火山巖氣藏采氣工藝及方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

摘 要

摘要：火山巖氣藏地質(zhì)和開(kāi)發(fā)特征具有特殊性，對(duì)其采氣工藝及方案設(shè)計(jì)開(kāi)展了相應(yīng)的研究與探討。以松遼盆地的大慶徐深氣田和吉林長(zhǎng)嶺氣田為例，運(yùn)用理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析相結(jié)合的
摘要：火山巖氣藏地質(zhì)和開(kāi)發(fā)特征具有特殊性，對(duì)其采氣工藝及方案設(shè)計(jì)開(kāi)展了相應(yīng)的研究與探討。以松遼盆地的大慶徐深氣田和吉林長(zhǎng)嶺氣田為例，運(yùn)用理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析相結(jié)合的方法，研究了火山巖氣藏在完井方式通擇、儲(chǔ)層改造、防腐工藝及排水采氣等采氣工藝方面的特點(diǎn)，并指出了火山巖氣藏采氣工程方案設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵點(diǎn)。研究結(jié)果表明：火山巖氣藏固相侵入、水鎖傷害嚴(yán)重，必須全生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行儲(chǔ)層保護(hù)；裂縫開(kāi)啟機(jī)理復(fù)雜，需采取合理的壓裂設(shè)計(jì)與工藝措施，如加支撐劑前加細(xì)粉砂等；同時(shí)考慮到火山巖氣藏CO2含量普遍較高，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)防腐工作。
關(guān)鍵詞：火山巖氣藏；完井方式；采氣工藝；方案；設(shè)計(jì)；水鎖；裂縫(巖石)；防腐
1 火山巖氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)特征
1.1 儲(chǔ)層分布特點(diǎn)
    火山巖氣藏氣層由多段組成，含氣井段長(zhǎng)，單一氣層厚度變化大。平面上，分布較為分散，連續(xù)性差。區(qū)塊之間不連續(xù)，但區(qū)塊內(nèi)氣層平面上可以疊加連片。
1.2 氣藏特征
1.2.1儲(chǔ)滲空間
    火山巖儲(chǔ)集空間類(lèi)型具有多樣性，既有孔隙又有氣孔和裂縫，孔隙結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜?；鹕綆r滲流通道也比較復(fù)雜，既有孔隙吼道，也有裂縫，甚至有串珠狀氣孔?；鹕綆r孔隙連通性差，雖然有原生孔隙存在，但多數(shù)呈孤立狀，因而難以對(duì)儲(chǔ)滲起作用。而在有裂縫存在的巖段，雖然孔隙度幾乎沒(méi)有什么增加，但滲透率卻高達(dá)幾百、甚至幾千毫達(dá)西，可見(jiàn)裂縫在改善火成巖儲(chǔ)集性能方面所起的重要作用。
1.2.2儲(chǔ)層物性類(lèi)型
    火山巖氣藏孔滲普遍較低，多為中-低孔、中-低-特低滲儲(chǔ)層。
1.2.3氣水系統(tǒng)
    總體氣水關(guān)系復(fù)雜。徐深火山巖氣藏構(gòu)造高部位為純氣層，構(gòu)造低部位為氣水同層或水層；長(zhǎng)嶺主體區(qū)塊具統(tǒng)一氣水界面，為底水構(gòu)造氣藏。
1.3 氣藏溫度壓力特征
    大慶徐深氣田地層壓力系數(shù)為1.020～1.067，地溫梯度為3.08℃/100m[1]；吉林長(zhǎng)嶺1號(hào)壓力系數(shù)平均為1.132；地溫梯度平均為3.412℃/100m。均屬正常溫度系統(tǒng)。新疆陸東-五彩灣火山巖氣藏屬正常溫度系統(tǒng)[2]，壓力系數(shù)介于1.16～1.33，有部分井區(qū)屬異常高壓。
1.4 流體特點(diǎn)
    吉林長(zhǎng)嶺、大慶徐深和新疆五彩灣火山巖氣藏都是以甲烷為主的干氣藏，不含H2S。長(zhǎng)嶺氣田CO2含量高且穩(wěn)定，平均27.19%；徐深氣田CO2含量變化較大，0.54%～31%；五彩灣氣田CO2含量低，最高只有0.32%。
