CN112065360A - 一种低渗透产水气藏气井间歇生产制度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天然气开采技术领域，特别属于一种低渗透产水气藏气井间歇生产制度优化方法。主要解决了低压气井开井时率低、携液困难和易冻堵的难题。所述的间歇制度优化方法包括：步骤1，实时采集井口生产数据；步骤2，计算开关井压力变化速率、临界携液流量和水合物相平衡压力；步骤3，根据压力恢复速率、油套压差和水合物温压条件，确定开井时机，电动针阀以n％的初始开度实现自动开井，其中10≦n≦50；步骤4，当套压下降速率保持稳定、且满足携液要求，电动针阀以m％增量调大开度，其中1≦m≦10；步骤5，根据油套压下降速率、油压与外输压力差和临界携液流量，确定关井时机；本发明模拟人工开井，实现携液生产，以及避免水合物冻堵。

Description

一种低渗透产水气藏气井间歇生产制度优化方法

技术领域：

本发明涉及天然气开采技术领域，特别属于一种低渗透产水气藏气井间歇生产制度优化方法。

背景技术：

对于低渗透产水气藏，气井普遍面临低压停产和积液水淹的问题。大部分气井在生产一段时间后，都会由于地层能量接替不足，导致井口油压低于井口外输压力，使得气井无法连续生产。对于该类气井，生产现场一般采用两种工艺进行处理，一是井口增压开采，该工艺投资成本高；二是采用间歇生产的方式，该方法简单易行，目前主要采用人工开关井的方式。但在实际应用过程中还存在很多问题亟需解决，一是如何确定合理的开关井时机；二是如何充分利用井筒能量进行携液；三是如何安全平稳开井及避免开井过程中发生水合物冻堵等问题。

申请号为CN109681196A中国发明专利公布了一种低压页岩气井间歇生产管理方法及系统，该公开文本所公布的间歇生产管理方法是通过将所采集到的气井生产状态参数与预设的气井特征参数进行对比，给出气井开井或关井的提示信息，但没有考虑开井后利用气井能量进行携液和开井后水合物冻堵的情况。《石油天然气学报》2010年12月第6期文章《低渗产水气井间歇开采制度研究》根据低渗气井的压力变化规律，建立地层产能和压力下降和恢复模型，确定合理的开关井制度，该方法中所述的开井压力变化规律呈曲线递减式，但由于井底积液被带至井口，间歇生产的低渗产水气井开井后压力应呈先降后升再降的过程。

本发明针对上述问题，提供了一种低渗透产水气藏气井间歇生产制度优化方法，根据低渗产水气井间歇生产压力变化规律、临界携液流量，以及水合物相平衡条件，优化间歇生产井的开关井时机，避免了气井开井后发生水合物冻堵和严重的井底积液。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种低渗透产水气藏气井间歇生产制度优化方法，以提高间歇气井有效开井时率的同时，充分发挥低压气井能量携带积液，同时避免开井过程中形成水合物堵塞井筒或管线。

该方法是通过以下装置来实现的：该装置由油压传感器、油管温度传感器、电动针阀、井口外输压力传感器、气液两相流量计、套压传感器、立柱、电缆、可编程控制器、蓄电池、太阳能电池板组成；油压传感器、油管温度传感器、电动针阀、井口外输压力传感器、气液两相流量计和套压传感器通过电缆与可编程控制器连接；太阳能电池板通过电缆与蓄电池连接；蓄电池通过电缆与可编程控制器连接；其特征在于：利用以上装置的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法是通过以下步骤来实现的：

步骤1，实时采集井口生产数据；

步骤2，计算开关井压力变化速率、临界携液流量和水合物相平衡压力的变化范围；

步骤3，根据压力恢复速率、油套压差和水合物温压条件，确定开井时机，电动针阀以n％的初始开度实现自动开井，其中10≦n≦50；

步骤4，当套压下降速率保持稳定、且满足携液要求，电动针阀以m％增量调大开度，其中1≦m≦10；

步骤5，根据油套压下降速率、油压与外输压力差和临界携液流量，确定关井时机。

所述步骤1，可编程控制器以间隔时间Δt接收一次油压传感器、油管温度传感器、井口外输压力传感器、气液两相流量计和套压传感器所采集的实时生产数据，其中0.05h≦Δt≦0.1h。

