致密气藏井下智能排水采气装置研制及应用

杨全蔚,刘 辉,王 磊,常玉婷,曹国佳,陈 晨,王闻涛

(1.中国石油长庆油田分公司 第二采气厂,陕西 榆林 719000;2.中国石油宝鸡石油机械有限责任公司, 陕西 宝鸡 721002)

以苏里格气田为代表的致密气藏属于典型的低压、低渗、低丰度“三低”气藏[1-4],气水关系复杂,区域内气藏含水差异明显;气井投产后产气量低,压力下降快,气井携液能力不足,积液气井逐年增加。随着气井生产时间的延长,绝大多数气井处于低压、低产阶段,依靠气井自身的能量难以将井底积液排除[5-6]。低压气井逐年增加给气田开发和管理带来了巨大挑战。气井低产、积液已经成为制约气井稳定生产的关键因素,规模化采用排水采气工艺技术是解决气井积液问题的有效手段。

针对致密气田气井低压、低产阶段时间长、积液井不断增多的现状,长庆油田开发了泡沫排水、速度管柱、柱塞气举等气井排水采气技术。泡沫排水技术对于产气量0.5×104m3/d以上积液气井,有效率高,且产量越高,效果越明显。速度管柱技术对于低产阶段稳产能力强的Ⅰ类气井,有效期长。柱塞气举技术可用于产气量0.3×104m3/d以上或以下间歇生产气井的排水采气,但当地层瞬时出液量多时可能将柱塞“淹死[7-10]。其中,泡沫排水技术适用的气井产气量>0.3×104m3/d,产水量<25 m3/d;速度管柱技术适用的气井产气量≥0.3×104m3/d,产水量<5 m3/d ;柱塞气举技术适用的气井产气量>0.3×104m3/d,产水量<10 m3/d。以上排水采气技术基本解决了产气量0.3×104m3/d以上积液气井的排水采气问题,改善了致密气藏的开发效果,取得了显著的经济效益。

但是,产气量<0.3×104m3/d的积液气井占积液气井数的绝大部分,上述3种气井排采气技术对于这些积液气井的适应性及效果较差。另外,以上3种排水采气技术无法根据井下实际工况进行精准排水采气,存在井筒积液排除不彻底、无效关井时间长、排液效率低等问题。为解决产气量<0.3×104m3/d积液气井的排水采气问题,研制了致密气藏井下智能排水采气装置(以下简称智能排水采气装置)。该装置可根据井下实际工况进行精准排水采气,井筒积液排除不彻底,排液效率高,无效关井时间短。本文介绍了智能排水采气装置的结构、工作原理,以及应用情况。

1 结构及工作原理

智能排水采气装置主要由复合密封、温度传感器、旁通中心流道孔、控制器、控制电机等组成,结构如图1所示。

1-复合密封;2-旁通中心孔流道;3-温度传感器;4-控制器;5-控制电机。 图1 致密气藏井下智能排水采气装置结构

智能排水采气装置在装配时由注液孔向密闭液腔注入液压油。配置的多种传感器将感知、采集、存储、计算、控制、通讯等数字信息融为一体。采用温度智能控制原理,编制控制程序并存入智能排水采气装置的控制存储模块。智能排水采气装置深入井下,通过实时采集和分析井筒数据,自动探明井筒液面位置。控制系统的工作原理如图2所示。

智能排水采气装置在井筒内下落时,温度传感器测量环空流体的温度值,当该温度值小于预设控制温度值时,控制存储模块发出控制指令,使控制电机启动并带动心轴向下运动。液腔容积增大,金属与高弹性密封的复合密封结构收缩,旁通孔中心流道孔打开,智能排水采气装置快速下落。

智能排水采气装置进入井筒液面一定深度后,当测得的流体温度值大于预设控制温度值时,控制存储模块发出控制指令,使控制电机带动心轴向上运动。液腔容积受控减小,在液压力的作用下,金属与高弹性密封的复合密封结构受压膨胀并密封油管内壁,旁通孔中心流道孔接受控制反馈信号而自动关闭,智能排水采气装置自动悬停,液气流体被密封在金属与高弹性密封的复合密封结构上端,使井底气体憋压而产生高压,将智能排水采气装置及密封的液气流体推向井口,实现自上而下、分级分段定量周期往返,完成智能排水。

