第六章采气工程方案设计.docx
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第六章采气工程方案设计
第六章采气工程方案设计
第一节概述
采气工程是一个整体系统工程，不是单项技术。
采气工程成为一门科学，是通过采气工程整体方案实现的。
90年代以来，我国的四川气田大天池构造带石炭系气藏和新疆的吉拉克凝析油气田等，都通过采气工程方案设计的编制来做好气藏（气田）正规开发前的技术准备。
每一个新气藏的开发建设，都应该搞好采气工程方案设计的编制，确保有一个科学、实用、高效、完整的采气工程方案。
采气工程方案是指贯彻气藏工程方案并适应于气藏地质特征和储层特点、能对
气藏实施经济、高效开发的采气工程配套技术整体设计。
采气工程方案与气藏工程案、地面建设工程方案三位一体，组成的气藏开发方案的总体设计（图6-1）,是指导气藏科学开发的重要技术规则。
图6-1气藏开发方案总体设计程序示意图
采气工程必须通过所编制的方案设计，把各个单项工艺技术有机地组成一个整体并有效作用于气藏，才能把气藏的储量最大的控制和动用起来，以达到高效开发的预期目的。
因此，采气工程方案设计是气藏开发总体建设方案设计的重要组成部分和核心，是实现气藏开发总体方案和天然气生产指标的主要工程技术保证，在提咼气藏开发最终米收率和总体经济效益中占有举足轻重的地位。
本章将在简要探索采气工程方案设计的特点、程序的基础上，详细介绍采气工程方案的设计方法并给出应用气藏实例
第二节采气工程方案设计的特点
采气工程方案研究的主要对象在地下。
采气工程方案设计应从掌握气藏生产特征入手，在深入调查研究和总结气藏开发在应用采气工程技术方面已取得成功经验的基础上，通过一系列导向技术的深入研究和先导性试验，提出能确保气藏开发指标完成的先进采气工程配套技术设计方案。
因此，采气工程方案设计具有如
下明显特点：
一、综合性
采气工程方案设计是一项涉及学科、专业内容多的综合性研究。
采气工程方案设计不仅要研究影响各项工艺方案决策的技术因素，还要研究经济因素，及其综合因素，需要掌握各种工艺措施的技术发展方向、适应性和应用效果。
二、特殊性
由于不同储层的地质成因、岩性、物性、流体性质以及驱动方式的显著差异，我国现今已知气藏的类型繁多，如可划分气驱气藏、水驱气藏、凝析气藏、含硫气藏、低渗气藏等等。
每一类，甚至每一个气藏都有其自身的特性。
因此，采气工程方案设计虽有规可循，也决不可能是一成不变的模式。
根据我国天然气地质特点，对不同类型气藏应实行不同的方案原则，每个采气工程方案设计都应该随着气藏类型和特征的显著差异，在基本内容上有所不同。
而每个采气工程方案都应针对不同气藏的具体类型和特征，提出相应的采气工程方案措施和配套技术决策，以求获得气藏的高效开发。
三、系统性
采气工程方案设计是以气藏工程为基础、并与地面建设配套工程有着密切相关的联系。
因此采气工程方案设计的研究与优化是多目标和多因素的，它既要研究各单项工艺技术的先进性、可操作性，又要研究其配套后的整体应用效果以及对气藏工程的适应性与对地面建设工程的要求和影响，进而寻求采气工程方案整体效果的最优化，以确保气藏开发指标的实现。
四、超前性
采气工程方案设计，是在新气藏尚未正式投入开发之前进行的，带有明显的超前性。
为了确保方案设计的结果准确、可靠、并满足开发指标的要求，这就要求必须尽可能地掌握各种信息资料，科学的预测影响气藏不同开发阶段稳产的主要矛盾，拟定近期和中远期科学技术研究课题，超前做好科研攻关的技术准备，超前贮备必需的技术，才能使采气工程技术进步处于主动。
五、优化性
采气工程方案设计的实践证明，方案的优化就是最大的节约。
