套管氣輔助舉升工藝動態分析模型

鐘子堯吳曉東韓國慶呂欣潤張偉鵬

1.中國石油大學（北京）石油工程學院；2. 燕山大學

套管氣輔助舉升工藝動態分析模型

鐘子堯1吳曉東1韓國慶1呂欣潤1張偉鵬2

1.中國石油大學（北京）石油工程學院；2. 燕山大學

在高氣液比井中為了減少氣體對泵效的不利影響，同時又能充分利用氣體能量，采用套管氣輔助舉升技術是一個比較經濟有效的選擇。在井下合適深度下入氣舉閥，將環空氣體返注回油管，利用氣舉原理可獲得更高的系統效率。然而套管氣源和壓力無法人為控制，注氣壓力和注氣量均隨時間變化。為了驗證設計參數的合理性，結合采油系統中各段的流動特點和采油設備的工作特性，考慮井下分離器和氣舉閥造成的套管氣體量以及壓力的變化，建立了套管氣輔助舉升過程的動態模型。通過比較有無井下分離器及氣舉閥時的油井生產參數變化，得到使用套管氣輔助舉升系統后，油井泵效提高、套壓得以控制、上沖程載荷降低等結果，表明套管氣可以用來輔助人工舉升。研究還通過改變氣舉閥下入深度、直徑以及開啟壓力，研究各參數對采油過程的影響，為套管氣輔助舉升工藝的設計提供了依據。

套管氣；輔助舉升；動態模型；柱塞泵效；井下分離器

氣驅和天然氣驅（如氣頂、溶解氣驅）油井往往有較高的生產氣液比。通過安裝井下氣液分離器，可以減小井下氣體對抽油泵工作帶來的負面影響，但分離出來的氣體會進入油套環空并逐漸累積，造成油套環空憋壓以及環空動液面下降，影響抽油泵的正常工作［1］。常規套管氣處理工藝需要增加井口定壓回收裝置，不僅增加采油成本，而且環空中高壓氣體的能量沒有有效利用。

為了在解決套管氣問題的同時又能充分利用氣體能量，在中原油田、吐哈油田的高含氣油井中（氣液比高于100 m3/m3）率先采用了套管氣輔助舉升技術。文東油田22口油井使用套管氣輔助舉升技術后，平均泵效從17.4%提高到40.5%以上，并且油井平均產液量提高20 t/d［2-3］。在南堡油田的電潛泵采油井中也實現了套管氣輔助舉升工藝的現場應用，生產井以0.3 MPa/d速度升高的套壓在氣舉閥開啟一段時間后開始穩定，以后生產過程比較平穩［4-5］。吉林油田在套管氣輔助舉升工藝應用過程中，提出了氣舉閥下深的設計方法，在安裝氣液分離器和氣舉閥后4口油井系統效率均升高10%以上［6］。根據油田現場的應用情況，套管氣輔助舉升簡化了套管氣回收工藝，在高氣液比油井中適應性強，能有效提高油井產量和采油效率。隨著氣驅采油技術的成熟和推廣應用，套管氣輔助舉升工藝具有巨大的應用潛力。

套管氣輔助舉升過程由環空憋壓，氣舉閥關閉到開啟，環空向油管注氣，氣體輔助舉升等一系列動態過程組成。通過耦合地層、油套管和環空中的動態流量關系，建立了模擬套管氣輔助舉升過程的動態模型，可以得到氣舉閥開關前后套管壓力和動液面的變化，并研究了各工藝參數在整個過程中對油井生產系統的影響，為套管氣輔助舉升設計提供了相關依據。

1 模型建立

Model establishment

套管氣輔助舉升模型需要耦合不同類型的流動過程，還需要考慮井下氣液分離器、氣舉閥和抽油泵以及抽油桿這些井下設備的工作特性。為了簡化模型，假設如下：由于模擬時間步長較長，井內兩相流動按穩態模型計算；油套環空壓力按靜態壓力分布計算；地層溫度不隨時間變化，油管中流體溫度計算只考慮對流以及徑向穩定傳熱，而環空流體溫度是根據油管內的流體溫度通過徑向傳熱模型得到。氣舉閥打開或者關閉取決于氣舉閥處的環空壓力，當環空壓力大于氣舉閥開啟壓力時氣舉閥打開，當壓力下降到關閉壓力時氣舉閥關閉。氣舉閥打開時只考慮由環空到油管的單向流動［7-10］。

