平台柱塞举升工艺在页岩气井的应用

蒋 密 余 帆 杨 智 朱 昆 陈家晓 刘 露

(中国石油西南油气田公司 工程技术研究院， 成都 610017)

页岩气通常存在于脆性高且压力和渗透率较低的砂岩储层，具有非均质性强及单井产量、压裂液返排率低等特点[1]。在生产初期，页岩气井往往产量递减较快，投产一年半后就有可能进入低产小水量阶段，气体携液能力不断下降，在大斜度段和水平段积液严重时甚至会导致水淹停产，从而影响气田的稳产、增产目标。采用中浅层页岩气平台柱塞举升工艺技术，可在一定程度上解决水平井、大斜度井的水淹问题，保障页岩气井在低压低产小水量阶段的平稳生产。柱塞气举工艺具有举升效果佳、工艺简单、投入成本低、清洁环保性好的优点，可在中浅层页岩气平台井中大规模推广应用[2]。本次研究将针对平台柱塞举升工艺在页岩气井钻井中的应用问题进行分析，从设计参数、柱塞配套工具和施工技术等方面予以优化。

1 工艺设计优化

柱塞的作用是，在气体与液体之间提供一个固体密封界面，将举升气体和被举升液体分隔开，以减少气体穿过液体段塞所造成的滑脱损失和液体回落现象，从而提高举升气体的工作效率[3-4]。通过柱塞在油管内往复运动将液体推送至地面的方法，可延长气井携液生产周期，从而有效地实现排液采气。在此，我们根据经验法则和Foss & Gaul等相关理论，对柱塞举升工艺井下工具、工艺流程、运行参数等进行设计以指导现场试验及调试[5-6]。

1.1 工艺参数设计

基于常用气液比或载荷系数法，综合考虑阀后压力、管柱尺寸、卡定器深度、液柱高度、地层补给压力等因素，在满足页岩气井高气液比、低压、小水量的条件下建立柱塞启动压力计算图版(见图1)，以提高柱塞运行时效[7]。通过模型拟合与现场应用，设计了气液比与净工作压力的关系式：

(1)

式中：In(GLR)—— 气液体积比；

pn—— 净工作压力，MPa；

a、b、c、d—— 与井深、管柱尺寸等有关的常数。

影响柱塞举升效果的主要因素包括水平段井眼轨迹、井深、油套压、产液量、水气比、柱塞工作制度，设计中优化的参数包括运行单循环举升液量、最小关井套压、举升周期所需气量、柱塞运行制度等。

1.1.1 单循环举升液量

柱塞运行的能量主要由关井期间聚集于油套环空的压力来提供。当开井时，油管压力下降，储存于套管的气体就会进入油管，将柱塞及其柱塞上端的液体推送到地面。因此，柱塞单循环举升液量直接受开井瞬间油套压差的极大影响。单循环举升液量的计算式如下：

(2)

式中：ql—— 单次循环举升液量，m3；

pc—— 关井套压，MPa；

pt—— 关井油压，MPa；

ρ—— 液体密度，kg/m3；

g—— 重力系数，9.8 N/kg；

At—— 油管横截面积，m2。

1.1.2 最小关井套压

开井后，柱塞的最小压力刚好能推动井内液体运行到井口。此时，套管与油管的压力趋于相同，则通过压力梯度分别折算出的油管与套管到井底的压力也相等。其关系式如下[8]：

pc，min=[pt，min+(ph+pf)·ql+pp+pa]·

(3)

式中：pc，min—— 最小关井套压，MPa；

pt，min—— 柱塞到达井口的油压，MPa；

ph—— 单位体积液体举升压力，MPa/m3；

pf—— 单位体积液体举升阻力，MPa/m3；

pp—— 举升柱塞本身所需压力，MPa；

pa—— 当地大气压，MPa；

Hz—— 井下限位器深度，m；

k—— 与油管尺寸有关的常数。

1.1.3 最大关井套压和平均关井套压

根据气体定律计算最大关井套压，平均关井套压为最大关井套压和最小关井套压的平均值，其计算式如下[9]：

pc，max=pc，min·(1+At/Ac)

(4)

pcavg=(pc，min+pc，max)/2

=pc，min·(1+At/2Ac)

(5)

式中：pc，max—— 最大关井套压，MPa；

Ac—— 油套环空面积，m2；

pcavg—— 平均井口套压，MPa。

1.1.4 举升周期所需气量

柱塞上端能够带液到井口所需的最小气量，与油管尺寸、柱塞下落位置、气液比、井口套压等有关，其计算式如下：

qgcyc=pcavg·Hz·C

(6)

式中：C—— 与油管尺寸有关的常数；

qgcyc—— 举升所需气量，m3。

1.1.5 柱塞运行周期

柱塞运行周期分为2部分，即开井时间和关井时间。其中，开井时间包括柱塞上行时间、柱塞到达井口后的续流时间；关井时间包括柱塞在气体中的下落时间、柱塞在液体中的下落时间及套管恢复压力时间。其关系式如下[10-11]：

(7)

式中：Cy—— 柱塞每日运行周期，次；

ta—— 气体中的柱塞下落时间，min；

tb—— 液体中的柱塞下落时间，min；

tc—— 柱塞上行时间，min；

td—— 柱塞到达井口后的续流生产时间，min；

te—— 套管压力恢复时间，min。

1.2 柱塞类型

针对页岩气井单井产量低、携液能力差、柱塞偏磨、大斜度井段漏失等问题，优选出柱状柱塞、刷式柱塞、弹块柱塞等3类柱塞，以满足柱塞在页岩气水平井、大斜度井中通过的性能要求[12]。为了改善其密封性能，基于普通柱状柱塞设计了一种喷射旋转型柱状柱塞(见图2)。该柱塞在大斜度井中易于启动，可以减少滑脱和磨损现象的发生，降低上升阶段的漏失量，从而提高柱塞的携液效率。此外，该柱塞可应用于产量相对较高的气井中，如中浅层页岩气井，且在气井出砂过程中运行顺畅，较少受到其他因素的干扰。

