澀北氣田連續油管沖砂作業分析

摘 要

摘要：澀北氣田生產過程中極易出砂，要恢復氣井正常生產，就要將砂沖出來，解放產層。由于地層壓力低，常規沖砂方法容易使地層壓漏，返排困難，對氣層造成嚴重的污染，達不到提高產量的目的
摘要：澀北氣田生產過程中極易出砂，要恢復氣井正常生產，就要將砂沖出來，解放產層。由于地層壓力低，常規沖砂方法容易使地層壓漏，返排困難，對氣層造成嚴重的污染，達不到提高產量的目的。在使用連續油管進行了10口井沖砂作業的基礎上，通過對典型井的分析，認為沖砂作業成功的關鍵是合理控制沖砂排量、井口油壓(回壓)、泵液時間、泵液量、沖砂速度等，使井口油壓、液柱壓力、砂柱壓力、氣柱壓力、油管與連續油管環空間的循環阻力之和小于井底地層壓力，讓產層中的天然氣不斷地流入井筒，達到減少地層污染的目的。實驗結果對今后澀北氣田進行大規模的連續油管沖砂作業具有指導作用。
關鍵詞：澀北氣田；連續油管；清砂；生產能力；地層壓力
1 澀北氣田連續油管沖砂完成情況
    2005年在4口直井、2007年選擇了4口水平井和2口出水較多、有出砂現象的直井實施了連續油沖砂作業，其效果見表1。
    2005年沖砂的4口井都沒壓住地層，沖砂完后直接進站生產，除澀北4-5井底部橋塞上移產量未增加外，其余井都有所增加。2007年沖砂后，1口井生產不正常，1口井復產不成功，其余4口井產量有所降低，除地層壓力比2005年更低外，操作上也存在問題。
 
2 問題探討
2.1 澀北氣田的基礎數據
    澀北氣田生產套管外徑為177.8mm，內徑159.4mm；油管外徑為73mm，內徑62mm；連續油管外徑為31.75mm，內徑27.29mm，連續油管長度4000m；氣層井段1000～1500m，鉆井口袋70m左右。
2.2 理論分析
    將砂帶出地面的條件為：
    vt＞2vd
式中：vt為沖砂液的上返速度，m/s；vd為砂粒的自由下沉速度，m/s。
    只要沖砂液的上返速度大于等于2倍砂粒的自由下沉速度就能將砂沖到地面。澀北氣田地層砂顆粒較小(地層砂粒徑中值0.04～0.07mm)，從文獻[1]查得石英砂在水中自由下沉速度為0.02～0.04m/s，如果按0.04m/s計算，可得保證砂粒上返地面的最低液流上返速度為vmin=0.08m/s[2～3]。由此可得沖砂時可需要的最低排量為：
    Qmin=360F·vmin
式中：Qmin為沖砂要求的最低排量，m3/h；F為截面積，m2。
    連續油管沖砂所需最低排量及所耗時間計算如下所示。
    F套管=0.785(d套管2～D連續油管2)=0.785×(0.15942-0.031752)=0.01915m2
    F油管=0.785(d油管2～D連續油管2)=0.785×(0.0622-0.031752)=0.0022m2
Qmin=360F·vmin=360×0.01915×0.08=0.55m3/h
    設砂粒在套管內的上升速度為%、油管內的上升速度為vs2，得
    vs1=vmin-vd=2vd-vd=0.04m/s
    vs2=Qmin/F油管=0.069m/s
    設套管段長度為50m，井深為1500m，砂粒從井底上升到地面的時間為：井深/砂粒上升速度=6.18h。
    常規沖砂所需最低排量及所耗時間為：52.08h(最小排量為0.45m3/h)。
    計算結果表明，常規沖砂和連續油管沖砂所需的排量都較小，施工的時間都很長，所以實際施工時采用不壓漏地層的較大排量進行沖砂。即
    p地＞p液+p固+p環空損失+p油
式中：p地為井底地層壓力，MPa；p液為液柱形成的壓力，MPa；p固為固體即砂粒形成的壓力，MPa；p環空損失為油管和連續油管之間的循環壓力降，MPa；p油為井口油壓，MPa。
2.3 施工分析(以澀4-5井為例)
2.3.1 澀4-5井基本參數
    產層井段1348.2～1385.3m，共8個小層，有效厚度12.1m，人工井底1513m，砂面位置1380m；砂柱長度133m(1513～1380m)；施工排量185L/min=11.1m3/h。
2.3.2 施工過程
施工過程詳見連續油管沖砂試驗施工記錄(表2)。
表2 連續油管沖砂試驗施工記錄表
時間
連續油管下深(m)
施工泵壓(MPa)
施工排量(L/min)
套壓(MPa)
油壓(MPa)
出口描述
備注
15:25
1335
40
185
10.2
10.2
 