1.5 開(kāi)發(fā)特征[3～4]
    1) 氣井試氣無(wú)阻流量普遍較低，徐深氣田以小于10×104m3/d為主，長(zhǎng)嶺氣田無(wú)阻流量介于15.4～74.5×104m3/d。
    2) 徐深氣田各井產(chǎn)量差異大，多數(shù)井產(chǎn)量較低，需壓裂措施方可獲得工業(yè)氣流；長(zhǎng)嶺1號(hào)氣田產(chǎn)量較高，但有部分井仍需壓裂改造。
   3) 單井產(chǎn)量、壓力遞減快，關(guān)井壓力恢復(fù)緩慢，表明儲(chǔ)層物性差、外圍供給能力弱，需合理控制采氣速度，提高最終采收率。
    4) 氣水關(guān)系復(fù)雜，存在裂縫、邊水、底水，需控制一定的生產(chǎn)壓差。
    5) 儲(chǔ)層連通性差，單井控制動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量少。
2 火山巖氣藏開(kāi)采工藝特點(diǎn)
2.1 完井方式選擇
    火山巖儲(chǔ)層產(chǎn)能低，存在邊、底水，具有改造增產(chǎn)的潛在要求，因此直井、水平井的主體完井方式都選擇射孔完井。對(duì)于產(chǎn)能高、無(wú)須壓裂的水平井，由于火山巖出砂的風(fēng)險(xiǎn)比較小，可選用篩管+管外封隔器或裸眼方式完井。
2.2 儲(chǔ)層改造
    火山巖儲(chǔ)層雖然微裂隙較發(fā)育，但大多基質(zhì)滲透率低、物性差，壓裂前大部分井很難達(dá)到工業(yè)產(chǎn)氣量，需通過(guò)人工裂縫有效溝通天然裂縫，提高單井控制面積，獲得較高產(chǎn)能。因此壓裂改造是保證火山巖氣藏有效開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)手段。
    但火山巖的壓裂又有其特殊性。這是由于火山巖中的大量微裂縫，如不加控制，在壓裂中會(huì)出現(xiàn)多條裂縫同時(shí)開(kāi)啟，這些開(kāi)啟的小裂縫及巖體中的微裂縫只過(guò)液不過(guò)砂，導(dǎo)致局部砂橋而使施工失敗[5]。因此，必須優(yōu)化壓裂方案設(shè)計(jì)，以形成有足夠?qū)挾扰c長(zhǎng)度的主裂縫，才能保證施工順利，從而大幅提高氣井產(chǎn)能。
2.3 防腐工藝
    防腐技術(shù)主要采取兩條路線(xiàn)：①特殊管材防腐。鉻鋼(主要是11Cr、13Cr，更高級(jí)的有HP13Cr、22Cr等)、內(nèi)涂層油管、非金屬管、雙金屬?gòu)?fù)合油管等。②緩蝕劑應(yīng)用?？捎闷胀ㄌ间揚(yáng)110或N80+井下封隔器+油套環(huán)空加緩蝕劑。由于低合金鋼(3Cr、9Cr)耐蝕性比碳鋼無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)且價(jià)格高出2～3倍，因此可用普通碳鋼而不用低合金鋼。
    徐深氣田達(dá)深3區(qū)塊CO2分壓在0.012～10.24MPa范圍內(nèi)，井底溫度最高達(dá)142℃，必須采取防腐措施。從采用普通管材并加入緩蝕劑、采用內(nèi)涂層油管以及11Cr管材3種選擇方案的單井總投資費(fèi)用對(duì)比可看出：①對(duì)于生產(chǎn)年限較長(zhǎng)的一類(lèi)井，在10年的生產(chǎn)期內(nèi)，采用11Cr管材要比普通管材加入緩蝕劑更加經(jīng)濟(jì)；此生產(chǎn)年限使用內(nèi)涂層油管雖然經(jīng)濟(jì)，但后期效果不一定好，綜合考慮采用11Cr管材更合理。②對(duì)于生產(chǎn)年限短的二、三類(lèi)井，使用普通管材+緩蝕劑或者內(nèi)涂層管材要比使用11Cr管材更經(jīng)濟(jì)。
2.4 排水采氣
    從火山巖氣藏開(kāi)發(fā)特征來(lái)看，氣水關(guān)系復(fù)雜、存在邊底水、裂縫發(fā)育，因此氣井出水會(huì)比較嚴(yán)重，選擇適宜的排水采氣方式是穩(wěn)產(chǎn)的必要條件。徐深氣田有的氣井出水已比較嚴(yán)重，但目前大慶徐深氣田的大部分井能攜液生產(chǎn)，未大面積采取氣舉措施。由于泡排技術(shù)比較成熟，適合氣井產(chǎn)水量小的情況，比較適合達(dá)深3區(qū)塊的氣井。目前達(dá)深3區(qū)塊正在一些井上進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)選適合的泡排劑。
