合川气田井下节流气井动态分析新方法_徐建军.pdf

第30卷第1期合川气田井下节流气井动态分析新方法徐建军1，李云杰1，杨香艳2，杜怡鹤3（1.中国石油大庆油田有限责任公司重庆分公司，重庆402660；2.重庆工商大学外国语学院，重庆400067；3.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都610500）摘要合川气田属于我国典型的低渗透、低产气田，为提高开发效益，合川气田气井绝大多数已应用了井下节流工艺。但是，井下节流阻断了井口油压与井底流压的自然联系，给合川气田气井生产动态分析带来了极大挑战。为实现对井下节流气井井口动态监测资料的有效分析，文中以单井开采系统为研究对象，根据气藏、气水两相井筒管流和油嘴节流理论模型及动态分析特征化方法，建立了新型井下节流气井系统综合生产动态分析方法。该方法将传统动态特征化分析法扩展到井下节流气井，并通过对合川气田实际井下节流气井生产数据的拟合分析，验证了新方法的可靠性和实用性。关键词低渗透；气水两相；井下节流；井筒管流；动态分析中图分类号：TE33+2文献标志码：A收稿日期：20220506；改回日期：20221111。第一作者：徐建军，男，1975年生，工程硕士，从事天然气开发管理工作。E-mail：。引用格式：徐建军，李云杰，杨香艳，等.合川气田井下节流气井动态分析新方法J.断块油气田，2023，30（1）：143148.XU Jianjun，LI Yunjie，YANG Xiangyan，et al.A new method for performance analysis of downhole throttling gas wells in Hechuan gas fieldJ.Fault-Block Oil&Gas Field，2023，30（1）：143148.A new method for performance analysis of downhole throttling gas wells in Hechuan gas fieldXU Jianjun1,LI Yunjie1,YANG Xiangyan2,DU Yihe3(1.Chongqing Branch of Daqing Oilfield Co.,Ltd.,PetroChina,Chongqing 402660,China;2.School of Foreign Languages,Chongqing Industrial and Commercial University,Chongqing 400067,China;3.Petroleum Engineering School,Southwest PetroleumUniversity,Chengdu 610500,China)Abstract:HechuanisatypicallowpermeabilityandlowproductiongasfieldinChina.Inordertoimprovethedevelopmentefficiencyofthe gas field,most gas wells in Hechuan block have applied downhole throttling technology.However,the natural connection betweenwellhead oil pressure and bottom hole flow pressure is blocked by downhole throttling,which brings great challenges to the productionperformance analysis of gas wells in Hechuan block.In order to realize the analysis of wellhead dynamic monitoring data of downholethrottling gas wells,taking the single well production system as the research object,and combining the theoretical model and dynamicanalysis characterization method of gas reservoir,gas-water two-phase wellbore pipe flow and choke throttling,a new comprehensiveproduction dynamic analysis method of downhole throttling gas well system is established.This method extends the traditional dynamiccharacteristic analysis method into downhole throttling wells,and verifies the reliability and practicability of new method by fitting andanalyzingtheproductiondataofactualdownholethrottlinggaswellsinHechuanblock.Key words:low permeability;gas-water two-phase;downhole throttling;wellbore pipe flow;performance analysis0引言合川气田属于我国典型的低渗透、低产气田，为降低开发成本，提高开发效益，合川气田气井绝大多数应用了井下节流工艺15。