延北113—133致密气藏水平井速度管柱安装策略研究

胡 苗，冯利军，王军锋，杜奎甫，翟中波，李 剑，米乃哲

(1. 斯伦贝谢长和油田工程有限公司，西安 710016；2. 斯伦贝谢，西安 710016；3. 陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，西安 710065)

1 研究背景

延北113—133区块气藏属于弹性驱动的致密砂岩气藏，主要利用长段水平井，通过多级压裂技术进行开发，压裂后由于返排不完全导致部分压裂液进入储层，随着气藏的持续开发，地层压力和产量下降，气井对液体的携带能力减弱，导致井筒出现积液，影响气井产能发挥。延北113—133气藏于2018年7月投产，2019年9月个别水平井陆续出现积液停产状况，因此采用了行业内主流的速度管柱排水采气措施对该区积液井进行治理。截至2020年12月31日共投产水平井64口，利用速度管柱生产的井有23口。速度管柱安装前水平井正常生产时平均单井日产3.4×104m3，速度管柱安装后水平井平均单井日产1.6×104m3, 水平井产量恢复了47%，产量恢复比例较低，速度管柱排水采气效果较差。

为了提高速度管柱排水采气效果，较大程度恢复产能，2021年初开展了区块内速度管柱安装策略研究。通过调研目前行业内对于速度管柱安装的策略，发现目前的研究大多集中在井筒及工艺技术层面，如李雪晴[1]从下入深度、临界携液流量和摩阻系数3个方面研究了速度管柱效果的影响因素，优化速度管柱在大牛地气田的安装尺寸和深度。赵宏波等人[2]结合井身结构和油管串结构的研究，优选出了合理尺寸的速度管柱，用速度管柱重力悬空时最大载荷80%的安全系数来设计其下入极限深度，用一体式封隔悬挂器把速度管柱悬挂在油管内壁，通过对速度管柱的尺寸、下入深度、悬挂位置及悬挂器选择进行合理配置以提高排水效果。很少有学者从油藏层面对速度管柱安装效果进行研究。该文从油藏的角度研究了不同尺寸速度管柱、不同的下入时机对于不同油藏储层特征及井筒状况的适应性，最终针对不同类型的储层及井筒状况形成不同的速度管柱安装策略。

主要研究思路：1)利用Petrel建立3个可代表本区不同储层类型的地质模型；2)利用数值模拟软件Eclipse在3个地质模型的基础上建立数值模拟模型；3)利用Pipesim建立3类不同管柱尺寸的垂直管流井筒模型；4)设计不同的方案对数值模型和井筒模型进行耦合计算，研究不同储层类型的井其速度管柱安装的最优方案；5)结合实际井筒和生产现状制定不同储层类型的井速度管柱安装策略。

2 速度管柱安装策略研究

2.1 地质模型的建立

为了得到可代表延北113-133区好中差3种储层类型的储层物性参数, 通过将区域内定向井按照其产能进行分类, 统计出每一类井的储层物性参数：Ⅰ 类井, 无阻大于7×104m3/d；Ⅱ类井, 无阻为(3～7)×104m3/d；Ⅲ类井, 无阻小于3×104m3/d。Ⅰ类井对应Ⅰ类储层，Ⅱ类井对应Ⅱ类储层，Ⅲ类井对应Ⅲ类储层，表1为每一类井对应的储层物性参数，该参数用于地质模型物性参数输入。

表1 直定向井储层物性参数统计表

3个地质模型除了物性参数不同, 其他参数保持一致, 图1所示模型的网格大小为(25.0×25.0×0.2)m；网格总数为89×46×40；单井控制面积2 km2；井距 1 000 m；压裂级数6级；水平井水平段长度1 000 m。

图1 单井地质模型Fig.1 Geologic model of individual well

2.2 数值模型的建立

为了保证计算精确，数值模型的网格未进行粗化，其大小、数量与地质模型保持一致。因为气井压裂返排情况直接影响着低渗致密气藏气井压后的产能以及产量降至临界携液流量以下的时间[3]，因此需要考虑侵入区渗透率的损失、不同区域相渗曲线的差异，同时考虑返排初期含水饱和度和地层压力不均匀分布的情况，对压裂返排进行模拟[4]，在拟合真实返排率的基础上进行方案设计，进行产量预测。

表2为压裂反排模拟的参数设置，表3为岩石流体参数统计表，图2为气藏数值模型建立时的流体模型相渗曲线。

表2 压裂返排数据

表3 岩石和流体参数统计表Table 3 Rock and fluid properties parameter

图2 相渗曲线Fig.2 Relative permeability curve

2.3 井筒垂直管流模型的建立

采用Gray，Hagedorn & Brown，Beggs & Brill等多种垂直管流计算方法，对13口水平井井底流压进行计算。对实测井底压力资料进行对比分析，表明Gray法拟合程度较高[5]，因此选取Gray法分别对Φ88.90 mm，Φ50.80 mm，Φ38.10 mm和Φ31.75 mm的井筒垂直管流进行计算，生成各自的井筒模型。图3为Φ88.90 mm油管井筒模型。