所述步骤2，可编程控制器实时计算开井后油压和套压的下降速率dp/dt、瞬时临界携液流量q_cr(t)，以及关井后油压和套压恢复速率Δp/Δt和水合物相平衡压力。

所述步骤3，当气井关井后，可编程控制器根据油压p_t(t)、套压p_c(t)和及井口油管温度T(t)的变化规律，自动判断气井间歇生产的开井时机。当满足条件(i)或条件(ii)时，可编程控制器向电动针阀发出初始开度为n％的命令，实现气井自动开井：

(i)关井t时刻的油压p_t或套压p_c的恢复速率Δp/Δt与(0～t-Δt)时间范围内的平均压力恢复速率

的差值与平均压力恢复速率

的比值大于等于γ，其中0.5≦γ≦1.0，且油压p_t与套压p_c的差值与套压p_c的比值在Δt时间范围内小于δ，其中0≦δ≦0.3，气井自动开井，计算方法见式(1)～式(4)：

式中：Δp/Δt为压力恢复速率，MPa/h；p(t)为t时刻压力，MPa；p(t-Δt)为t-Δt时刻压力，MPa；Δt为时间间隔，h；

为(0～t-Δt)时间范围内平均压力恢复速率MPa/h；i为(0～t-Δt)时间范围内Δt时间间隔数；p_c(t)为t时刻套压，MPa；p_t(t)为t时刻油压，MPa；

(ii)在井口温度的条件下，关井t时刻的油压p_t(t)与水合物生成的相平衡压力p_h(t)的差值与水合物生成的相平衡压力p_h(t)的比值介于安全值[θ₁,θ₂]之间，其中0.1≦θ₁≦0.2，0.4≦θ₂≦0.5，气井自动开井，计算方法见式(5)；

式中：p_h(t)为t时刻水合物生成的相平衡压力，MPa；θ₁安全值下限，无因次；θ₁安全值上限，无因次。

所述步骤4，当电动针阀以开度n％实现开井后，当套压的下降速率dp_c(t)/dt保持相对稳定，且产气量q_g(t)大于临界携液流量q_cr(t)时，可编程控制器发出指令，电动针阀继续以m％增量调大开度，直至电动针阀开度为100％；否则保持开度不变。

所述步骤5，当气井开井后，可编程控制器根据油压p_t(t)、套压p_c(t)和产量q_g(t)的变化规律，自动判断气井间歇生产的关井时机。当满足条件(i)或条件(ii)时，可编程控制器向电动针阀发出开度为0的命令，实现气井自动关井：

(i)开井t时刻油压p_t(t)与井口外输压力p_o(t)的差值与外输压力p_o(t)的比值小于数值α时，其中0≦α≦0.3，且油压下降速率dp_t/dt与套压下降速率dp_c(t)/dt的差值与套压下降速率dp_c(t)/dt的比值小于数值β时，其中0≦β≦0.25，气井自动关井，计算方法见式(6)～式(8)；

式中：p_t为油压，MPa；p_o(t)为t时刻井口外输压力，MPa；dp/dt为压力下降速率MP/h；p(t-Δt)为t-Δt时刻压力，MPa；p(t)为t时刻压力，MPa；Δt为时间间隔，h；

(ii)开井t时刻井口瞬时日产气量q_g(t)小于井口瞬时临界携液流量q_cr(t)，气井自动关井，计算方法见式(9)；

q_g(t)＜q_cr(t) (9)

式中：q_g(t)为t时刻井口瞬时日产气量，10⁴m³/d；q_cr(t)为t时刻井口瞬时临界携液流量，10⁴m³/d。

进一步的，所述的步骤2中临界携液流量q_cr(t)是指气井井口的临界携液流量，其计算方法按照西南石油大学李闽教授提出的椭球型模型计算，计算方法如下：

式中：u_cr为临界流速，m/s；σ为气水界面张力，N/m；ρ_l为液体密度，kg/m³；ρ_g为气体密度，kg/m³；A为油管面积，m²；Z为天然气偏差系数，无量纲；T(t)为井口温度，K。