泵液
15:50
1435
40
185
10.2
2.5
見液
沖砂
15:55
1505
40
185
10.2
0
見砂
防漏停泵
16:30
1200
40
185
10.2
0
見砂
繼續泵注
16:40
800
40
160
10.2
0
稠砂
 
16:50
200
35
160
10.2
0
稠砂
 
17:00
800
35
160
10.2
0
稠砂
 
17:10
800
 
 
10.2
0
泡沫砂
防漏停泵
17:20
900
35
160
10.2
0
泡沫砂
開泵
17:30
1100
35
160
10.2
0
泡沫砂
 
17:40
1330
35
160
10.2
0
泡沫砂
 
17:50
1380
35
160
10.2
0
泡沫砂
 
18:00
1515
36
160
10.2
0
泡沫砂
 
18:10
1390
40
185
10.2
0
泡沫砂
上下活動管柱
18:30
1390
35
165
10.2
0
泡沫砂
 
19:00
1390
35
165
10.2
0
液
 
19:45
1390
35
165
10.2
0
液
改泵鹽水
19:50
1390
35
165
10.2
0
液
上提油管
20:55
0
0
0
10.2
0
 
施工完畢
1) 連續油管情況。安裝、試壓、探砂面后，用185～160L/min排量向井內泵液，泵入壓力40～35MPa，井口用針形調控制，泵液5min，連續油管緩慢從1335m下至1380m，開始沖砂，每沖20m砂，上提連續油管至1100m，目的是將沖出韻砂趕至油管內200m以上，有利攜砂；如此反復，一直到人工井底1513m，沖完后，將連續油管緩慢起到井深200m，將大部分砂帶出地面后，又將連續油管下至井底反復沖，直到井口返出的全是清水后，再循環50min，上提連續油管，施工完畢。
   2) 井口情況。開始泵液時，針形閥打開，泵液25min，井口見液，油壓從10.2MPa降至2.5MPa時，將針形閥全部開啟，壓力馬上降到0MPa，5min后見砂，井口段流，間隔時間較長，分析認為井下已發生漏失，停泵觀察，待井口返出排量較大時，開泵繼續沖砂，后井口又出現較長時間不返，停泵10min后，又重新開始沖砂，以后沒有出現長時間斷流現象。
   3) 沖砂液。淡水+增黏劑+表面活性劑+防膨劑。
2.3.3 施工分析
   選取沖砂至1435m、液體返到井口時的資料進行分析。
2.3.3.1 漏失分析
   砂面位置1380m，油管下深1335m，排量為185L/min，連續油管深度1435m，25min井口見液，井口油壓2.5MPa。假設沖砂時砂和液體的體積互相抵消，即沖出1m3砂，需要1m3液填充，計算體積時用砂面位置以上計算，井口針形閥開得小，達不到排液臨界流量，井內產出的氣滑脫后從井口排出，沖砂時不出水和砂。砂面以上井筒容積為：
    V=(1380-1335)F套管+1335F油管-55×O.01915+1335×0.0022-3.99m3
   液體返到地面所需要的時間(t)為：
    t=V/Q=3.99/0.185=21min
    實際井口見液時間為25min，在這段時間泵入的液量為：0.185×25=4.62m3。說明井下發生了漏失，漏失量至少為：4.62-3.99=0.63m3。沖砂液中的天然氣不可能完全滑脫，所以井筒內還存有部分天然氣，故漏失量要大于0.63m3。
2.3.3.2 井底壓力分析
   1) 泵液前：井底靜壓
   井斜小于2°，測量井深(L)等于垂直井深(H)，關井靜氣柱，壓降梯度中摩阻項和動能項均為零。垂深按1435m計，井筒平均溫度為40℃，井口關井壓力為10.2MPa，井筒氣柱平均偏轉系數為0.95。用平均參數法求得井底靜壓(pws)。
   第一次試算，取
    pws0=pwh(1+0.00008h)=11.37MPa
    p平=(pws0+pwh)/2=10.785MPa
    T平=273+T=273+40=313K
求pws：
 
    試算結果表明誤差不大，所以pws為11.19MPa，除去井口壓力，氣柱壓力為0.99MPa。
    2) 泵液后：井底液柱壓力
    砂的密度按2.65g/cm3、液體密度按1.0g/cm3計，假設液固均勻分布，則井筒容積為：
   V=(1435-1335)F套管+1335F油管=4.85m3
    假設砂粒不漏入地層，砂的體積便為：
    V砂=(沖砂井深-砂面)F套管=1.05m3
   則液的體積為：
    V液=V-V砂=4.85-1.05=3.8m3
    井筒內平均密度為：
    γ=(V液γ液+V砂γ砂)/V=1.35g/cm3
環空循環壓耗取0.5MPa(根據連續油管在井口和下到井底循環時的壓力差得)，井口壓力為2.5MPa，則井底壓力為：
 
