大牛地气田气井全生命周期采气管柱适应性分析

何 云，吴伟然，罗旭术

（1.中国石化生产经营管理部，北京 100027；2.中国石化华北油气分公司，河南郑州 450006）

1 气井携液能力

气井实际产量与临界携液流量的比值越大，说明其携液能力越强，反之越弱。气井临界携液流量计算公式[1]如下：

式中： qcr为气井临界携液流量，104m3/d；A为油管截面积，mm2；p为压力，MPa； ucr为气井携液临界速度，m/s；Z为气体偏差系数；T 为温度，K。

垂直管道气液混相流动的井筒压降计算公式[2-3]如下：

式中：Δpf为井筒压降，MPa；H 为井筒深度，m；fm为气液两相摩阻系数； Gm为气液混合物质量流量，kg/s；D为管道内径，cm； ρm为无滑脱混合物密度，kg/m3。

气井实际流量q与 qcr的比值越大说明气井携液能力越强，在生产中，气井的实际流量是很难提高的，为了提高气井的携液能力，通常是降低气井的临界携液流量。式（1）表明，油管截面积越大、压力越高，则气井的临界携液流量越大。要想降低气井的临界携液流量，应减小油管截面积、降低气井流动压力。减小油管截面积可采用管径更小的油管，但是油管变小以后，式（2）表明井筒压降会增大，这又会降低气井的携液能力。因此，需要在临界携液流量和井筒压降之间取得平衡，综合考虑油管的最优尺寸[4]；降低气井流动压力的具体措施为采用井下节流的方式生产；即把地面气嘴移到井内深部油管安装，气嘴以上部分的管道压力下降，气井携液流量即可降低，这种方法在特定场所与地面集输工艺配套使用[5-6]。

2 管柱适应性分析

大牛地气田为致密低渗砂岩气田，气井垂深一般为 2 500～3 000 m，水平井单井初产主要为2.0×104～3.0×104m3/d，直 井 单 井 初 产 主 要 为1.0×104～2.0×104m3/d，单 井 最 大 日 产 量 小 于10.0×104m3。大牛地气田气井均需要经过压裂才能投产，水平井压裂管柱一般为φ88.9 mm 油管，直井压裂管柱一般为φ73.0 mm 油管。由于产量偏低，油管尺寸相对偏大，大部分气井在投产后一年内都需要采取人工助排措施以帮助其排水，过早采取人工助排措施无疑增加了生产成本。因此，选择合适尺寸的油管，可以提高气井携液能力、延缓气井采取人工助排措施，从而可以提高气田开发效益。

判断某种尺寸的油管是否在气井整个生命周期有最好的适应性，首先看其在与其他不同尺寸油管比较时，这种尺寸的油管在气井实现的无助排期（即无需采取人工措施帮助气井排水的时间长度）是否最长，若最长则认为是最适应的；若无助排期基本相当，则气井井筒压降相对小的油管为最适应的；若无助排期，井筒压降基本相当，则临界携液流量相对小的油管为最适应的。

为了便于分析，把气井按产量分为高、中、低产三类井，每一类井再分为高、中、低液气比井，共九类井。每一类井按生产过程产量变化分成三个阶段，产量快速下降阶段、产量缓慢下降阶段、低产稳产阶段。

气井压力为5 MPa 时，油管尺寸为φ88.9 mm的气井临界携液流量为2.5×104m3/d，达到这个产量的气井列为高产井；油压为5 MPa 时，油管尺寸为φ60.3 mm 的气井临界携液流量为1.0×104m3/d，小于这个产量的气井列为低产井； 产量为1.0×104～2.5×104m3/d 的井列为中产井。液气比大于 5 m3/104m3的井列为高液气比井，液气比小于 2 m3/104m3的井列为低液气比井，液气比为 2～5 m3/104m3的井列为中液气比气井。不同的气田可根据自身实际情况划分高、中、低产井以及高中低液气比井[7-9]。

3 实例分析

大牛地气田高产低液气比 DF2 井，于 2007 年11 月17 日开始投产，生产油管为φ73.0 mm 油管，初期产量达到5.0×104m3/d，属高产井。至2018 年9 月27 日，该井共生产3 867 d，生产过程分为三个阶段：产量大于2.5×104m3/d 为第一阶段，产量为1.0×104～2.5×104m3/d 为第二阶段，产量小于1.0×104m3/d 为第三阶段（图1）。

图1 DF2 井综合生产曲线

3.1 第一阶段

平均产气量 3.03×104m3/d，平均产液量 0.38 m3/d，气液气比为0.13 m3/104m3，气井产量逐渐递减，产液量基本维持平稳，液气比逐渐上升。