通过井下节流，可以减少节流器上方系统的压力，并降低水合物形成温度，避免井口、井筒和地面管道中发生水合物堵塞，从而改善节流后段流速和携液量。但是，井下节流阻断了井口油压与井底流压的自然联系，这给合川气田气井生产动态分析带来了极大挑战67。井下节流工艺在低渗透气田中已应用近20 a，并取得了良好的应用效果。针对气井井下节流动态分析，目前已经开展了大量的研究。王宇等8应用节点系统分析方法，以井下节流器为节点，建立了气井井下节流过程井筒压力、温度动态预测模型，该模型充分考虑了流入动态和井筒的径向换热机制，可对井下节流压力、温度等重要参数进行预测。孙蓉等9针对须家河气藏井下节流生产井的特点，开发出适合非酸性气井使用断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt2023010202023年1月断块油气田2023年1月的直井型电子脱挂装置，有效地解决了井下节流气井动态监控的技术难题。刘顺等10推导了考虑节流效应影响的压力公式，根据节流器上流油压和套管压力的变化规律，先计算出积液深度，然后从套管环空出发，采用井深迭代法，得到了计算井底压力的新方法。齐彩婷11通过节点系统分析方法，利用PIPESIM软件分析节流前后的井筒压力、温度分布，同时对节流下入深度、节流嘴尺寸、气液比相关节流参数进行敏感性分析，进而分析不同情况排液的效果。虽然近年来国内外许多学者在油嘴节流模型、井下节流温度、压力场预测模型等方面开展了大量理论研究，但鲜有考虑气藏井筒油嘴节流耦合的产量动态分析方法，目前采用传统动态分析方法对井下节流气井进行分析存在很大缺陷。为此，本文以单井开采系统为研究对象，结合气藏、井筒和油嘴节流理论模型，建立了井下节流气井系统综合生产动态分析新方法，并通过对实际生产数据拟合，分析验证了该新方法的可靠性和实用性。1气藏井筒油嘴耦合动态分析模型1.1井下节流工艺原理气井的井下节流技术，是将井下节流装置坐放在井筒内的适当位置来达到冷却、降低压力的目的，从而使得节流部位的地层温度高于水合物生成的临界温度，防止井筒中水合物的生成，进而减少地面节流及保温措施的一种采气技术。井下节流嘴相当于截面突缩装置，天然气流经节流嘴时流速会迅速增加，压力明显下降（见图1。图中：d为油嘴直径，T1，T2（T1T2）分别为流体通过油嘴前、后的温度，p1，p2（p1p2）分别为流体通过油嘴前、后的压力，红色箭头代表气体流动方向）。图1气井井下节流示意Fig.1Downhole throttling diagram of gas well1.2气藏模型为提高气井产能，合川气田大部分井采用压裂改造工艺。为此，以Ozkan&Raghavan点源函数法理论为基础，应用瞬时源函数理论和叠加原理，得到圆形封闭无限导流压裂井Laplace空间无因次压力响应解12：軍D軍 軍p=12s1-1乙K0rDs姨D軍+I0rDs姨D軍K1reDs姨D軍I1reDs姨D軍D軍d（1）式中：軍D为Laplace空间无因次压力；p为压力，Pa；s为Laplace空间无因次时间；K0，K1分别为修正0阶、1阶二类贝塞尔函数；rD为无因次半径；I0，I1分别为修正0阶、1阶一类贝塞尔函数；reD为无因次井控半径；为无因次距离。在无限导流压裂井压力响应解获得的基础上，Pratikno等13提出了定产圆形封闭条件有限导流压裂井无因次压力响应解：軍wD-12kj=1q軈fDD軍sxDj+1xDj乙K0 xD-xD軍+K0 xD+xD軍D軍dx+12s1fD軍s s姨K1reDs姨D軍I1reDs姨D軍s姨1-xDD 軍0乙I0D 軍 d+s姨1+xDD 軍0乙I0D 軍 dD軍-sfq軈fDxD，D軍s=sFcDxD-sxD0乙s0乙q軈fDu，D軍s dudD軍s（2）式中：軍wD为Laplace空间无因次井底压力；q軈fD为Laplace无因次裂缝流量；FcD为无因次裂缝导流能力；sf为压裂井表皮系数；xD为无因次裂缝位置坐标；x为无因次离散段位置；xDj，xDj+1分别为裂缝离散段上、下位置无因次坐标；u为积分函数中的无因次位置；j为离散段个数；k为离散段时间步数。根据杜哈美叠加原理，变流动压力条件下的流量响应等于定流压的流量响应与变流动压力的褶积：qDtDD 軍=tD0乙qDtD-D軍鄣D鄣D軍d（3）式中：qD为无因次流量；tD为无因次时间；为积分函数中的无因次时间；D为无因次压力。通过式（3）可以实现井底流压与产量之间的转化，结合现代产量递减特征化理论1415，可获得产量动态分析特征化图版（见图2。图中：qDd表示无因次规整化产量，qDdi表示无因次规整化产量积分，qDdid表示无因次规整化产量积分导数，tDd表示无因次物质平衡拟时间）。