图3 Φ88.90 mm油管井筒模型Fig.3 Φ88.90 mm tubing wellbore model

2.4 模拟方案设计

针对不同储层类型、不同的速度管柱尺寸、不同的下入时间, 设计了72组数值模拟方案, 如表4所示, 机理模型井筒状况理想。对不同的模型和速度管柱尺寸方案设置相同的生产制度, 因此可利用井底流压来表征速度管柱下入时间, 井底流压24 MPa时, 即投产就安装速度管柱, 速度管柱安装时间最早；井底流压3 MPa时, 即积液停产后安装速度管柱, 速度管柱安装的时间最晚。

表4 数值模拟方案设计Table 4 Cases design of numerical simulation

2.4.1 速度管柱下入时机优化

对于不同类型储层的井，分别将Φ31.75 mm，Φ38.10 mm和Φ50.80 mm的速度管柱在井底流压为3 MPa，6 MPa，9 MPa，12 MPa，15 MPa，18 MPa，21 MPa和24 MPa情况下下入，模拟结果显示：速度管柱的下入时机对最终累采无影响，但影响采气速度及早期的阶段累计采出量，速度管柱尺寸越小，影响程度越大；储层质量越好，影响程度越大。

以Ⅱ类储层为例，图4为不同时间下入Φ31.75 mm的速度管柱的生产剖面。图4表明Φ31.75 mm速度管柱安装时机越早，采气速度越小，阶段累计采出越低。这是由于较小速度管柱其摩阻较大，与早期油管生产相比抑制了产能的发挥，影响初期的采气速度，产能5×104m3/d的临界井底流压为21 MPa, 基本无法稳产。图5为不同时间下入Φ38.10 mm的速度管柱的生产剖面，图5表明Φ38.10 mm速度管柱安装时机越早，采气速度越小，阶段累计采出越低。由于Φ38.10 mm速度管柱摩阻小于Φ31.75 mm的但大于油管的摩阻，因此与早期油管生产相比，虽然抑制了产能的发挥，但抑制作用小于Φ31.75 mm的，产能5×104m3/d的临界井底流压为9 MPa。图6为不同时间下入Φ50.80 mm的速度管柱的生产剖面，图6表明Φ50.80 mm速度管柱对初期采气速度的抑制作用较弱。由于Φ50.80 mm速度管柱摩阻小于Φ38.10 mm的但大于油管的摩阻，因此与早期油管生产相比，虽然抑制了产能的发挥，但抑制作用小于Φ38.10 mm的，产能5×104m3/d的临界井底流压为6 MPa。

图4 不同时机下入Φ31.75 mm的速度管柱生产剖面Fig.4 The production profile of Φ31.75 mm velocity string was run at different times

图5 不同时机下入Φ38.10 mm的速度管柱生产剖面Fig.5 The production profile of Φ38.10 mm velocity string was run at different times

图6 不同时机下入Φ50.80 mm的速度管柱生产剖面Fig.6 The production profile of Φ50.80 mm velocity string was run at different times

通过图7统计阶段累产(投产至油管生产停产这一段时间), 得出对于Ⅰ类、Ⅱ类储层的井，越晚下入速度管柱越好，较早下入速度管柱会大大抑制产能的发挥，降低采气速度。因此应该在流压小于3 MPa，即采出程度约大于33%时下入速度管柱。对于Ⅲ类储层的井，速度管柱的下入时间可稍早于Ⅰ类、Ⅱ类储层的井，即当井底流压小于6 MPa，采出程度约大于19%时下入速度管柱。

图7 不同时间下入不同尺寸速度管柱阶段累计产量对比Fig.7 Cumulative production in early period with different velocity string installation time and size

2.4.2 速度管柱尺寸优化

在井底流压为3 MPa时，不同储层类型的井分别安装Φ50.80 mm，Φ38.10 mm和Φ31.75 mm的速度管柱，通过对累计产量的统计得出如下结论：1)图8显示速度管柱尺寸越大初期产气速度越高，速度管柱尺寸越小生产周期越长；2)图9显示Ⅰ类、Ⅱ类储层的井，速度管柱尺寸越大初期产气增加幅度越大；3)图10显示Ⅲ类储层的井，速度管柱尺寸越小，后期产气增加幅度越大；4)速度管柱的尺寸随着井产能类别的升高而升高，Ⅰ类、Ⅱ类储层的井应安装较大尺寸的速度管柱，Ⅲ类储层的井应安装较小尺寸的速度管柱。

图8 不同储层类型下入不同尺寸速度管柱累计产量Fig.8 Cumulative production with different velocity string installation size under different reservoir quality

图9 早期Φ50.80 mm速度管柱对比Φ38.10 mm累产增加幅度Fig.9 Increase in CUM of Φ50.80 mm velocity string compared with Φ38.10 mm at early period

图10 晚期Φ31.75 mm速度管柱对比Φ38.10 mm累产增加幅度Fig.10 Increase in CUM of Φ31.75 mm velocity string compared with Φ38.10 mm at later period