2 技术参数

外形尺寸 ø59.5 mm×1 000 mm

工作压力 ≤35 MPa

工作温度 ≤150 ℃

压力传感器精度 0.03% FS

温度传感器精度 ±0.5 ℃

3 关键技术

1) 小闭环控制技术。

智能排水采气装置采用井下小闭环控制技术,温度传感器测量井筒内的温度。微处理器将预置的开关旁通孔中心流道温度参数信息与实时测得的温度信息进行比较,当该智能装置沉入液面以下达到关闭旁通孔中心流道设定温度值时,控制程序发出控制指令,使旁通孔中心流道关闭,智能装置悬停憋压。当智能排水采气装置上行至井口,测得温度值达到设定的打开旁通孔中心流道设定的温度值时,控制程序发出控制指令,使旁通孔中心流道打开并排水、排气,智能排水采气装置下行,完成1个周期的排水采气。

2) 可开启和关闭的旁通孔中心流道结构。

采用可接通和关闭的旁通孔中心流道结构,当旁通孔中心流道接通和关闭时,分别实现智能排水采气装置在井筒内快速下落和在井筒中的憋压上行功能。

3) 温度智能控制准则。

智能排水采气装置入井前,按照事先测得的井筒温度梯度进行控制程序编程,而后将温度控制程序输入致密气藏井下智能排水采气装置的存测储单元。进行排水采气作业时,该智能排水采气装置根据井筒温度自动实现井下小闭环控制功能,控制其旁通孔中心流道的开合,实现智能排水采气。井筒内温度变化幅度较小,采用温度传感器采集井筒温度,将温度作为智能控制准则的方式,控制判断流道开合更加准确及时。

4) 金属与高弹性密封的复合结构。

采用金属与高弹性密封的复合结构,提高了智能排水采气装置的密封性能和使用寿命。

5) 智能识别井筒动液面并精准排水采气技术。

采用温度智能控制原理,事前将控制程序存入智能排水采气装置。智能排水采气装置通过温度、压力传感器实时采集和分析井筒数据,自动探明井筒液面位置。当到达设定排水深度,旁通孔中心流道受控闭合,可精准排水采气。

4 选井要求

1) 直井或井斜度小于60°,井深≤3 500 m。

2) 适用油管规格60.3 mm(2″)、73.0 mm(2″)、88.9 mm(3″),油管无破损、变形、脱落。

3) 0.05×104m3/d≤产气量<0.3×104m3/d,产水量≤10 m3/d,油压力比地面输送压力大0.5～1.0 MPa。

4) 尾管上部50 m以上安装卡定器。

5) 具有井筒温度梯度测试数据。

5 应用步骤

5.1 通井

5.2 井下卡定器的安装

连接工具串。工具串结构为:钢丝绳帽+加重杆+机械震击器+投捞工具+卡定器。

打开采气树阀门,将卡定器下入预订深度,正常下入速度≤100 m/min。下入要平稳,防止下击剪断打捞工具内的销钉,造成卡定器提前坐封。

5.3 井筒温度和压力梯度测试

连接工具串。工具串结构为:钢丝绳帽+加重杆+机械震击器+智能排水采气装置的测控存单元部件。 工具串入井进行温度、压力梯度测试,根据井深间隔200 m或500 m测试1个点,直至通井深度。缓慢起出工具串,读取测试数据,生成井筒温度、压力梯度图表,分析数值,为智能排水采气装置温度控制程序编写做准备。

5.4 智能排水采气装置控制程序编写

数据线连接智能排水采气装置和编程电脑,根据采集到的温度梯度数据进行控制程序编写。该控制程序需要设置的参数为:识别温度值(井口温度)、初始井下关阀温度值(动液面处的温度)、最大关阀温度值(卡定器处的温度)、跟踪动液面温度增量值(装置沉没到动液面一定深度的控制温度,一般取3 ℃),温度阙值(旁通孔中心流道在井口位置打开的温度公差值,一般取±0.5 ℃)等。将编制好的控制程序输入智能排水采气装置的存储单元,并作为该系统在井筒内排水采气的工作程序。