在 7 种尺寸的管柱当中，φ88.9 mm 和φ73.0 mm 油管的理论无助排期明显短于其他尺寸油管，因此首先予以排除。剩下的5 种尺寸油管的理论无助排期都很接近，但是φ38.1 mm 油管（连续油管）造成的井筒压降明显过大，也予以排除。此时，剩余四种管柱φ73.0 mm+φ60.3 mm、φ60.3 mm、φ60.3 mm+φ48.0 mm、φ50.8 mm 的井筒压降很接近，但是φ73.0 mm+φ60.3 mm 和φ60.3 mm 油管的临界携液流量明显大于φ60.3 mm+φ48.0 mm、φ50.8 mm管柱的临界携液流量，因此又可以把φ73.0 mm+φ 60.3 mm、φ60.3 mm 管柱予以排除。最后比较φ60.3 mm+φ48.0 mm、φ50.8 mm 管柱的优劣，两种管柱的理论无助排期一致，而前者的井筒压降、临界携液流量都小于后者，有利于气井带液，因此可知φ 60.3 mm+φ48.0 mm 管柱是最优尺寸管柱，φ50.8 mm 管柱为次优尺寸管柱。φ60.3 mm+φ48.0 mm 组合管柱中φ48.0 mm 油管长500 m。

该井油管实际尺寸为φ73.0 mm，第一阶段理论无助排期天数457 d（即第一阶段产液量天数达到或大于临界携液流量的天数），实际无助排期天数684 d，实际生产情况优于理论预测（表1）。

表1 DF2 井阶段一模拟

3.2 第二阶段

平均产气量 1.31×104m3/d，平均产液量 0.24 m3/d，气液气比0.18 m3/104m3，气井产气量下降，产液量平稳，液气比上升。 在7 种尺寸的管柱当中，φ88.9 mm、φ73.0 mm、φ73.0 mm+φ60.3 mm、φ 60.3 mm 油管的理论无助排期明显短于其他尺寸油管，予以排除。剩下的3 种尺寸油管中，φ38.1 mm油管（连续油管）造成的井筒压降偏大也予以排除。φ60.3 mm+φ48.0 mm 管柱各项参数均优于φ50.8 mm 管柱，为最优尺寸管柱，φ50.8 mm 管柱为次优管柱。该井油管实际尺寸为φ73.0 mm，第二阶段理论无助排期天数562 d（即第二阶段产液量天数达到或大于临界携液流量的天数），实际无助排期天数1 704 d，实际生产情况优于理论预测（表2）。

表2 DF2 井阶段二模拟

3.3 第三阶段

平均产气量 0.71×104m3/d，平均产液量 0.19 m3/d，气液气比0.27 m3/104m3，产气产液均稳定，液气比平稳。

在7 种尺寸的管柱当中，φ88.9 mm、φ73.0 mm、φ73.0 mm+φ60.3 mm、φ60.3 mm 油管的理论无助排期明显短于其他尺寸油管，予以排除。剩下的3 种尺寸油管中，φ38.1 mm 油管（连续油管）造成的井筒压降仅仅比另外两种油管大0.1 MPa，另外两个参数临界携液流量、理论无助排期明显优于φ60.3 mm+φ 48.0 mm、φ50.8 mm 管柱，故为最优尺寸管柱。φ60.3 mm+φ48.0 mm、φ50.8 mm 管柱两者比较，前者的井筒压降、临界携液流量、理论无助排期明显优于后者，φ60.3 mm+φ48.0 mm 管柱为次优尺寸管柱。

该井油管实际尺寸为φ73.0 mm，第三阶段理论无助排期天数 0（即第三阶段产液量天数达到或大于临界携液流量的天数），实际无助排期天数535 d，实际生产情况优于理论预测（表3）。

表3 DF2 井阶段三模拟

对 DF2 井三个阶段的最优尺寸管柱进行分析，可知φ60.3+φ48.0 mm 管柱为2 个阶段的最优管柱，1 个阶段的次优管柱；φ38.1 mm 管柱为1 个阶段的最优管柱，1 个阶段的次优管柱；φ50.8 mm 管柱为2 个阶段的次优管柱。故可得出φ60.3 mm+φ48.0 mm 管柱为气井全生命周期中最优尺寸管柱，最有利于气井排液、稳定生产（表4）。

上述方法分析高、中和低产井不同液气比气井的最优尺寸管柱，得到的结果如表5 所示。2018 年，大牛地气田就按照这个结果来指导新投产气井、开展措施及维护的老井选择合适的管柱，原来大部分气井以压裂管柱（φ88.9 mm 或φ73.0 mm 油管）为生产管柱。根据60 口井的统计，以φ88.9 mm 或φ73.0 mm油管为生产管柱气井与产量相近的 30 口与以φ60.3 mm 油管为生产管柱气井且经过管柱优化后的30 口比较，前者投产后初次采取人工助排措施的平均时间为210 d，后者为294 d，说明选择合适尺寸的油管有利于使气井长期保持较好的携液能力，能够延缓采取助排措施的时间。

表4 DF2 井不同阶段最优、次优管柱直径

大牛地气田高、中、低产井分类方法与其他气田不尽相同，但是分析气井全生命周期排水最优尺寸管柱方法可以供其他气田借鉴。

表5 大牛地气田不同类型气井适用管柱

3 认识

（1）大牛地气田高产气、低液气比气井最适应的管柱为φ60.3 mm+φ48.0 mm 组合管柱，φ60.3 mm+φ48.0 mm 组合管柱在大牛地气田适用性最广，其次是φ60.3 mm 油管和φ50.8 mm 油管。

（2）大牛地气田推广使用φ60.3 mm+φ48.0 mm、φ60.3 mm 油管作为生产管柱，与使用φ88.9 mm、φ73.0 mm 油管相比，气井投产后初次采取人工助排措施的平均时间得到延长。