克拉美丽气田水淹气井气举硬举动态模拟

钟海全，张锋，冯钿芳，王晓磊，汪政明，洪将领，陈伟

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室 西南石油大学，成都 610500；2.中国石油 新疆油田分公司 采气一厂，新疆 克拉玛依 834000）

克拉美丽气田属于高孔、特低渗火山岩气藏，储集层非均质性极强，裂缝分布不均，气水关系复杂[1-2]。近年来，已投产的气井产量下降明显，导致井筒积液，随着井筒积液量的不断增加，部分气井水淹停产。水淹井复产通常可以采取气举方式，通过安装气举阀气举排液具有广泛的适应性，但需要动原生产管柱，甚至可能需要压井作业[3-4]，出现实施工期较长或对储集层产生伤害等问题；而采取气举硬举方式可以不动原生产管柱，也不必压井，直接通过油、套管环空注气、油管生产（反举），或油管注气、环空生产（正举）方式排液，可以大幅度缩短工期并避免压井带来的风险。但硬举方式由于不安装气举阀，通常需要较高的启动压力，同时可能影响油、套管柱的安全，尤其是在深井及地层压力较高、地层吸液能力较弱的井。为此本文基于动量守恒和质量守恒建立气举硬举卸载过程数学模型，并利用有限差分方法对模型进行求解，以克拉美丽气田水淹井DX180X井为例，模拟气举硬举卸载过程，分析影响卸载的各因素，为气举硬举的可行性研究、工艺设计及压缩机选择等提供参考。

1 气举硬举卸载过程模型建立

气举硬举卸载过程包括注入气在油、套管环空的流动及环空液体的流动，井筒液体回流地层及地层流体流向井筒，在油管内混合的气、液两相管流等（以反举为例，见图1和图2）。为便于模拟，作如下假设：①流体在油管和套管内的流动是一维流动，气、液在环空无混合[5-10]；②沿井身的温度分布简化为线性分布；③井口油压为常数，地面井口注气阀上游压力为常数；④液体不可压缩。

图1 环空液面下降及油管内液面上升

图2 气体进入油管内形成气、液两相管流

1.1 油、套管环空内的质量守恒

不考虑环空气柱重力[5-6]，根据质量守恒，地面井口套压变化可由下式预测：

（1）式通过对时间差分，结合井口注气动态，即可得到井口套压随时间的变化。

1.2 流体向井筒流动及回流动态

对应产气量按地层气液比计算，在卸载过程中可不考虑地层气产出。

在卸载过程中，当井底压力大于地层压力时，就会出现井筒液体回流至地层。对于回流作用，由于地层的多孔介质的不可逆性，在相同情况下，回流量要比渗流量小。研究假设回流与渗流作用机理相同，定义回流系数η（回流系数为相同压差下，回流量占流入量的比例）。回流量的计算公式为

1.3 油管内气、液两相的质量守恒与动量守恒

（1）质量守恒

将油管等分为N段，每段长度为h，沿油管轴线方向应用质量守恒[6]。

液相质量守恒：

气相质量守恒：

（2）气、液两相动量守恒

按气、液混合物动量守恒可得：

1.4 模型初始、边界条件及相关参数确定

水淹气井在初始条件下处于关井状态，油管和环空均充有一定高度液体，且井底静压近似等于地层压力，则地层压力可按井口油压从油管计算：

地层压力也可按井口套压从油管与套管环空计算：

由已知初始的井口油压及套压，根据（7）式和（8）式，通过迭代即可以确定初始油管液面高度（Ht）及环空内液面高度（Hc）。

在气体未进入油管前，环空流动为活塞式流动，油管内液面以下为单相液体流动，液面以上为单相气体流动；在气体经油管鞋进入油管后，在油管内形成气、液两相管流，此时油管内及油管鞋到产层中部按Hagedorn-Brown方法[11]分段计算油管内压力梯度及相关参数。