5.5 智能排水采气装置的投放

1) 关闭采气树的7#阀门、针阀,泄压,将智能排水采气装置的防喷管安装到采气树的7#阀门顶端拆除法兰的螺纹孔内,将智能排水采气装置装入防喷管内,关闭捕捉器。

2) 安装撞击块、上缓冲弹簧、防喷管帽。

3) 打开采气树阀门(1#、4#、7#),然后打开捕捉器,释放智能排水采气装置,使其在井筒内自由下落。

4) 关闭采气树阀门(1#)、针阀,泄压,拆除防喷管,将采气树的7#阀门上的法兰安装到位。

5) 打开采气树阀门(1#)及针阀,开启正常作业生产流程。

6 应用实例

6.1 井况参数

神木气田X井完井深度2 610 m,油管内径62 mm,油管下深2 420 m。生产层为山21、太22、本溪组,未下入节流器。该井为1口间歇生产井,油压2.5 MPa、套压10.8 MPa、平均日产气量0.1×104m3/d。由于产气量较低,其他排水采气工艺均不适宜。采用智能排水采气装置的测控存单元部件进行井筒的温度、压力梯度测试,数据如表1所示。分析表1的数据知,在井深1 500 m处存在变密度液面,即,该深度处为井筒的动液面位置,说明井筒存在积液水淹现象。为此,选择在该井进行智能排水采气装置排水采气试验应用。

表1 神木气田X井的温度和压力梯度数据

6.2 智能排水采气装置及排采工艺参数

1) 卡定器下入深度。

根据油管下深,在距离油管鞋以上约50 m,即,井深2 343 m处下入卡定器。

2) 智能排水采气装置控制编程参数。

根据表1测得的温度及温度梯度数据进行智能排水采气装置控制程序编程,控制程序参数设置如下:识别温度为(井口温度)17.58 ℃、初始井下关阀温度为(动液面处的温度)42.32 ℃、最大关阀温度为(卡定器处的温度)60 ℃、跟踪动液面温度增量为(装置沉没到动液面一定深度的控制温度)3 ℃,温度阙值为(旁通孔中心流道在井口位置打开的温度公差值)±0.5 ℃。将编制好的控制程序输入智能排水采气装置存储单元,并作为该系统在井筒内排水采气的工作程序。

智能排水采气装置入井后,温度传感器检测到动液面温度值,当温度升高3 ℃时(装置沉入动液面以下一定深度),控制系统控制旁通孔中心流道关闭,智能排水采气装置悬停憋压;当智能排水采气装置运行到井口,温度传感器检测到井口处温度为17.5 ℃±0.5 ℃时,控制系统控制旁通孔中心流道打开,排出气、液后智能排水采气装置自由落入井筒内,即完成1个周期的定量排水采气。

6.3 试验应用效果分析

智能排水采气装置在神木气田X井稳定工作21 d,各部分工作状态良好。图3为智能排水采气装置的工作状态曲线图,温度和压力曲线规律、平稳。从图3可以看出,智能排水采气装置能够按设定参数的控制程序工作,控制姿态调整及时,可自动探测液面位置并沉没与动液面以下一定深度,智能排水采气装置在井筒内运行深度逐渐加深,实现了逐级定量排水功能,井筒液面逐渐降低,成功排出井筒积液。

图3 智能排水采气装置工作状态曲线

表2为智能排水采气装置应用前后油套压、日产气量等数据。由表2可以看出, 智能排水采气装置应用前,油压2.5 MPa、套压10.8 MPa、日产气0.1×104m3/d,油套压差较大,日平均产气量较小。智能排水采气装置应用后,油压2.8 MPa、套压6.3 MPa、日产气5 119 m3/d,日均增产气4 119 m3/d,累计增产气86 499 m3,油压上升,套压下降4.5 MPa,日产气量大幅提高,达到排采平衡,成功将井激活,表明智能排水采气装置可以使气井达到最佳化生产状态。

表2 智能排水采气装置应用前后数据对比

7 结论

1) 智能排水采气装置试验应用后,实现了自动精准探液面、逐级定量排水采气功能,成功将井筒中的积液排出,达到了排采平衡,增产效果明显。

2) 经过试验应用证明,智能排水采气装置的温度控制能很好地同井筒的实际工况相结合,助力智能排水采气装置功能的实现。

3) 工作一段时间后,智能排水采气装置出现了锈蚀、磨损情况,需提高其耐腐蚀、耐磨损性能。

4) 电池组电量不足,不能维持长时间工作。建议优选放电性能更优的电池组,或者在智能排水采气装置内集成无线充电单元。

5) 智能排水采气装置的数据存储空间有限,工作期内需从井中起出该装置,人工导出存储数据,耽误生产时间。建议在智能排水采气装置内集成无线数据传输单元。