采气工程不仅自身与气藏开发的总体效益密切相关、是一项投入大的系统工程，而且采气工程方案设计研究的专题也较复杂，每一专题都存在着各有利弊、相互制约、经济效益也不尽相同的多个解决方案。
需要进行多方案的全面分析、对比和评价，才能优选出最优方案，以尽量避免决策失误，通过科学、合理的采气工程方案的实施和采气工程技术的进步来实现气藏开发总体效益的提高。
第三节采气工程方案设计的前期工作
抓好采气工程方案设计的前期工作，是搞好方案设计编制的基础。
采气工程方案设计的前期工作，主要有如下三个方面：
一、导向技术研究和先导性试验
科学决策正确与否，不仅是决定采气工程方案设计成败的基本因素，而且也是影响开发总体效益的决定性因素。
有关采气工程方案设计的重大技术决策，都必
须经过导向技术研究和先导性试验，只有经研究和试验证实能对气藏开发总体经济效益起重大影响的采气工程技术才能纳入推广应用。
所谓导向技术研究，就是
针对气藏特点、不同开采阶段的主要矛盾、以及工艺技术的薄弱环节，把研究的重点放在能影响采气工艺技术发展方向的重大课题上，从宏观上加以控制和引导，使其能按照气藏开发的演变有针对性的发展工艺技术。
“八五”以来，四川
气田先后开展了“采气工程方案的经济评价”、“不同类型气藏开采工艺模式研究”、“多产层分采工艺技术可行性研究”等导向技术研究。
在进行导向技术研究的基础上，以点带面，先突破、后推广，重点开展了“铁山21井一井两层分采”、“高含硫气田水达标处理”、“水力射流泵排水采气”、“排水找气”“低渗透气藏高强度深穿透改造”等先导性试验，对有针对性地超前发展和提高采气工艺技术的配套能力、密切其与气田开发方案总体经济效益的关系，起到了先导性作用。
如M气田低渗透气藏通过加砂压裂高强度深穿透改造先导性试验，研制了能计算动态裂缝几何尺寸、生产剖面温度、填砂裂缝与酸蚀裂缝导流能力、氢离子传质系数及液体综合滤失系数的计算机优化设计软件并指导M14井加砂压裂取
得了显著增产成效。
M14井加砂压裂上机参数与计算机处理成果分别见表6-1
与6-2:
孔隙度，%
9.5
套管内径，m
0.157
渗透率，口m2
2.3X10-4
注入方式
油管注入
杨氏模量，MPa
93100
地层流体粘度，Pa*s
2.3X103
裂缝高度，m
22
压裂液流体压缩系数，1/MPa
0.03125
产层有效厚度，m
10.5
压裂液名
Ultrafio
泄流半径，m
500
压裂液n'
0.262
井眼半径，m
0.108
压裂液k',Pa*sn'
12
射孔孔数，孔
208
压裂液造壁滤失系数，m/s1/2
0.000155
孔眼直径，m
0.01
压裂液初滤失，m3/m2
/
破裂压力，MPa
86
压裂液降阻率，％
/
油层中部深度，m
2679.8
压裂液密度，kg/m3
1020
地层压力，MPa
32.0
前置液量，m3
50.0
闭合压力，MPa
61.0
携砂液量，m3
48.0
地层温度，°C
85.0
支撑剂量，t
20.0
62mm油管长度，m
/
支撑剂初密度，kg/m3
1850
75.9mm油管长度，m
2655.0
平均砂浓度，kg/m3
416.67
施工前，M14井在井底流压19.2MPa条件下气产量为0.93X104m3/d。
施工设计时进行了施工规模的计算机的优选，并根据计算的施工后缝长预测施工效果，用
温度剖面程序绘制了压裂施工过程中，井筒内和裂缝内液体温度剖面。
施工中，实际挤入地层前置液50m3、携砂液54.5m3、陶粒17.17t,施工泵压57〜83MPa,排量840〜25201/min，平均加砂浓度371.9kg/m3，最高压力86MPa,裂缝高度22m。
从压井、低替酸液、隔离液、前置液，注前置液、注携砂液，完成了设计指标，符合性很好，各项施工参数满足了工艺需要，达到了设计要求和预期目的。