2 模型求解

将气举硬举卸载过程分为2个阶段：第一阶段，只有液体从油管与套管环空通过油管鞋进入油管和地层，油管内上段为气体，下段为液体，将油管与套管环空内气相、液相质量守恒写成时间差分方程，同时联立回流方程迭代即可求解；第二阶段，气体经油管鞋进入油管，与一部分液体形成气、液两相流，混合液密度逐渐降低，当井底流压减小到低于地层压力时，地层开始有流体进入井筒，因此将油管进行分段计算，考虑时间和空间的差分。

2.1 质量守恒差分形式

空间微分写成向后欧拉差分，时间微分写成空间中心和时间向后差分形式，将（4）式和（5）式写成差分形式：

2.2 动量守恒的差分形式

动量守恒方程（6）式较气、液质量守恒方程要复杂得多，将混合物动量守恒方程分成5部分，即速度项、加速度项、重力项、摩阻项和总压力梯度项，各项的差分格式分别如下。

速度项为

加速度项为

重力项为

摩阻项为

总压力梯度向后差分为

因此，第n时间段，第j节点压力表示为

由（9）式—（16）式，利用牛顿-拉菲森方法可得差分方程组的解。

3 实例分析讨论

DX180X井因水淹关井，气举前油管和套管内静液面在约1 884.00 m（油压和套压均约14.00 MPa）处。该井油层套管尺寸139.7 mm（内径为121.0 mm），油管73.0 mm（内径62.0 mm），下至3 548.87 m，油层中深3 570.00 m（井底3 740.00 m），地层静压32.00 MPa，采液指数约1 m3/（d·MPa）.水淹前生产气液比约2 600 m3/m3，产气量约2.5×104m3/d，井口油压为9.00 MPa.

3.1 注氮气气举卸载

当启动压力25.00 MPa（地面能提供的最大注入压力），最大注气量4×104m3/d，井口卸载油压与生产油压均为9.00 MPa条件下，采用反举卸载（环空注气），回流系数取0.6.其启动过程井口套压及井底压力（井底流压）变化如图3所示。井口套压先增加后减小，然后略有增加后达到稳定，先增加是因为环空液面未到达油管鞋，注入环空气量增加，井口套压增加，当到达油管鞋后，套压到达最大（约24.80 MPa），过后气体进入油管，压力下降到最低点，后略有增加是由于地层出液，油管内液面上升或气、液混合物平均密度增加的结果。刚开井时井底压力减小，是由于开井生产后井口油压突然下降（从14.00 MPa下降到9.00 MPa）；Δt1时间段（约4.0 h）井底压力高于地层压力，井筒液体流向地层。卸载完成后注气量为2.5×104m3/d（模拟过程中未考虑地层出气），注气压力为12.68 MPa，卸载时间约20.0 h.

若降低启动压力到22.00 MPa，其余参数不变，其启动过程井口套压及井底压力变化如图4所示。井口套压先增加，之后Δt2时间段（约2.0 h）保持在22.00 MPa，井口注不进气，井筒处于憋压状态，将环空及油管内液体压入地层，表明启动压力几乎不能再低，除非增加憋压时间。Δt3时间段（约5.0 h），井底压力高于地层压力，井筒液体流向地层。从图3与图4可得出，启动压力是影响气举硬举卸载的关键，启动压力太低，将无法卸载，同时启动压力对于井筒液体回流地层时间有较明显影响，为减少井筒液体回流地层可能对地层构成伤害，在安全的情况下，应提供较高的启动压力。

图3 启动压力25.00 MPa时DX180X井气举卸载过程

图4 启动压力22.00 MPa时DX180X井气举卸载过程

3.2 注天然气气举卸载

注天然气气举卸载，其余参数同注氮气气举卸载。首先采用反举卸载（环空注气），其启动过程井口套压及井底压力变化如图5所示。井口套压先增加，之后Δt4时间段（约3.0 h）保持在25.00 MPa（井口注不进气，井筒处于憋压状态，将环空及油管内液体压入地层，表明启动压力几乎不能再低）。Δt5时间段（约5.4 h）井底压力高于地层压力，井筒液体流向地层。卸载完成后，注气量为3.0×104m3/d，高于水淹前产气量，因此该井卸载后很难恢复自喷生产，为能恢复自喷生产，可降低井口油压，注气压力为14.00 MPa，卸载时间约21.0 h.