如果考慮井內天然氣影響，液柱壓力降低40%，則井底壓力仍為：
 
    井口觀察，氣體在井筒內所占的體積不到40%，所以井底壓力14.86MPa是比較保守的算法，實際要大。從計算結果可以看出，井筒內的氣液固對井底所形成的壓力大于地層壓力，從而導致井漏。
2.3.3.3 原因分析
    1) 井底靜壓力低，壓力系數只有0.8。
    2) 在施工過程中，怕井口被刺壞，故控制井口油壓的針形閥開得太小，井口出氣量低，達不到排液的臨界流量，砂和液不能及時排出，再加上井口憋壓，造成井底壓力過大而井漏。
從井內把液體帶至地面所需的最小氣流速度，應足以把井內可能存在的最大液滴帶到地面，該氣流速度稱為臨界流速，根據氣流攜帶液滴所需的臨界流速計算公式為：
 
式中：qg為氣流攜帶液滴所需的最小流量，104m3/d；dt為油管直徑，m；p為氣體流動壓力，MPa；T為氣體流動溫度，K；Z為天然氣偏差系數，無因次；γg為氣體相對密度，ρl為液體密度，kg/m3；σw為氣液表面張力，mN/m。
    根據氣流攜帶液滴所需的臨界流速公式計算，澀北氣田井口流動溫度為20℃時，不同內徑油管在不同井口壓力下氣井的平均排液臨界流量見表3。
表3 不同井口壓力下氣井的平均排液臨界流量
井口流壓(MPa)
2
3
5
8
10
12
排液臨界流量(104m3/d)
1.01
1.24
1.63
2.11
2.44
2.69
該井在施工時，井口流量沒有達到排液臨界流量，造成井底明顯積液。
    3) 在施工過程中，排量偏大。根據前面的理論分析，排量在0.55m3/h(9.17L/min)就能達到攜砂的要求，而在施工中卻用了185～160L/min，增大了攜液難度。
    4) 沖砂下放速度過快。由于現場拉液較遠，沖砂液不能回收，如果井場液量不夠，就會導致后面的沖砂不徹底。為了節省沖砂液，剛開始沖砂的速度較快，導致砂粒對井底形成的壓力加大，憋漏地層。
3 認識及建議
3.1 認識
    1) 為防止井口刺壞，探到砂面后，將連續油管上提至距砂面50m以上開泵，保證井底砂不被沖起來(防止沖砂初期排出的高流速液體中含砂而刺壞井口)。
    2) 泵排量控制在100L/min以下，井口控制好回壓，出氣量在排液臨界流量以上。
    3) 泵液0.5m3后，再下連續油管緩慢沖砂，控制好沖砂下放速度在1m/min以內，每沖10m上提一次連續油管至油管內200m以上，再下去沖下一段。
    4) 讓井口處在常噴狀態，如果停噴馬上停止沖砂，同時停泵觀察，待噴勢較大后再繼續往下沖。
    5) 對出水較多的停產井，用制氮車與泡排技術結合進行沖砂。
    6) 冬天施工時，為防止連續油管里的殘留液體結冰，要泵入鹽水將淡水替換出來。
3.2 建議
    連續油管沖砂，如果井不漏，非常簡單。但通過澀北氣田10口井的沖砂發現，基本上每口井都有井漏發生，沖砂后效果不是很理想，要提高澀北氣田沖砂效果，充分利用好油田購進的連續油管車和制氮車，提以下建議：
    1) 對沖砂液進行研究，達到保護氣層、低排量沖砂、攜砂目的，同時提高被天然氣攜帶的能力，為低產量條件下沖砂，打下基礎。
    2) 對施工參數進行優化，對排量、井口控制壓力、沖砂速度、每段沖砂長度、各段施工時間、用液量等參數進行優化研究。
    3) 對井口及地面放噴設備沖蝕情況進行實驗分析研究，得出不同含砂量、不同速度時沖蝕情況，找出合理的解決辦法。
    4) 適當改進研制井口簡易沖砂分離裝置及流程，將液體分離出來后重復利用，天然氣分離后能進站回收，達到安全節能環保的目的。
    5) 制訂安全操作規程，對上崗人員進行培訓，提高事故預防、處理及應急能力。
    6) 加強對更低壓力、產量條件下的沖砂研究。
參考文獻
[1] 郭鐵.石油開采十大技術標準規范[M].北京：石油工業出版社，2005.
[2] 李士倫.天然氣工程[M].北京：石油工業出版社，2000.
[3] 張琪.采油工程原理與設計[M].山東東營：石油大學出版社，2000.
 
(本文作者：胡昌德1 趙元才2 包慧濤1 王善聰3 1.中國石油青海油田公司采油氣工藝處；2.中國石油青海油田公司鉆井處；3.中國石油青海油田公司天然氣開發公司)