    大慶在下白堊統(tǒng)登婁庫(kù)組的深層產(chǎn)氣量低、高產(chǎn)水的氣井上成功應(yīng)用了氣舉輔助排液采氣工藝，對(duì)徐深火山巖氣藏很有借鑒意義。
3 火山巖氣藏采氣工程方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)
    火山巖氣藏采氣工程方案設(shè)計(jì)和常規(guī)氣藏一樣要嚴(yán)格按《采氣工程方案設(shè)計(jì)編寫(xiě)規(guī)范》和《天然氣管理規(guī)定》的基本原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，方案設(shè)計(jì)的方法應(yīng)具有科學(xué)性、方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容應(yīng)具有針對(duì)性和完整性、方案設(shè)計(jì)的實(shí)施具有較強(qiáng)的可操作性與經(jīng)濟(jì)可行性。這里主要針對(duì)火山巖氣藏特征進(jìn)行方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討。
3.1 關(guān)于儲(chǔ)層保護(hù)
    首先要通過(guò)敏感性實(shí)驗(yàn)來(lái)確定儲(chǔ)層傷害的原因。對(duì)于低孔低滲、裂隙發(fā)育的火山巖儲(chǔ)層，固相入侵、水鎖通常是首要的傷害原因；其次分析采氣作業(yè)中可能導(dǎo)致的氣層傷害。表1為火山巖氣藏在各種作業(yè)中可能造成氣層傷害的主要形式。
表1 采氣作業(yè)中氣層傷害的形式表
作業(yè)過(guò)程
氣層傷害的形式
射孔作業(yè)
1)壓實(shí)帶的形成；2)射孔液與儲(chǔ)層不配伍引起水鎖及黏土膨脹等；3)固相堵塞
壓裂
1)壓裂液殘?jiān)蚬滔喽氯蝿┛椎溃?)濾液引起的黏土膨脹等
采氣
采氣速度過(guò)大引起儲(chǔ)層微粒運(yùn)移
修井
1)修井液濾液與儲(chǔ)層不配伍引起黏土膨脹、顆粒運(yùn)移、無(wú)機(jī)沉淀；2)殘留固相堵塞滲流通道
    針對(duì)敏感性分析結(jié)果和各種作業(yè)中導(dǎo)致儲(chǔ)層傷害的形式，制定具體、有效的保護(hù)措施。根據(jù)大慶徐深某區(qū)塊巖心敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)入井液提出了以下要求：①無(wú)固相體系；②入井液中加入適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┗蚴褂梅撬鳂I(yè)液降低入井液的表面張力和界面張力，減輕水鎖損害程度；③礦化度高于14000mg/L，加入聚季胺鹽等黏土穩(wěn)定劑，防止水敏；④減少入井液濾失量，壓井液等密度一般控制在1.1～1.25g/cm3。
    作業(yè)中通過(guò)下列措施，減輕或消除傷害：①盡量采用近平衡鉆井，負(fù)壓射孔；②盡可能開(kāi)展各種聯(lián)作技術(shù)，減少重復(fù)壓井引起的儲(chǔ)層損害；③優(yōu)化施工設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化作業(yè)工序，縮短浸泡時(shí)間；④條件許可時(shí)，壓裂后采用不壓井作業(yè)施工。
3.2 完井設(shè)計(jì)
    火山巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)是裂隙發(fā)育、低孔低滲。因此壓裂增產(chǎn)、控制邊底水以及防腐，應(yīng)成為火山巖氣藏選擇完井方式的首要考慮因素。同其他完井方式相比，套管射孔完井有如下特點(diǎn)：
    1) 選擇性射開(kāi)不同壓力物性氣層，避免層間干擾。
    2) 避開(kāi)夾層水、底水；避開(kāi)夾層坍塌。
    3) 具備分層采氣和選擇性壓裂或酸化等分層作業(yè)條件。