进一步的，所述的步骤4中水合物生成的相平衡温度和压力条件是通过高压物理实验或根据实际气体的组分，采用相态分析软件模拟得到不同温度和压力条件下的水合物的相平衡条件，并以温度T为x轴、压力p为y轴，将离散的水合物相平衡温度压力数据，拟合出水合物相平衡压力关于温度的多项式：p＝f(T)。

进一步的，所述的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法，所适用气井应同时满足以下五个条件：

(ⅰ)气藏渗透率小于1mD，井控储量采出程度R_g大于50％，地层能量衰竭、远端能量接替不足；

(ⅱ)气井开井生产一段时间后，井口油压p_t小于井口外输压力p_o，气井无法连续生产；

(ⅲ)气井关井初期，油压恢复速率Δp_t/Δt大于0.01MPa/h，表明气井未被水淹或堵塞停产；

(ⅳ)气井气水同产，生产水气比小于2m³/10⁴m³，表明气井产水量较低，关井后气井不会引起严重积液；

(ⅴ)无井下封隔器等工具封隔油套环空。

附图说明：

图1是本发明自动间歇控制装置系统示意图；

图2是本发明低渗透产水气藏气井间歇生产制度优化方法流程示意图；

图3是本发明低压产水气井间歇生产油压和套压变化示意图。

图4是本发明开井过程中电动针阀开度变化示意图。

附图标记说明：1-油压传感器；2-油管温度传感器；3-电动针阀；4-井口外输压力传感器；5-气液两相流量计；6-套压传感器；7-立柱；8-电缆；9-可编程控制器；10-蓄电池；11-太阳能电池板。

具体实施方式：下面结合实施例对本发明作进一步说明：

实例1：

X井是一口低渗透气井，平均渗透率0.7mD，目前采出程度68.5％，井口外输压力介于1.5～2.0MPa，井口油压变化范围1.5～9.6MPa，生产水气比1.3m³/10⁴m³，无井下封隔器、油套连通。

请参照图2，本实施例中，气井自动间歇生产控制系统，包括：油压传感器1、油管温度传感器2、电动针阀3、井口外输压力传感器4、气液两相流量计5、套压传感器6、立柱7、电缆8、可编程控制器9、蓄电池10、太阳能电池板11。

油压传感器1通过螺纹与采气树的油压表接口连接；油管温度传感器2的温度传感元件插入油管的测温孔内；电动针阀3通过法兰与油管阀门和套管阀门连接；井口外输压力传感器4通过螺纹安装在外输管线的测压口处；气液两相流量计5通过法兰与外输管线连接；套压传感器6通过螺纹与采气树的套压表接口连接；立柱7通过水泥墩固定在采气树附近的井场；可编程控制器9通过螺栓固定在立柱7上；蓄电池10通过螺栓固定在立柱7上；太阳能电池板11通过螺栓固定在立柱7顶部；油压传感器1、油管温度传感器2、电动针阀3、井口外输压力传感器4、气液两相流量计5和套压传感器6通过电缆8与可编程控制器9连接；太阳能电池板11通过电缆8与蓄电池10连接；蓄电池10通过电缆8与可编程控制器9连接。利用该装置的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法是通过以下步骤来实现的：

步骤1，可编程控制器9以间隔时间Δt＝0.05h接收一次油压传感器、油管温度传感器、井口外输压力传感器、气液两相流量计和套压传感器所采集的实时生产数据；

步骤2，可编程控制器9实时计算开井后油压和套压的下降速率的变化范围分别为0～4.5MPa/h和0～2.0MPa/h、临界携液流量q_cr的变化为1.04～6.65×10⁴m³/d；关井后油压和套压恢复速率的变化范围分别为0.09～1.9MPa/h和0.1～0.5MPa/h；

步骤3，请参照图3，本实施例中，当气井关井t＝10h后，套压恢复速率与套压平均恢复速率的相对误差大于0.5，且油压与套压的相对误差小于0.3，井口温度T＝20.5℃，油压p_t＝9.6MPa，水合物相平衡压力为11.2MPa，无水合物生成风险，可编程控制器9向电动针阀3发出初始开度为25％的命令，实现气井自动开井：