1.3井筒管流模型HagedornBrown两相管流模型在计算直井井筒压144第30卷第1期其中：=fg+fgCvg+fwCvwNNMZR（8）1=gfww（9）式中：为相对气体质量分数；pr为临界压力比；N为气体多变膨胀指数；1为气体相对密度比；A1，A2分别为油嘴上游油管横截面积、油嘴喉部横截面积，m2；fg，fw分别为气、水的质量分数；Cvg，Cvw分别为气、水的定容比热容，J/(kgK)；M为气体分子摩尔质量，g/mol；Z为气体偏差因子；R为理想气体常数；g，w分别为混合物气、水相密度，kg/m3。根据上述气水相节流理论模型，建立了气水两相节流后临界压力/节流前压力（pc/p1）与相对气体质量分数的关系（见图3）。从图3可看出，当气井生产过程中出现气水两相流动后，临界压力/节流前压力明显下降。这也说明了井下节流油、套压差值大主要是气水两相节流导致的。图3pc/p1与的关系Fig.3The relationship between pc/p1and 1.5气藏井筒油嘴耦合分析模型基于上述气藏、井筒、油嘴压力计算模型，采用迭代法求解气井流动耦合系统。计算步骤（步骤中t为当前时间，n为时间步，i为迭代次数，为收敛精度）为：1）由给定的油嘴直径d及油嘴的下游压力pchd，求出最小的上游压力pwh，min，取piwh，n=pwh，min，i=0。力场方面具有准确性高的特点。HagedornBrown在管段上的压力梯度表达式16为-pz=-dpdz=dpdzNNpd+dpdzNNfri+dpdzNNa=mg+fmG2m2DA2m+mv2m2N Nz（4）其中：Gm=A vsLL+vsggNN（5）m=HLL+1-HLNNg（6）式中：p为油气水混合物在管段z上的总压差，Pa；z为垂直管段长度，m；m为当地气液混合物密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；fm为两相摩阻系数；Gm为气液混合物质量流量，kg/s；vm为混合物平均流速，m/s；D为管内径，m；A为管段过流面积，m2；z为管段的位置，m；HL为持液率；L为当地液相的密度，kg/m3；g为当地气相的密度，kg/m3；vsL为液体的表观速度，m/s；vsg为气体的表观速度，m/s；下标pd为位差，fri为摩擦，a为加速度。图2生产动态分析特征化图版Fig.2Production dynamic analysis characterization chart1.4井下节流模型合川气田气井是产水气井，油嘴节流计算应采用气水两相节流模型。结合热力学基本理论，Perkins17提出了气水两相节流模型：21-pr1+NNNN+211-prNNNN1-A2A1N N2fg-1fgpr1N+1NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNfgNpr-1+NNNN+A2A1N N2fgfg+1NNpr-1+NNNfgpr-1N+1NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN=1-A2A1N Nfg-1fgpr1N+1NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNfgpr-1N+1NNN-1NNNpr-1N+1NN（7）徐建军，等.合川气田井下节流气井动态分析新方法145断块油气田2023年1月2生产动态分析实例根据上述井下节流气井动态分析基本原理和计算步骤，自主研发了井下节流的单井动态分析软件IPRT。以合川气田合XX2井为例，基于生产动态数据，引入特征化分析方法进行了动态分析拟合解释，该井基础参数见表1。表1合XX2井基础参数Table 1Foundation parameters of well He XX2结合所建立的气藏井筒油嘴耦合的一体化动态分析方法，将上述参数输入单井动态分析软件IPRT，按照前述计算步骤进行计算。对该井井口实测数据进行分析和拟合，其解释结果和拟合效果分别见表2和图5（图中：q为规整化产量，qi为规整化产量积分，qid为规整化产量积分导数，Ta为物质平衡拟时间，p为井底压差，为井底压力导数）。表2合XX2井动态分析解释结果Table 2Performance analysis and interpretation results of well He XX2由图5a可以看出，随着生产时间的增加，井底流压不断下降，由23.3 MPa下降到20.9 MPa。由图5b可以看出，随着生产时间的增加，日产气量下降趋势明显，由1.44104m3下降到0.65104m3。在图5c和5d中分别对Blasingame特征化双对数图4不同井下节流气井井底流压计算结果Fig.4Bottom hole flow pressure calculation results of different downhole throttling gas wells参数井眼半径/mm产层厚度/m孔隙度/%地层压力/MPa地层温度/油管内径/mm产层中深/m节流器油嘴直径/mm节流器坐封深度/m数值114.315.26.7731112623 782.931.73 524参数外推地层压力/MPa渗透率/10-3m2存储系数/（m3MPa-1）裂缝半长/m裂缝壁面表皮系数边界距离/m井控储量/104m3数值32.420.05734.6664.960.328255.44 982.72）利用式（7）计算流量qitn?