3 不同储层类型井的速度管柱安装策略

以上研究论证了在稳定的生产制度和理想井筒状况下，理论上速度管柱的安装时机和尺寸。但是实际生产情况复杂多变，需要在理论框架下针对单井实际生产制定速度管柱安装策略。

1)针对下入时机：一般生产中，常以临界携液流量作为速度管柱安装时机的指标，认为当气井产量降至该井的临界携液流量以下时，便可下入速度管柱生产[4]。但产量降至临界携液流量的原因不同，若是正常生产造成能量衰减，导致油管不能正常携液，该时间点是安装速度管柱的合理时间；但是如果由于砂堵等井况原因造成产量下降导致该井不能正常携液，则该时间点非速度管柱的合理下入时机，因此下入速度管柱前应该根据生产情况通过动态分析做出初步诊断。

2)针对下入尺寸：研究表明，好储层井应安装较大尺寸速度管柱，差储层井应安装较小尺寸速度管柱，但由于各个井降至临界携液流量以下时的累计采出程度不同，所以井的能量不同，因此，对于具体的尺寸选择应根据该井排液后生产能力确定，原则上应保证该井排液后正常产量在即将安装速度管柱的临界携液流量以上。表5为统计的气藏实际参数，表6为Turner模型[6]计算3 MPa流压下不同管径的临界携液流量。

表5 计算临界携液流量实际参数Table 5 Reservoir actual parameter of critical liquid carrying flow rate calculation

表6 不同尺寸管柱临界携液流量(Turner)Table 6 Critical liquid carrying flow rate of different string size(Turner)

在实际生产中，某些气井的工作制度并不稳定，井筒状况也不理想，无法用井底流压来表征下入速度管柱的合适时机，但可根据以上理论模型计算的合理下入速度管柱时机对应的累计产量来表征，Ⅰ类储层井底流压3 MPa时对应的累计产量为5 071× 104m3，Ⅱ类储层井底流压3 MPa时对应的累计产量为3 379×104m3，Ⅲ类储层井底流压6 MPa时对应的累计产量为1 484×104m3。

综合以上研究成果和区块实际生产情况，制定了符合延北113-133区块不同储层类型的井速度管柱安装策略，图11为Ⅰ类储层的井速度管柱安装决策树，图12为Ⅱ类储层的井速度管柱安装决策树，图13为Ⅲ类储层的井速度管柱安装决策树。

图11 Ⅰ类储层井速度管柱安装策略Fig.11 Velocity string installation strategy for class Ⅰ reservoir wells

图12 Ⅱ类储层井速度管柱安装策略Fig.12 Velocity string installation strategy for class Ⅱ reservoir wells

图13 Ⅲ类储层井速度管柱安装策略Fig.13 Velocity string installation strategy for class Ⅲ reservoir wells

4 现场应用效果

从2019年至今，延北113—133区块水平井安装速度管柱井数为34口，2019—2020年为速度管柱安装的探索阶段，无具体的安装策略，速度管柱的安装较盲目。

2021年通过以上速度管柱安装理论研究，经过实践总结形成了速度管柱安装策略，应用该策略实施速度管柱安装决策。从图14可以看出，2021年对比2019—2020年速度管柱效果明显变好。

图14 单井速度管柱安装效果对比柱状图Fig.14 Single well velocity string installation effect comparison bar chart

从产量恢复比例角度对比：2021年安装速度管柱后平均单井产量恢复比例为67.8%，较2020年的52.0%提高了15.8%，较2019年的36.2%提高了31.6%。

从井数恢复比例角度对比：2021年安装速度管柱11口，单井产量恢复到50%以上的井数为10口，井数恢复比例为91%。只有YB002-H06这一口井产量恢复较差，主要由于该井速度管柱安装时间较短，井底压力过低，目前还在启动中。2021年安装速度管柱后产量恢复较好的井数比例较2020年的60%提高了31%，比2019年的33%提高了58%。

从生产时率角度对比：表7显示出安装了速度管柱后生产时率可大大提高。

表7 速度管柱安装策略运用实施效果对比表

通过实施效果对比发现，该安装策略适用性较强，可大大提高气井开发效果。

5 结论

1)安装速度管柱前需要进行井筒诊断，有砂堵问题的井不可直接安装速度管柱，应处理完井筒问题后根据产量恢复状况判断是否需要安装速度管柱。

2)Ⅰ类、Ⅱ类储层的井在采出程度大于33%时即可安装速度管柱，Ⅲ类储层的井在采出程度大于19%时即可安装速度管柱。

3)Ⅰ类储层的井速度管柱合适尺寸为Φ(38.10～50.80) mm，Ⅱ类储层的井速度管柱合适尺寸为Φ(31.75～44.45) mm，Ⅲ类储层的井速度管柱合适尺寸为Φ(31.75～38.10) mm。具体尺寸的选择应根据该井排液后正常产能确定，以保证安装速度管柱的临界携液流量小于该井排液后的正常产能。