    因此，火山巖儲(chǔ)層的直井、水平井的主體完井方式都選擇套管射孔完井。由于火山巖儲(chǔ)層低孔低滲、出砂風(fēng)險(xiǎn)比較小，對(duì)于產(chǎn)能高、無(wú)須壓裂的水平井，也可考慮選用篩管+管外封隔器或裸眼方式完井。
3.3 采氣井口優(yōu)選
    對(duì)于C02含量較高的火山巖氣藏，在選擇采氣井口時(shí)要優(yōu)先考慮材料級(jí)別，其次是壓力等級(jí)、溫度等級(jí)等。大慶徐深和吉林長(zhǎng)嶺1號(hào)火山巖氣田的井口基本要求如下。
    1) 材料級(jí)別：按標(biāo)準(zhǔn)用CC級(jí)即可，但考慮國(guó)內(nèi)材料質(zhì)量，可用FF級(jí)。
    2) 耐溫等級(jí)：LU(-46～121℃)。
    3) 壓力等級(jí)：70MPa。
3.4 排水采氣工藝
    排水采氣的方法主要有泡沫排水、氣舉排水(連續(xù)氣舉、間歇?dú)馀e)、機(jī)抽排水、電潛泵排水、射流泵排水等。各種排水采氣方法有其技術(shù)特點(diǎn)和適應(yīng)條件，大慶和長(zhǎng)嶺火山巖氣藏排水采氣方法主要以泡沫排水和氣舉為主。
3.5 防腐設(shè)計(jì)
    大慶和長(zhǎng)嶺火山巖氣藏氣井的CO2腐蝕普遍嚴(yán)重。C02的腐蝕主要是由于CO2溶于水生成碳酸引起的電化學(xué)腐蝕所致。從以下幾方面對(duì)腐蝕程度進(jìn)行初判：
    1) 根據(jù)靜壓以及CO2含量，計(jì)算區(qū)塊典型井的CO2分壓情況。
    2) 判斷地層水的Cl-以及礦化度情況。
    3) 當(dāng)溫度低于60℃時(shí).，以均勻腐蝕為主；當(dāng)溫度在60～110℃時(shí)，局部孔蝕嚴(yán)重；當(dāng)溫度高于150℃時(shí)，腐蝕率下降。
    4) 如果pH值大于8，則會(huì)大大減弱腐蝕程度。
    根據(jù)以上評(píng)判及生產(chǎn)實(shí)際綜合判斷影響氣井油套管腐蝕的主要原因、程度(指不腐蝕、腐蝕還是嚴(yán)重腐蝕)及各種因素的腐蝕速率等。然后根據(jù)井的產(chǎn)量、開(kāi)采年限，再結(jié)合腐蝕初判，計(jì)算采用各種防腐措施所需要的費(fèi)用進(jìn)行防腐方案選擇。
    對(duì)于產(chǎn)量高、開(kāi)采時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益好而腐蝕嚴(yán)重的井需要重點(diǎn)保護(hù)，考慮采用11Cr、13Cr及以上鋼級(jí)管材增加其使用年限；對(duì)于產(chǎn)量中等、經(jīng)濟(jì)效益一般的井，若腐蝕嚴(yán)重可采用低鉻鋼加注緩蝕劑的方法或采用高鉻鋼；對(duì)于產(chǎn)量低、經(jīng)濟(jì)效益差的井，只采用普通管材加注緩蝕劑防腐。
4 認(rèn)識(shí)與建議
    1) 針對(duì)火山巖氣藏，要精心組織、周密細(xì)致做好采氣工程方案的編制工作。
    2) 火山巖氣藏由于固相入侵、水鎖傷害嚴(yán)重，必須全生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行儲(chǔ)層保護(hù)。
    3) 火山巖氣藏壓裂裂縫開(kāi)啟機(jī)理復(fù)雜，需要加強(qiáng)測(cè)試壓裂分析，采用合理的壓裂措施，例如，加支撐劑前加細(xì)粉砂壓裂技術(shù)等。
    4) 火山巖氣藏大多CO2含量高，需要加強(qiáng)實(shí)施防腐措施：對(duì)于高產(chǎn)井，選用不銹鋼管材防腐；對(duì)于低產(chǎn)井，選用普通鋼管材防腐劑防腐。
    5) 火山巖氣藏排水采氣方式優(yōu)先采用優(yōu)選管柱、泡排和氣舉。
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(本文作者：李文魁1 劉巖1 周廣厚1 王云1 曹光強(qiáng)1 吳曉東2 1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院；2．中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油天然氣工程學(xué)院)