1.3 限位器

(1) 卡定器缓冲弹簧总成。卡定器是一种控制油管内柱塞下落的限位装置，用于确定柱塞的最大下落深度[13]。以目前的钢丝作业能力，可保证卡定器的坐放位置深入到油管内井斜角65°处。一体式卡定器带缓冲弹簧能防止卡定器在柱塞下落时受到硬性撞击，同时可减弱柱塞下落到缓冲弹簧顶部的冲击力。页岩气后期的产水量较低，油管内的液体极有可能全部退回水平段而使柱塞举升效率降低，因此，采用了带单流阀的卡定器缓冲弹簧总成(见图3)，以防止井筒液体回落。同时，通过设定的内置弹簧阈值来控制打开压力，确保油管液柱能在达到一定高度时自动回落，从而避免油管内液柱压力高于地层压力而导致水淹的情况[14]。卡定器缓冲弹簧总成广泛应用于日产水量在1 m3以下的气井。

图3 接箍式定压截流卡定器缓冲弹簧总成

(2) 带缓冲弹簧工作筒。带缓冲弹簧工作筒主要应用于需要开展修井作业的产水气井，其结构如图4所示。修井作业中，将带弹簧的工作筒下落至设计深度，在投运柱塞工艺前只需通过绳索作业即可通井至工作筒所在位置。这样可以解决绳索作业在斜井、深井中施工时的难度大、风险高、投捞成功率低等问题[15]。

1 — 缓冲短接； 2 — 弹性挡圈； 3 — 挡环； 4 — 缓冲弹簧

2 工艺施工技术优化

页岩气水平井积液段处于大斜度段，需要通过钢丝作业通井、坐放柱塞卡定器至大斜度段。常规井下工具在大斜度段的作业受到井眼轨迹的限制，难以满足水平井大斜度井段的作业要求，钢丝被卡堵的情况时有发生。为了提高入井坐放深度，针对水平井钢丝作业，研制了“柔性短节+滚轮(滚珠)”扶正器，以解决工具串在水平井、大井斜角施工中的摩阻问题。同时，剪断投放工具销钉，使井下工具的投放更加顺利。现场应用结果显示，通井过程中最大井斜角可以大于75°，工具投放角最大可达65°左右。工具串由上至下的总长度为4.06 m，其结构如表1所示。

表1 工具串结构(由上至下)

3 现场应用效果评价

经过前期的选井、工艺设计、方案论证等工作，最后选择在A平台实施页岩气井柱塞举升工艺。该平台共有5口井，其中上倾井2口、下倾井3口，各井的井深为2 800～3 300 m。柱塞工具运行中的最大井斜角可达到65°，均采用鱼骨柱塞，总体运行状态平稳，能够顺利到达井口。A平台柱塞井下工具参数如表2所示。

表2 A平台柱塞井下工具参数

2020年4月、6月，在A平台先后采用柱塞工艺投入生产。柱塞运行制度均采用固定时间模式，通过对柱塞运行初期制度的调整优化，使产量、压力逐渐趋于稳定，油套压差逐渐下降并保持在1.0～1.5 MPa，日产气量及排水量较为稳定，柱塞运行中排液明显，延缓了井筒积液。最后，该平台稳产时期得到延长，产量下降趋势明显放缓，柱塞工艺排液效果较好。A6井柱塞工艺周期曲线如图5所示。

图5 A6井柱塞工艺周期曲线

在A平台实施柱塞工艺的过程中，开井瞬间及排液阶段会造成阀后压力升高，进而对同一计量流程中的其他气井产生回压，最终影响排液和瞬时产量。A5井与A6井处于同一计量管网。从柱塞周期运行情况可以看出，A5井开井瞬间与柱塞排液时的油压升高会直接影响A6井的阀后压力，并对其造成井口回压(见图6、图7)。因此，平台井的柱塞运行需要持续优化各井开关时段，减少井间干扰，适当控制井口针阀，稳定平台生产。

在实施柱塞工艺前，平台井平均每周需要关井复压1次，产量月递减率为6.3%。在柱塞工艺运行后，气井生产连续稳定，产量月递减率降至2.8%。截至2020年12月，平台柱塞工艺稳产效果均较好，基本解决了水淹问题。日产气量稳定在13×104m3，日产水量稳定在14 m3，柱塞举升工艺的稳产效果比较显著。A平台生产曲线如图8所示。

图6 A5井开井瞬间与A6井阀后压力关系

图7 A5井柱塞排液与A6井阀后压力关系

图8 A平台生产曲线

4 结 语

采用平台柱塞举升工艺，能够有效地解决页岩气井的井底积液问题，减少液体滑脱现象，提高气井携液能力和带液效率，使气井保持稳定生产。该工艺适用于中浅层页岩气井整体平台。通过对理论计算方法与实际运行情况的拟合，建立了适应页岩气水平井的柱塞设计方法，绘制了柱塞启动压力指导图版。需要注意的是，在平台全部实施柱塞工艺时，需合理错开各井的开关井时间，以避免同一平台柱塞气井同时运行时油压瞬间增大而形成井间干扰，或者因同时开井对输压波动变化较大而引起的柱塞气井回压，减少对柱塞运行状况的影响。