasic610語言編程實現(xiàn)。設(shè)計時，只需輸入氣源壓力、氣舉井的井筒積液深度和管柱等基本參數(shù)，即可迅速輸出氣舉設(shè)計參數(shù)。

4　現(xiàn)場應(yīng)用實例分析

程序軟件編制完成后，已成功地指導(dǎo)了20多口作業(yè)氣井的誘噴排液復(fù)產(chǎn)，起到了一次性迅速徹底排除井筒積液的理想效果。
如文23氣田文108-1井基本數(shù)據(jù)如下:
氣層壓力18MPa，中深2963.5m，5.5″套管，2.5″油管下深2738m，液面深度1000m，壓井液密度1104g/m³，井口溫度25℃，井底溫度115.4℃。采用臨近文23-2井作為氣源井，該井能提供的最大氣舉壓力為12MPa，氣相對密度015931，臨界壓力4165MPa，臨界溫度195128K。
因井較深，進(jìn)行四級氣舉凡爾參數(shù)設(shè)計，見計算結(jié)果(表2)。
按照氣舉設(shè)計完成管柱，對該井實施氣舉排液，氣舉凡爾逐級開啟，排液順暢，井口放噴液氣交替出現(xiàn)，注氣壓力從開始的12MPa逐級降至9MPa，最后進(jìn)一步降低到4MPa，長時間連續(xù)出氣，表明井筒內(nèi)液體已完全掏空，因該井能量充足，一次氣舉即成功復(fù)產(chǎn)，初期日產(chǎn)能416×10⁴m³/d，效果顯著。

表2 氣舉凡爾參數(shù)計算表

5　認(rèn)識及結(jié)論

氣舉閥氣舉排液采氣工藝參數(shù)設(shè)計與優(yōu)選技術(shù)，針對氣舉工藝應(yīng)用中的存在問題，在分析論證的基礎(chǔ)上，研究論證了氣舉采氣與氣舉采油的區(qū)別，提出了氣舉閥開啟壓力、閥間距和開啟壓力差值應(yīng)適當(dāng)增大的工藝參數(shù)設(shè)計優(yōu)選新思路，并在此基礎(chǔ)上通過編程計算，形成了一種新方法，提高了氣舉的針對性和成功率。

參考文獻(xiàn)
1　張育林，余樹良1采氣1北京:石油工業(yè)出版社，1989
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4　冷向軍1VB610入門與提高1北京:清華大學(xué)出版社， 1999

摘自《天然氣勘探與開發(fā)》　　2005年6月
作者：汪海1　鮑志強1欒艷春1　耿新中1　楊鵬2(1 .中原油氣高新股份有限公司天然氣產(chǎn)銷廠　2.中原石油勘探局測井公司)
作者簡介　汪海，男，1969年7月出生，工程師;1992年畢業(yè)于成都地質(zhì)學(xué)院石油地質(zhì)專業(yè)，2000年獲西南石油學(xué)院石油工程碩士學(xué)位，現(xiàn)在天然氣產(chǎn)銷廠從事氣田開發(fā)工作。
地址:(457061)河南省濮陽縣柳屯鎮(zhèn)。電話:(0393)4878314。E-mail:zywanghai@sina.com

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