套管氣助流舉升優(yōu)化設(shè)計

李軍亮，廖銳全，羅威　(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

套管氣助流舉升優(yōu)化設(shè)計

李軍亮，廖銳全，羅威(長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

[摘要]助流舉升技術(shù)可以充分利用套管氣的能量,幫助泵舉升流體。將套管氣從合適的深度注入油管,可以減小油管壓力梯度,從而減小泵的排出口壓力,提高泵的舉升效率。套管氣助流舉升設(shè)計最主要的是確定注氣深度。研究了套管氣助流舉升的工藝原理以及設(shè)計理論與方法,在此基礎(chǔ)上分析了多個參數(shù)對注氣深度的影響,最后考慮生產(chǎn)過程中含水率的變化,對一口油井進行了套管氣助流舉升設(shè)計。

[關(guān)鍵詞]套管氣;助流舉升;有桿泵;含水率

有桿泵采油目前仍是油田最主要的采油方式[1，2]。有桿泵泵效受氣油比影響大，氣油比越高，泵效就越低。對于高氣油比油井來說，為了提高泵效，常在泵下安裝氣錨，實現(xiàn)油氣分離。分離后進入環(huán)空的氣體，一方面會使環(huán)空壓力升高，導(dǎo)致動液面下降，泵效降低，甚至?xí)?dǎo)致泵空抽；另一方面，如果為了控制套壓而放掉套管氣，則會損失大量能量。如何充分利用套管氣的能量來幫助泵舉升流體具有非常重要的意義。采用組合人工舉升方法可以解決該問題。

組合人工舉升方法是將2種或2種以上的人工舉升方式聯(lián)合起來使用。在舉升流體的過程中，一種舉升方式對另一種舉升方式起到輔助的作用，從而提高舉升效率。目前研究的組合舉升工藝主要有：有桿泵-電潛泵[3]、電潛泵-噴射泵[4]、有桿泵-噴射泵[5，6]、電潛泵-氣舉[7]、有桿泵-氣舉[8，9]。套管氣助流舉升是根據(jù)氣舉的原理，充分利用套管氣的能量，將套管氣在合適的深度注入油管，幫助有桿泵舉升液體。

1工藝原理

圖1為套管氣助流舉升工藝示意圖。流體從井底沿套管上升的過程中，經(jīng)過氣錨的分離，液體進入油管，經(jīng)泵舉升到地面，分離出的氣體進入油套環(huán)空。隨著套管氣的增多，油套環(huán)空壓力升高，當(dāng)達到一定程度的時候，氣舉閥打開，套管氣進入油管，減小了油管流體密度，幫助泵舉升液體。

圖1　套管氣助流舉升工藝圖

圖2為套管氣助流舉升壓力分布圖。圖2中Hp是泵掛深度，Hd是動液面深度，Hc是注氣點深度。pwf為井底流壓，pwh為井口油壓，pc為套壓。單獨采用有桿泵舉升流體時，油管壓力是按pwf-A-E-pwh分布的，采用套管氣助流舉升，則油管壓力按pwf-A-B-C-pwh分布。A-D-C-pc為套壓分布線。從圖2可以看出，在C點以上，套管壓力大于油管壓力，套管氣從注氣點進入油管，從而減小油管流體密度，在維持井口油壓不變的情況下，泵的排出口壓力從E點降到B點，泵的做功減少，舉升效率提高。

圖2　套管氣助流舉升壓力分布圖

2設(shè)計理論基礎(chǔ)

在套管氣助流舉升系統(tǒng)中，最主要的計算模型是壓力分布計算。流體從井底H到泵掛深度Hp，即pwf-A階段。該階段壓力分布根據(jù)氣液兩相流壓力降公式計算[2]：

(1)

式中：ρm為流體平均密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2;vm為流體流速，m/s；fm為摩擦阻力系數(shù)，1；d為管徑，m。

目前氣液兩相管流計算方法有Hagedorn-Brown方法、Orkoszewski方法、Beggs-Brill方法等。在該階段氣液還未進行分離，氣液比為生產(chǎn)氣液比Rp。

當(dāng)流體達到泵深度以后，由于氣錨的作用，大部分自由氣進入環(huán)空，小部分氣體隨液體進入泵。進入環(huán)空的氣量計算式如下：

(2)

進泵氣量計算式如下：

(3)

注氣點以下氣液比為：

(4)

式中：qgc為進入環(huán)空氣量，m3/d；qgt為進泵氣量，m3/d；Rp為生產(chǎn)氣液比，m3/m3；Rso為泵深條件下的溶解氣液比，m3/m3；ql為產(chǎn)液量，m3/d；x為分氣效率，%。

對于環(huán)空氣體，由于流量小，可按靜止氣柱計算環(huán)空壓力分布，計算公式為：

(5)

為了提高計算精度，可分段循環(huán)計算。油管壓力分布應(yīng)從井口向下按氣液兩相管流計算，在注氣點以上氣液比為Rp，在注氣點以下氣液比為Rc。計算步驟：①根據(jù)設(shè)計產(chǎn)量，利用油井產(chǎn)能方程計算井底流壓pwf；②利用氣液兩相管流計算方法，從井底計算至下泵深度處，得到泵的吸入口壓力pin；③計算在pin下的自由氣量，根據(jù)氣錨的分氣效率，可以得到進入環(huán)空氣量和進入泵的氣量；④計算環(huán)空壓力分布,從泵深度處向上，根據(jù)泵的沉沒度計算動液面處壓力，然后向上按靜止氣柱計算至井口，得到環(huán)空壓力分布；⑤計算油管壓力分布,從井口向下，氣液比為生產(chǎn)氣液比Rp，利用氣液兩相管流計算方法計算注氣點以上油管壓力分布，油管壓力等于套管壓力所對應(yīng)的深度為油套壓力平衡點。在平衡點向上約50m處，即可定為注氣點;⑥從注氣點向下，氣液比為Rc，利用氣液兩相管流計算方法計算至泵深度處，得到泵的排出口壓力pout。