若考虑采用油管注气，套管举升方式卸载，卸载完后可迅速交换为环空注气、油管举升方式。其卸载过程油管井口注入压力和井底压力变化如图6所示。开井生产后井底压力快速下降，这是由于油管中的液体快速进入环空，使得井底压力下降，很快液面到达油管鞋。Δt6时间段（约1.4 h）井底压力略高于地层压力，仅少量井筒液体回流地层，对地层伤害小。油管压力最高约为25.00 MPa，没有憋压闷井现象，即如果考虑闷井，可降低启动压力。

图5 DX180X井气举卸载过程

图6 DX180X井油管注气、环空举升卸载过程

3.3 注氮气与注天然气气举卸载比较

图3 和图5是按相同注气工作参数，均采用反举方式卸载情况下，注氮气与注天然气气举卸载的井口套压和井底压力变化。从图3与图5及卸载后工作参数比较，并结合图4可以得出：相同注气参数，注氮气可以降低启动压力，减少卸载过程用气量，并减少井筒液体回流地层时间；在地面注气压力较低的情况下，注天然气可能需要较长时间的闷井才能卸载，甚至不能直接卸载。

4 结论

（1）对于水淹井采取气举硬举方式可以不动原生产管柱，也不必压井，直接通过油、套管环空注气、油管生产（反举），或油管注气、环空生产（正举）方式排液，可以大幅度缩短工期，并避免压井等带来的风险。

（2）通过动量守恒和质量守恒建立了气举硬举卸载过程数学模型，并利用有限差分方法对模型进行了求解。

（3）以DX180X井为例，模拟分析了注氮气气举卸载、注天然气气举卸载以及正、反举卸载过程，结果表明：注氮气气举卸载所需注气压力较相同方式注天然气气举卸载压力更低；采用油管注气、套管环空卸载方式可以降低启动压力；为减少井筒液体回流地层可能对地层产生的伤害，地面提供的最大注气压力应尽可能高一些，或采取正举方式（油管注气、环空排液）卸载。

符号注释

g——重力加速度，9.81 m/s2；

h——空间步长，m；

Hc——环空内液面高度，m；

Hg，Hl——分别为气、液两相管流持气率和持液率，Hl+Hg=1；

Ht——油管液面高度，m；

j——某空间单元，无因次；

Jl——采液指数，m3/（d·Pa）；

L——井深，m；

Lm——产层中深，m；

mg，ml——分别为单位时间流入单位体积的气体和液体质量，kg/（m3·s）；

mg，j，ml，j——分别为单位时间流入 j单元单位体积内气体与液体质量，kg/（m3·s），气举硬举仅油管鞋段不为0；

n——某时间单元，无因次；

pc——井口套压，Pa；-

pt——初始井口油压，Pa；

pwf——井底流压，Pa；

ql——产液量，m3/d；

qlb——井筒液体回流地层流量，m3/d；

Qgi——通过油管鞋进入油管的气体流量，m3/s，在环空液面未到达油管鞋时，其值为0；

Qgs——通过地面注气阀的注气流量，m3/s；

Qli——流出环空的液体流量，m3/s，包含一部分进入油管，一部分回流入地层，在环空液面到达油管鞋后，其值为0；

vsg，vsl——分别为气、液相表观流速，m/s；

Vg——环空内气体体积，m3；

θ——井斜角，（°）；

ρg，ρl，ρm——分别为气、液及气、液混合物密度，kg/m3；

ρgsc——气体标况下的密度，kg/m3；

τ——时间步长，s；

γg——气体相对密度，无因次；

η——回流系数，无因次；

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