，当前时间段的井底流压piwf，n由qitn?通过式（4）计算。3）将流压序列pwf，1，pwf，2，pwf，n-1，piwf，n?代入气藏模型（式（3），计算当前时间的流量新值qi+1tn?。4）由流量新值qi+1tn?通过式（4）计算井口压力新值pi+1wh，n。5）迭代收敛判断。如果pi+1wh，n-piwh，n，则已收敛，转步骤6）；否则，i=i+1，转步骤2）继续迭代。6）油嘴适用情况判定。如果pi+1wh，npwh，min，则油嘴直径适当，取预测流量q tn?=qi+1tn?；反之，则油嘴直径稍大。基于上述计算步骤编制了计算程序，结合气井生产动态数据及井下节流油嘴参数，对含有节流器的井进行井底流压计算，以合川00150X3、合川00150X2、合川00150X1、合川00152X2、合川00147X2井为例，计算结果见图4。结果表明，5口井井底流压计算误差平均为2.4%，满足工程计算要求。146第30卷第1期诊断曲线和双对数压力曲线进行了拟合，可以看出计算结果与生产动态数据趋势一致。由图5可以看出，井口油压、日产气量、Blasingame特征化双对数诊断曲线和双对数压力曲线拟合效果均较好，说明建立的动态分析模型可靠，可应用于实际生产。3结论1）以合川气田井下节流单井开采系统为研究对象，基于气藏、气水井筒管流和油嘴节流理论模型，建立了气藏井筒油嘴全面耦合的单井动态分析方法。2）利用自主研发的井下节流单井动态分析软件开展了合川气田实际气井动态分析，动态分析新方法预测的生产动态与实际气井生产结果一致性好，验证了该方法的可靠性和实用性。参考文献1张满郎，谷江锐，孔凡志，等.川中合川气田须二段致密砂岩储层甜点研究J.中国矿业大学学报，2019，48（4）：806818.ZHANG Manlang，GU Jiangrui，KONG Fanzhi，et al.Research on tightsandstone reservoir sweet spots of the second member in XujiaheFormation of Upper Triassic in Hechuan gas field，central SichuanBasinJ.Journal of China University of Mining&Technology，2019，48（4）：806818.2廖东良.页岩气层“双甜点”评价方法及工程应用展望J.石油钻探技术，2020，48（4）：9499.LIAO Dongliang.Evaluation method and engineering applicationprospect of“double sweet spot”of shale gas reservoirJ.PetroleumDrilling 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analysisb日产气量拟合a井底流压拟合cBlasingame特征化双对数诊断曲线d双对数压力曲线徐建军，等.合川气田井下节流气井动态分析新方法147断块油气田2023年1月（1）：3538.YUAN Quan，ZHANG Youcai，CHEN Wei，et al.Effects of startingpressure gradient on development of low permeability gas reservoirs：anexample from Xujiahe 2 gas reservoir，Hechuan gasfieldJ.NaturalGas Explortion and Development，2016，39（1）：3538.7安永生，曹孟京，兰义飞，等.井下节流气井的生产动态模拟新方法J.天然气工业，2007，27（12）：116118.AN Yongsheng，CAO Mengjing，LAN Yifei，et al.A new productionbehavior simulation method for gas wells equipped with a down-holethrottling deviceJ.Natural Gas Industry，2007，27（12）：116118.8王宇，李颖川，佘朝毅.气井井下节流动态预测J.天然气工业，2006，26（2）：117119，176.WANG Yu，LI Yingchuan，SHE Chaoyi.Prediction of downholethrottling performance of gas wellsJ.Natural Gas Industry，2006，26（2）：117119，176.9孙蓉，杜涓，张友彩，等.电子脱挂器在井下节流生产气井的试验与应用J.新疆石油天然气，2008，4（增刊1）：145153.SUN Rong，DU Juan，ZHANG Youcai，et al.Test and application ofelectronic hitch in downhole throttling production gas wellsJ.Xinjiang Oil&Gas，2008，4（S1）：145153.10 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