如圖1所示，將油井分成8個部分。儲層段有很多表征油井產能的解析、非解析模型， Vogel方程是在油氣兩相流條件下的油井產能常用模型，這里用其表征高含氣油井井底壓力與油井產液量的對應關系［7］

式中，Qo為油井流量，m3/d；Qomax為油井最大產油量，m3/d；pwf為井底流壓，MPa；pr為地層壓力，MPa。

圖1 套管氣輔助舉升工藝原理Fig. 1 Schematic principle of casing head gas assisted lift technology

從井底到抽油泵底部的套管內流動和泵上油管內流動段均為管流段，使用已有的管流模型，根據油氣流量進行流型判斷，并計算持液率，從而計算壓力分布。圖2為油管內壓力分布計算結果，其中井口壓力固定為0.5 MPa，開井0.25 d時，環空壓力還沒有升高到氣舉閥的打開壓力，這時油管壓力梯度大，泵上壓力高，當氣舉閥打開后，氣舉閥上部油管的壓力梯度減小，最終泵出口壓力下降了1.2 MPa。

井下分離器段可根據分離器效率計算進入環空的氣體流量

式中，Qga為進入環空中的氣體流量，m3/d；Qgp為泵入口處的氣體流量，m3/d；E為井下分離器效率。

圖2 氣舉閥開啟前后油管壓力分布曲線Fig. 2 Distribution curve of tubing pressure before and after the starting of gas lift valve

油套環空積液段，由環空段的液相質量守恒得到式（3），其中積液段的平均密度由動液面處壓力pf與泵入口處壓力pp的平均值 （pf+pp）/2得到，而兩壓力之差pf-pp等于積液段的靜液柱壓力，如式（4）所示。

式中，Hp、Hf分別為下泵深度和動液面深度，m；pp、pf分別為泵入口處和動液面處的壓力，MPa；Aa為環空截面積，m2；ρl為環空積液段的平均液相密度，kg/m3；ρlp為泵入口處的液相密度，kg/m3；Qla為進入環空段的液相流量，其值為正表示環空液量增加，反之環空積液則被吸入泵內，m3/d；Qld為泵入口處流量，m3/d； Qlp為泵實際排量，m3/d；t為模擬時間，d。

套管氣段，氣相的質量守恒方程不僅考慮套管氣段的氣體，還考慮原油中的溶解氣，式（6）中左右端各有2項，分別代表游離氣和溶解氣量；氣舉閥處的環空壓力和套壓均按靜氣柱計算，如式（7）、（8）所示

氣舉閥有打開和關閉2種狀態，當氣舉閥處的環空壓力pv高于氣舉閥開啟壓力時，氣舉閥處于打開狀態下，進氣量Qgv按孔閥模型進行計算［7］

式中，η為 max{ηc，pt/pa}，即當氣舉閥出口壓力pt和入口壓力pa之比小于臨界壓力比ηc時，過閥流動處于臨界狀態，氣體流量按臨界流量計算；d為氣舉閥直徑，m；k為氣體絕熱系數，天然氣可取1.3～1.5；Ta為氣舉閥處的環空溫度，K；Za為氣舉閥處的氣體壓縮因子。

圖3為進入環空的氣量和通過氣舉閥注入油管的氣量，并均已轉化到地面溫壓條件下的氣體密度。由圖可知，套管壓力在某一時刻升高到氣舉閥的開啟壓力，環空氣體開始進入油管，進氣量升高后降落，最終當分離器分離出來的氣量與氣舉閥注入氣量相等時，系統到達穩定狀態。

圖3 地面條件下環空進氣速度與氣舉閥注氣速度動態曲線Fig. 3 Intake rate at annulus and gas injection rate at gas lift valve on the ground

抽油泵和抽油桿部分，根據抽油機抽汲參數、泵吸入口以及排出口壓力可以得到柱塞的有效沖程、泵內氣相含量和漏失量，這樣泵效以及泵排量可由式（10）、（11）計算［7］

式中，ηp為抽油泵泵效，小數；εS、εF、εL、εV分別為沖程泵效、氣體泵效、體積泵效和漏失泵效，計算方法可參考文獻［7］；Ap為泵的柱塞面積，m2；Qt為泵理論排量，m3/d；S為沖程，m；N為沖次，次/min。