步骤4，请参照图4，本实施例中，当电动针阀3以开度25％实现开井后，瞬时产气量q_g为20.4×10⁴m³/d远远大于临界携液流量q_cr＝6.65×10⁴m³/d，且套压的平均下降速率为1.34MPa/h，保持相对稳定，电动针阀3以3％增量每9分钟调大一次开度，当开井时间t＝1.25h后，电动针阀3开度为100％；

步骤5，请参照图3，本实施例中，当气井开井t＝1.25h时后，油压p_t与井口外输压力p_o的差值为0，但油压下降速率dp_t/dt与套压下降速率dp_c/dt的差值与套压下降速率dp_c/dt的比值大于0.25，因此气井继续保持开井状态；

开井t＝3.3h后，压p_t与井口外输压力p_o的差值与外输压力p_o的比值小于0.3，且油压下降速率dp_t/dt与套压下降速率dp_c/dt的差值与套压下降速率dp_c/dt的比值小于0.25，气井自动关井；

如此重复步骤1～5实现气井自动开关井。

Claims (9)

1.一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法，该方法是通过以下装置来实现的：该装置由油压传感器(1)、油管温度传感器(2)、电动针阀(3)、井口外输压力传感器(4)、气液两相流量计(5)、套压传感器(6)、立柱(7)、电缆(8)、可编程控制器(9)、蓄电池(10)、太阳能电池板(11)组成；其中油压传感器(1)、油管温度传感器(2)、电动针阀(3)、井口外输压力传感器(4)、气液两相流量计(5)和套压传感器(6)通过电缆(8)与可编程控制器(9)连接；太阳能电池板(11)通过电缆(8)与蓄电池(10)连接；蓄电池(10)通过电缆(8)与可编程控制器(9)连接；其特征在于：利用以上装置的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法是通过以下步骤来实现的：

步骤1，实时采集井口生产数据；

步骤2，计算开关井压力变化速率、临界携液流量和水合物相平衡压力的变化范围；

步骤3，根据压力恢复速率、油套压差和水合物温压条件，确定开井时机，电动针阀以n％的初始开度实现自动开井，其中10≦n≦50；

步骤4，当套压下降速率保持稳定、且满足携液要求，电动针阀以m％增量调大开度，其中1≦m≦10；

步骤5，根据油套压下降速率、油压与外输压力差和临界携液流量，确定关井时机。

2.根据权利要求1所述的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法，其特征在于：所述步骤1，可编程控制器(9)以间隔时间Δt接收一次油压传感器(1)、油管温度传感器(2)、井口外输压力传感器(4)、气液两相流量计(5)和套压传感器(6)所采集的实时生产数据，其中0.05h≦Δt≦0.1h。

3.根据权利要求1所述的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法，其特征在于：所述步骤2，可编程控制器(9)实时计算开井后油压和套压的下降速率dp/dt、瞬时临界携液流量q_cr(t)，以及关井后油压和套压恢复速率Δp/Δt和水合物相平衡压力。

4.根据权利要求1所述的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法，其特征在于：所述步骤3，当气井关井后，可编程控制器(9)根据油压p_t(t)、套压p_c(t)和及井口油管温度T(t)的变化规律，自动判断气井间歇生产的开井时机。当满足条件(i)或条件(ii)时，可编程控制器(9)向电动针阀(3)发出初始开度为n％的命令，实现气井自动开井：

(i)关井t时刻的油压p_t或套压p_c的恢复速率Δp/Δt与(0～t-Δt)时间范围内的平均压力恢复速率

的差值与平均压力恢复速率

的比值大于等于γ，其中0.5≦γ≦1.0，且油压p_t与套压p_c的差值与套压p_c的比值在Δt时间范围内小于δ，其中0≦δ≦0.3，气井自动开井，计算方法见式(1)～式(4)：

式中：Δp/Δt为压力恢复速率，MPa/h；p(t)为t时刻压力，MPa；p(t-Δt)为t-Δt时刻压力，MPa；Δt为时间间隔，h；

为(0～t-Δt)时间范围内平均压力恢复速率MPa/h；i为(0～t-Δt)时间范围内Δt时间间隔数；p_c(t)为t时刻套压，MPa；p_t(t)为t时刻油压，MPa；