施工后，该井自喷排液16天，排出程度54.58%，未见砂子退出，经测试，在井底流压为29.54MPa条件下，产气量为5.59X104m3/d（图6-2）,从而为该气藏的采气工程方案设计提供了科学决策的依据。
项目
排量（L/s）
一一
30
33.33
35
41.67
动态缝长，
m
125.89
128.16
130.35
140.91
支撑缝长，
m
113.66
116.52
117.89
122.73
动态缝宽，
m
0.0041
0.0042
0.0042
0.0044
平均支撑缝宽，m
0.0022
0.0017
0.0016
0.0014
穿透百分比，％
22.73
23.30
23.58
24.55
增产倍数（
J/Jo）
1.9
1.92
1.93
1.97
二、采气工程技术现状调研
为了使采气工程方案与具体设计气藏的特征相适应，并为方案编制提供必要的
基本数据和基础材料，方案编制前需要对设计气藏的试采和临近气藏开采中出现的问题及采气工程的技术现状进行深入调查、研究。
调查的重点主要有：
（1）设计气藏的类型、储层性质、地质特征、流体性质与油气水分布关系；
（2）设计气藏开发的主要指标、技术政策、开发过程可能出现的主要矛盾、相应技术对策；
（3）设计气藏的气井试采情况、产能大小、气井稳产趋势及其主要影响因素；
（4）设计气藏的采气工程现有技术水平，新工艺、新技术的应用前景和需配套研究的重点专题；
（5）国内开发同类型气藏可供借鉴的有效工艺技术。
三、重点专题研究
采气工程方案设计必须以科研成果作支撑，只有有了高适应性的配套工艺技术，才有采气工程方案的高水平。
针对现状调查中掌握的对气藏开发效益有重要影响、需要大量应用的工艺技术，要搞好专题研究，并促使其尽快配套。
如为了编制好川东大天池构造带石炭系气藏的采气工程方案设计，在现状调查基础上，针对气藏具体地质特征，重点开展了“完井套管强度计算”、“射孔工艺优化参数
设计”、“气层改造优化设”
、“井下管柱受力分析”、“采气工艺方式优化设计”“生产气井压力系统（节点）分析”等六个专题的研究。
所形成的专题研究报告，是对“八五”以来，四川气田采气工程系统经验的总结和深化，不仅对搞好大天池石炭系气藏采气工程方案设计有重要的指导作用，而且这些专题也是当前其他类似气藏进行采气工程方案设计时常开展的基本重点研究专题。
此外，为了提高采气工程方案设计的整体能力和水平，做好超前技术准备，当前还应该围绕其技术发展方向进一步加强一下七个方面的专题研究：
（1）深化对气藏特征认识，促进采气工程和气藏工程更紧密结合的“气藏描述研究”；
（2）提高排水采气工艺优化设计水平的“产水气井流入动态曲线研究”；（3）有利于气井生产系统优化决策的“多流体数学模型的机理和多相流动实验研究”；
（4）立足双高，实现少井高产的“一井多层开采工艺和工具研究”；
（5）提高气井增产措施有效率的“地应力场和裂缝分布规律研究”；
（6）提高设计科学性的“采气工程方案设计新方法和专家系统研究”；
（7）提高经济效益的“采气工艺技术经济界限研究”。
第四节采气工程方案设计的基本任务和主体工艺的分析论证
一、采气工程方案设计的基本任务
采气工程方案设计的基本任务是针对气藏的地质特征和储层性质，在对气井生产系统节点分析和室内岩芯实验的基础上，编制气藏开发的主体工艺方案，并配套形成生产能力，对气藏实施经济有效的开发
二、采气工程方案设计的主体工艺内容
采气工程方案的主体工艺，主要包括以下内容：
1、完井工程及开发全过程的气层保护技术
根据气藏工程和采气工程的要求，选择新开发井的钻井方法和钻井液、完井方法、完井液以及井身结构和套管程序；对固井质量提出技术标准、检测方法与要求；针对储层岩性、物性和流体性质，制定完井和开发全过程保护气层、防止损害的具体措施。