2 模型求解

Model solution

根據上文建立的模型，運用時間離散的方法可以求解各時間步下的井筒壓力和流量。從地層流入井內的氣液流量由式（1）控制，抽油泵下方流體在套管內的流動壓降可由管流模型求得。根據泵入口處的溫度壓力計算相應的自由氣量，再由井下分離器計算排出到環空中的氣量（式（2））。環空中壓力升高和動液面深度變化可由式（3）～（8）計算得到。如果氣舉閥處于開啟狀態，計算油管內壓力分布時需要考慮氣舉閥注入的氣體影響。假定模型在初始狀態下所有流量均為0，油管內充滿液體，壓力按靜壓計算，環空動液面高度和套壓由初始條件給出。

3 計算結果

Calculation results

3.1 結果分析

Result analysis

模型計算所需要輸入的參數有地層深度、壓力、油套管尺寸等油井基本參數和抽油機沖程、沖次、下泵深度等采油工藝參數。不同溫度壓力下的流體物性如原油溶解氣油比，油氣密度、黏度，可使用黑油模型進行計算。模型還需要給出油井的初始狀態，如初始動液面高度、套管壓力和流量。文中選用典型井的數據進行計算，具體參數見表1。

通過改變模型中相應參數的值可以反映油井在3種不同狀態下的生產狀況：a表示無井下分離器和氣舉閥、b表示只有井下分離器和c表示同時安裝井下分離器和氣舉閥。將式（2）中井下分離器效率E取為0則分離器不能分離氣體，可以認為沒有安裝井下分離器，即為狀態a；將氣舉閥開啟壓力取充分大，使得氣舉閥始終處于關閉狀態，這樣即轉化為狀態b。圖4～圖6展示了3種情況下，油井套壓、泵效和地層產液量隨時間變化的計算結果。由圖4看出，b狀態下如果不放套管氣，套壓會一直升高，環空液面下降直至到泵深處。由圖5看出，a狀態下由于泵吸入口壓力低于原油泡點壓力，氣體的存在降低了泵效。圖6展示了地層向井筒供液的變化，初始條件下地層進液多于泵實際排量，井底流壓上升，產量下降，油井在c狀態下隨著沉沒度增大以及套管氣開始進入油管，使得泵效提高，泵實際排量開始高于地層供液量，使得動液面下降，地層供液量上升，最終泵排量和地層供液量達到平衡，系統趨于穩定，由圖6可見使用套管氣輔助舉升工藝時，油井在穩定后的產量高于其他2種生產狀態。

表1 套管氣輔助舉升工藝動態模型主要參數Table 1 Main parameters of dynamic model for casing head gas assisted lift technology

圖4 油井在不同工作狀態下的套壓變化Fig. 4 Casing pressure of oil well in different working states

圖5 油井在不同工作狀態下的泵效變化Fig. 5 Pump efficiency of oil well in different working states

圖6 油井在不同工作狀態下的產液量變化Fig. 6 Liquid producing capacity of oil well in different working states

通過上面的分析可知，使用套管氣輔助舉升工藝既可以緩解油井伴生氣體對抽油泵的影響，又能將氣體能量合理利用，降低上沖程時的液柱載荷，這樣可以減少由于桿柱彈性導致的沖程損失以及上下沖程中抽油機的不平衡，因此獲得更高的系統效率。另外，這個工藝有效解決了套管氣積累的問題，避免了額外的套管氣處理程序。

3.2 參數分析

Parameter analysis

為了研究各個設計參數的影響，選取了主要設計參數：氣舉閥下深、氣舉閥直徑和氣舉閥開啟壓力進行敏感性分析，通過比較不同設計參數下油井的產量、泵效等，得到各個參數的合理范圍。