(ii)在井口温度的条件下，关井t时刻的油压p_t(t)与水合物生成的相平衡压力p_h(t)的差值与水合物生成的相平衡压力p_h(t)的比值介于安全值[θ₁,θ₂]之间，其中0.1≦θ₁≦0.2，0.4≦θ₂≦0.5，气井自动开井，计算方法见式(5)；

式中：p_h(t)为t时刻水合物生成的相平衡压力，MPa；θ₁安全值下限，无因次；θ₁安全值上限，无因次。

5.根据权利要求1所述的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法，其特征在于：所述步骤4，当电动针阀(3)以开度n％实现开井后，当套压的下降速率dp_c(t)/dt保持相对稳定，且产气量q_g(t)大于临界携液流量q_cr(t)时，可编程控制器(9)发出指令，电动针阀(3)继续以m％增量调大开度，直至电动针阀(3)开度为100％；否则保持开度不变。

6.根据权利要求1所述的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法，其特征在于：所述步骤5，当气井开井后，可编程控制器(9)根据油压p_t(t)、套压p_c(t)和产量q_g(t)的变化规律，自动判断气井间歇生产的关井时机。当满足条件(i)或条件(ii)时，可编程控制器(9)向电动针阀(3)发出开度为0的命令，实现气井自动关井：

(i)开井t时刻油压p_t(t)与井口外输压力p_o(t)的差值与外输压力p_o(t)的比值小于数值α时，其中0≦α≦0.3，且油压下降速率dp_t/dt与套压下降速率dp_c(t)/dt的差值与套压下降速率dp_c(t)/dt的比值小于数值β时，其中0≦β≦0.25，气井自动关井，计算方法见式(6)～式(8)；

式中：p_t为油压，MPa；p_o(t)为t时刻井口外输压力，MPa；dp/dt为压力下降速率MP/h；p(t-Δt)为t-Δt时刻压力，MPa；p(t)为t时刻压力，MPa；Δt为时间间隔，h；

(ii)开井t时刻井口瞬时日产气量q_g(t)小于井口瞬时临界携液流量q_cr(t)，气井自动关井，计算方法见式(9)；

q_g(t)＜q_cr(t) (9)

式中：q_g(t)为t时刻井口瞬时日产气量，10⁴m³/d；q_cr(t)为t时刻井口瞬时临界携液流量，10⁴m³/d。

7.根据权利要求1所述的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法，其特征在于：所述的步骤2中临界携液流量q_cr(t)是指气井井口的临界携液流量，其计算方法按照西南石油大学李闽教授提出的椭球型模型计算，计算方法如下：

式中：u_cr为临界流速，m/s；σ为气水界面张力，N/m；ρ_l为液体密度，kg/m³；ρ_g为气体密度，kg/m³；A为油管面积，m²；Z为天然气偏差系数，无量纲；T(t)为井口温度，K。

8.根据权利要求1所述的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法，其特征在于：所述的步骤4中水合物生成的相平衡温度和压力条件是通过高压物理实验或根据实际气体的组分，采用相态分析软件模拟得到不同温度和压力条件下的水合物的相平衡条件，并以温度T为x轴、压力p为y轴，将离散的水合物相平衡温度压力数据，拟合出水合物相平衡压力关于温度的多项式：p＝f(T)。

9.根据权利要求1所述的一种低渗透产水气藏气井自动间歇生产制度优化方法，其特征在于：所适用气井应同时满足以下五个条件：

(ⅰ)气藏渗透率小于1mD，井控储量采出程度R_g大于50％，地层能量衰竭、远端能量接替不足；

(ⅱ)气井开井生产一段时间后，井口油压p_t小于井口外输压力p_o，气井无法连续生产；

(ⅲ)气井关井初期，油压恢复速率Δp_t/Δt大于0.01MPa/h，表明气井未被水淹或堵塞停产；

(ⅳ)气井气水同产，生产水气比小于2m³/10⁴m³，表明气井产水量较低，关井后气井不会引起严重积液；

(ⅴ)无井下封隔器等工具封隔油套环空。

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