2、射孔设计对于射孔完井，要采用节点分析技术优选射孔方法、射孔枪型和射孔参数，并对减少产层伤害的射孔新工艺提出推荐建议。
3、气井采气工艺方式与设计
根据不同类型气藏的开发地质特征和气层工程方案，确定与之相适应的采气工艺技术方案和配套的工艺技术；优选自喷管柱、自喷之后的人工举升方式以及必要的配套工艺技术及装备。
4、增产措施设计
根据储层物性、岩性和产层所受伤害的类型与程度，优选与之相适应的压裂酸化增产工艺措施、施工工艺方式、施工参数和设备，以及防止施工中各种入井液对产层造成再次损害的预防措施与技术要求。
5、生产动态监测技术
根据气藏和采气工程的要求，确定气藏开发过程中以试井和生产测井为主要内容的生产动态和井下监测技术方案，并选择相应的设备和仪器、仪表。
6、气井修井和井下作业技术
根据气藏开发地质特征和储层流体性质，对于采气生产过程中需进行修井和井下作业的主要工作量、所需队伍及装备进行预测，并提出相应的技术标准和质量要求。
7、井下作业配套
按照有关定额标准，对新气藏井下作业队伍与设备配套。
8、其他配套工艺技术
针对气井有可能出现的产层出砂、管内水化物、管内结垢以及硫化氢与二氧化碳腐蚀等问题，进行相应的机理研究，因地制宜的提出经济可行、技术可靠的解决方案和预防措施。
9、经济分析
坚持以效益为中心的原则。
对气藏投入开发生产中所发生的采气工程方案各项工艺技术措施、装备和科研费用加以测算，在确保完成气藏开发指标的前提下，使整体方案的技术经济效果获得最优。
三、主体工艺的分析论证
不同类型的气藏其主体工艺的内容显然是不相同的。
就是对同一气藏而言，其主体工艺的配套技术也会存在多个方案。
只有经过充分的分析论证，才能科学地确定适应气藏特点的主体工艺技术。
主体工艺分析论证地基本任务，在于把气藏开发的方针、政策和气藏工程设计方案部署，化为采气工程方案的各项工作指标，并根据气藏工程方案提供的开发方式，确定主体工艺及其配套工艺技术，这是提高采气工程整体治理水平和效益的基本保证。
为了完成上述任务，一般应根据气藏地质特征和气藏工程方案，把气藏产层渗流大系统和气井生产大系统作为一个完整的系统工程，抓住主体工艺的完井工程、采气工艺方式、增产措施、井下工艺、生产动态监测以及经济评价等各个环节的主要工艺技术问题、不同设计方法和突出难点进行分类，建立多个备选方案，并采用室内试验、数值模拟及经济评价相结合的研究方法，分别从生产可行性、经济合理性及综合适应性等不同方面对各种备选方案进行分析、评价、论证，从中筛选出适应气藏地质特征和经济可行的技术方案。
如1992年在编制吉拉克凝析油气田的完井工程方案设计中对油管的设计就提出了Kopotaeb方法、Sereda等人方法、方法、杨川东方法、Turner等人方法等5种方法作备选方案，并运用吉拉克凝析油气田数据用5种方法进行计算、分析、对比，筛选出了设计油管最大直径的最优推荐方案。
1994年M气田编制的Tr11采气工程方案设计，不仅在生产管柱设计中把单一管柱、复合管柱、带封隔器的一次性完井管柱作为备选方案，在后续采气工艺方案中，对人工举升方式提出了多种备选方案，而且对具体方案还进行了9中方案的经济对比，始确定出最佳的采气工程主体工艺方案。
第五节采气工程方案设计程序
采气工程方案的设计程序主要是指设计的原则和依据、主体工艺法能工案的分析与设计、方案的经济分析及评价，并可按图6－3所示模式进行，现分述如下：
图6-3采气工程方案设计程序模式图
一、采气工程方案的设计原则
采气工程方案必须从气藏开发的总体目标出发，以气藏地质特征和气藏工程为
依据，以提高经济效益为中心，进行整体设计，遵循以下基本原则：
1、设计方法必须具有科学性；
2、方案设计内容必须具有针对性和完整性；