在設(shè)計過程中，影響注氣深度的因素主要包括地層壓力、地層供液能力、產(chǎn)液量、含水率、生產(chǎn)氣液比、下泵深度等。

3實例分析與設(shè)計

某油井油層中深2240m，地層壓力15MPa，飽和壓力13MPa，下泵深度1800m，原油相對密度0.8，天然氣相對密度0.7，目前含水率(fw)0.2，生產(chǎn)氣油比200m3/m3。油井IPR曲線如圖3所示。

3.1　地層壓力

在其他條件相同的情況下，地層壓力越高，泵吸入口壓力和環(huán)空內(nèi)壓力也就越高，從而平衡點和注氣點下移。另一方面，泵吸入口壓力越高，自由氣越少，需要減小氣舉閥直徑。當(dāng)泵吸入口壓力大于飽和壓力時，沒有自由氣存在，就不需要進行套管氣助流舉升。地層壓力與注氣點深度的關(guān)系如圖4所示。

圖3　油井IPR曲線　　　　　　　　　　　　　圖4　地層壓力與注氣點深度的關(guān)系

3.2　下泵深度

在其他條件相同的情況下，隨著下泵深度的增加，泵吸入口壓力和環(huán)空壓力增加，自由氣量減少，平衡點和注氣點下移，下泵深度與注氣點深度的關(guān)系如圖5所示。

3.3　生產(chǎn)氣油比

如果環(huán)空壓力按靜氣柱壓力計算，則氣油比只影響油管壓力梯度。氣油比越大，油管壓力梯度越小，平衡點和注氣點深度就越深。如圖6所示。

圖5　下泵深度與注氣點深度的關(guān)系　　　　　　　　　圖6　生產(chǎn)氣油比與注氣點深度的關(guān)系

3.4　產(chǎn)液量

在其他條件相同的情況下，產(chǎn)液量越大，泵吸入口壓力和環(huán)空壓力越小，從而平衡點和注氣點上移。產(chǎn)液量大，泵吸入口壓力小，自由氣量多，需要增大氣舉閥直徑。產(chǎn)液量與注氣點深度的關(guān)系如圖7所示。

圖7　產(chǎn)液量、含水率與注氣點深度的關(guān)系

3.5　含水率

含水率增加，一方面氣量減少，泵吸入口壓力降低，環(huán)空壓力降低，平衡點和注氣點深度減小；另一方面，含水率增加，油管壓力梯度增加，導(dǎo)致平衡點和注氣點深度減小。如圖7所示。

目前油田一般是注水開發(fā)，含水率不斷上升，導(dǎo)致最初的注氣點油壓大于套壓，無法注氣。為了避免多次起下管柱，建議通過含水率預(yù)測，配置多級氣舉閥，當(dāng)油壓升高時，下級閥關(guān)閉，上級閥打開，實現(xiàn)套管氣連續(xù)助流舉升。當(dāng)含水率超過0.95時，套管氣很少，很難實現(xiàn)持續(xù)的助流舉升。

對一個特定的區(qū)塊，地層特性一般是不變的，影響注氣點深度的主要是生產(chǎn)參數(shù)，包括產(chǎn)量和含水率。該井設(shè)計產(chǎn)液量為15m3/d，設(shè)計結(jié)果如表1所示。

表1　注氣點設(shè)計結(jié)果

氣舉閥布置過密，一方面成本高，另一方面影響管柱的強度，所以建議只在含水率為0.2、0.5、0.8所對應(yīng)注氣深度處布置氣舉閥即可，結(jié)果如圖8所示。通過調(diào)整氣舉閥的打開和關(guān)閉壓力，可以實現(xiàn)套管氣的連續(xù)助流舉升。

圖8　注氣點設(shè)計結(jié)果

4結(jié)論

1)套管氣助流舉升適用于地層壓力低、氣油比大的油井，充分利用套管氣的能量，可以起到提高泵效、減小載荷的作用。

2)氣錨的分氣效率、自由氣量、油壓和套壓都影響氣舉閥的孔徑以及打開和關(guān)閉壓力，對此筆者未做討論。

3)當(dāng)一個區(qū)塊地層特性以及流體物性接近時，可以繪制該區(qū)塊的產(chǎn)液量-含水率-注氣點深度圖版(圖7)，根據(jù)該圖版可以對該區(qū)塊所有油井進行布閥設(shè)計。

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[編輯]黃鸝

[引著格式]李軍亮，廖銳全，羅威.套管氣助流舉升優(yōu)化設(shè)計[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版) ,2015,12(26):55~58.

[中圖分類號]TE355.3

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)26-0055-04

[作者簡介]李軍亮(1977-)，男，博士，講師，主要從事油氣田開發(fā)方面的科研和教學(xué)工作，lijunliang01@163.com。

[收稿日期]2015-04-20