3、必须加强敏感性分析研究，进行优化方案决策；
4、必须满足气藏工程和地面建设对方案提出的要求；
5、方案的实施必须具有良好的可操作性；
6、方案必须符合“少投入，高产出”的高效开发原则，具有显著的经济性。
二、采气工程方案的设计依据
1、气藏类型及储层参数
（1）气藏类型及特征：
储层类型、压力系统等；
（2）储层参数要点：
孑L隙度、渗透率、含水饱和度、天然气相对密度、硫化氢
含量、二氧化碳含量、地层水性质、预测气水界面等。
2、气藏开发方案：
1）气藏开发方案要点
（1）开发方案要点与指标：
开发单元、开发层系、产能规模、完井数、已获气
井数、正钻井数、部署井数、总生产井数、采气速度、稳产年限及其指标；
（2）试采结果分析：
了解和掌握流体相态、气井产能、压力场与温度场特性，
加深对气藏地质特征、开采工程主要矛盾及技术界限、经济政策的认识。
2）气井开发方式
根据气藏工程设计提供的开发方式，确定主体采气工艺的备选方案。
3）环境条件特殊要求
三、主体工艺分析论证
依据气藏工程方案提供的开发方式和备选方案，经分析论证初步确定主体采气
工艺及其配套技术。
四、完井工程及开发全过程的气层保护技术
1、完井工程设计原则和方法
1）原则
（1）符合气藏特点，满足气藏开发的总体需要，保护气层、尽可能减少对气层的损害；
（2）有效地封隔气层和水层，防止各层之间的互相窜扰；
（3）克服井塌或出砂的影响，保证气井长期稳定生产；
（4）能进行压裂酸化等增产措施及便于修井作业；
（5）尽量降低成本，经济效益好。
2）设计方法
计算不同完井方式下的气井流入动态曲线。
3）完井方法的评价与优选
气井完井除了主要有裸眼完井、衬管完井、套管射孔完井、尾管射孔完井四种基本方法外，还有适应于特殊产层的一次性永久完井法，一井多层分采完井法，大斜度井、水平井完井法等完井新工艺。
完井方法的选择应根据气藏类型、储层的岩性、物性、产层的损害程度、增产措施工艺条件及生产井试采实践、可操作性和经济性等因素进行优化决策。
如四川针对气田多产层优势，为实现“少井高产”，提高开发经济效益，发展和完善了一井两层分层完井工艺技术，不仅形成了Y211、Y344、Y533三套适应气藏、储层类型的分采管柱及工艺技术，而且还总结出了气井分采评层造井的五条原则：
（1）分层储量估算较准确；
（2）各层具有完整的测试资料；
（3）层间距离大于50m；
（4）硫化氢、二氧化碳含量相对较低；
（5）井身质量好。
2、套管程序设计
1）设计原则对深井、超深井需下入多级套管柱。
一般情况下，应根据气藏区域、构造的地质特征，完井、修井、增产作业等采气工程和配套工艺的要求，外挤、内压拉力与双轴向压力及气藏开采过程中地压力变化的影响以及经济、安全性，选择合理的套管程序及尺寸。
气藏套管一般选用3〜5层，常采用的套管程序为339.72X244.47X177.8X
127mm或339.72X244.47X177.8mm。
对3000m以上的深井推荐采用文献6研究,对提出的设计程序确定合理的套管尺寸及下入深度。
2）完井套管柱的强度计算与校核从开发方面着重考虑对生产套管提出设计方案。
在生产套管设计中管内按全掏空和双轴应力来计算，以高压压裂酸化，封隔器座封在施工层段套管顶部时，考虑膨胀效应和活塞效应产生的作用力对完井套管强度进行校核。
3、固井设计要求固井设计必须确保固井质量能适应采气工艺、增产措施及修井等井下作业的需要。
设计的基本要素，包括以下几个方面：
（1）采用前置液，包括清洗液和隔离液；
（2）水泥返高到设计要求；
（3）水泥浆密度符合要求，一般分两级注水泥，产层用快凝水泥，其他层段用缓凝水泥；
（4）扶正套管，井口一般2〜3根套管加一支，气层上、下200m及产层每根加一只；
（5）适当缩短稠化时间：
设计稠化时间为施工时间加1〜2h安全余量；
（6）提高抗压强度：
一般加30％〜40％石英砂；
（7）活动套管：
施工中以旋转方式为主；
（8）实行紊流顶替；（9）固井后用声波或变密度法检查固井质量，不合格者需采取补救措施。
4、射孔设计
射孔是完井工程中重要的组成部分。
它是在固井后，根据气井的录井和电测资料，重新打开目的层，沟通气层与井筒的一项工艺技术。
为了实现气井高产，必须选择最合理的射孔井段和有效的工艺技术来实现。
1）射孔完井参数的优化设计
（1）气井射孔完井参数优化设计所需的基础资料：
1气层损害深度和损害程度。
根据取得的地层测试资料并结合本地区现场经验确定损害深度和损害程度；
2孔眼压实带厚度和压实程度。
按试验数据一般取：
孔眼压实程度为0.2〜0.25,
压实带厚度为12〜15mn左右；
3孔密、孔径、孔深。
孔密取值范围为10〜20孔/m。
孔径、孔深的取值由选用
弹型决定；
4其他数据。
井眼半径，渗透率等。
（2）射孔参数优化设计方法：
使用西南石油学院的射孔优化设计软件，对影响气井射孔效果的孔径、孔密、相位角和布孔格式等因素进行敏感性计算，优选出该气藏使用的弹型、孔密、相位角、布孔格式等参数。
2）射孔工艺方案选择
（1）射孔方式：
一般有电缆输送射孔（正压射孔）、过油管射孔和油管传输射孔三种方式。
为了保护气层，常用的是油管负压射孔方式。
（2）射孔负压值的确定：
射孔负压值的确定首先要考虑确保孔眼清洁的需要，同时又不引起地层大量出砂及套管挤毁。
主要要考虑地层渗透率、储层厚度、泥岩隔层的声波时差及套管的强度指标等。
确定方法用射孔优化设计软件进行负压
射孔效果对比计算，选择表皮系数小的射孔方法和合理射孔压差，也可采用室内射孔岩心靶负压实验法、根据经验统计法与公式计算法相结合。
（3）射孔液的选用：
射孔液必须与地层配伍，为无固相或低固相、小粒径流体；尽可能的保持负压射孔，保护气层。
若保持负压条件有困难，其液柱压力最好略大于地层压力的0.303〜3.03MP&
3）射孔气井产能分析。
（1）分析方法：
用射孔软件计算结果和相关曲线，分析射孔地层诸因素对射孔井产能的影响；
（2）分析内容：
①产能与表皮系数预测。
运用射孔软件计算出射孔井的产能和
表皮系数，并与实测产量和表皮系数作对比，分析其可靠性；
2PR（产率比，即给定完井方式的产能与相当裸眼完井的产能之比值）分别与孔深、孔密、孔眼直径、相位角、布孔格式、损害程度以及压实程度的关系。
4）推荐的射孔参数及工艺
（1）射孔参数：
射孔弹型、射孔密度、相位角、布孔格式；
（2）射孔工艺：
射孔方式、选定的负压值范围及使用的射孔液。
采用抽汲或混
气水洗井的方式，使液面降到需要的位置，一般负压程度为1000〜1500m。
5、开发全过程的气层保护技术
气层系统保护技术是关系气田开发效果的重要环节。
在钻井、完井、增产作业、采气、修井作业等开采全过程中，实现系统的有效保护气层措施，是减轻产层损害，充分发挥产层潜能，提高气田开发效益的重要手段之一。
1）气层损害评价方法
气层损害的评价方法有三类，包括：
矿场试井定量评价，室内岩心流动试验方
法和毛细管曲线分析方法。
一般采用前两种方法。
其评价指标很多，以表皮系数和产率比最为常用。
2）气层损害评价依据各种工作液的适应性评价，要以储层特征为依据，通过岩心试验分析其水敏、速敏、酸敏、盐敏等损害情况。
3）钻井、完井过程中的损害评价及保护措施
（1）损害评价：
钻井完井过程对储层的伤害，由所使用的工艺措施和使用的钻井完井液两者共同作用造成。
可从以下几方面进行评价分析：
①钻井完井液的类型及对储层的损害程度和深度情况；
2采用的
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