3.2.1 氣舉閥下入深度的影響 氣舉閥下深選為200 m、400 m、600 m和800 m。隨著氣舉閥下入深度的增加，可以降低更長油管段內的流體密度。如圖7所示，下深在600 m時，整體泵效要高于200 m和400 m的情況。但如圖8所示，下深在600 m時氣舉閥開始向油管內注氣的時間點推遲了，這是因為當環空壓力高于氣舉閥開啟壓力時，氣舉閥處油管內壓力仍高于環空壓力，氣體無法從環空進入油管，環空繼續憋壓，直到高于油管內的壓力，氣舉閥才開始注氣。當深度到達800 m時，不僅注氣時間大幅延后，而且由于初始注氣速度過大，導致套壓下降太快，注氣一段時間后環空壓力低于油管內壓力，這樣氣舉閥停止注氣，環空繼續憋壓一段時間后，才重新開始注氣。以系統穩定生產為設計前提，對設計方案進行仿真模擬，可預測各設計方案下油井在氣舉閥開啟前后的動態生產狀況并對可能的失效情況進行預測。

3.2.2 氣舉閥直徑的影響 氣舉閥直徑選為2 mm、4 mm和6 mm。氣舉閥直徑大小會影響到環空進入油管的氣流速度。如圖9所示，氣舉閥直徑為2 mm時，由于注氣速度太小，導致套壓一直升高，沒有起到控制套管壓力的作用。因此，氣舉閥直徑需要根據油井的含氣量大小進行優化設計，以保證氣舉閥的排氣能力與井下分離器的供氣能力相適應。

圖7 不同氣舉閥下入深度下的泵效變化Fig. 7 Relationship of pump efficiency vs. setting depth of gas lift valve

圖8 不同氣舉閥下入深度下的注氣量變化Fig. 8 Relationship of gas injection rate vs. setting depth of gas lift valve

圖9 不同氣舉閥直徑下的注氣量變化Fig. 9 Relationship of pump efficiency vs. dimension of gas lift valve

3.2.3 氣舉閥開啟壓力的影響 氣舉閥開啟壓力選為2 MPa、4 MPa和6 MPa。開啟壓力控制著氣舉閥打開時間。如圖10所示。開啟壓力越高，氣舉閥開始向油管注氣的時間越晚，由于閥前后的壓差更大，初始注氣量更高，造成系統進入穩定狀態所需的時間也越長。因此，氣舉閥開啟壓力不宜過大，但是為了保證氣舉閥開啟時油套間存在壓差，氣舉閥開啟壓力不宜過小，因為開啟壓力太小會限制到氣舉閥的下深，這樣氣舉效果有限。

圖10 不同氣舉閥開啟壓力下的注氣量變化Fig. 10 Relationship of gas injection rate vs. starting pressure of gas lift valve

4 結論

Conclusions

（1）通過耦合地層、井筒流動以及人工舉升設備的工作特性，建立了套管氣輔助舉升工藝的動態分析模型。通過對油井在3種不同狀態下的仿真模擬，驗證了套管氣輔助舉升工藝在提高采油效率和節約生產成本上的可行性。

（2）增加氣舉閥下深有利于降低上沖程液載和提高泵效，但同時會增加氣舉閥啟動難度，嚴重情況下會導致注氣閥不能打開，套管氣輔助舉升工藝無法正常進行。

（3）氣舉閥直徑會影響注氣速度，閥孔直徑太小會導致套壓一直升高，無法起到控制套壓的作用。開啟壓力越高，氣舉閥開始向油管注氣的時間越晚，系統穩定所需要的時間更長；過低的開啟壓力限制了氣舉閥的下深，不利于降低上沖程載荷。

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（修改稿收到日期 2016-11-16）

〔編輯 李春燕〕

A dynamic analysis model used for casing head gas assisted lift technologies

ZHONG Ziyao1, WU Xiaodong1, HAN Guoqing1, LYU Xinrun1, ZHANG Weipeng2

1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China 2. Yanshan University, Qinhuangdao 066000, Hebei, China

It is frequently to adopt casing head gas assisted lifting technology to reduce the adverse effects of gas on pump efficiency in the wells with high gas-liquid ratio and make full use of gas energy. A gas lift valve is lowered to the appropriate depth to re-inject the annulus gas into the tubing. In this way, the systematic efficiency is improved by using the gas lifting principle. However, the source and pressure of casing head gas cannot be controlled artificially, and gas injection pressure and injected gas volume are varied over the time. To verify the rationality of design parameters, a dynamic model was developed for the process of casing gas assisted lifting based on the flowing characteristics of each section in oil production system and the operating characteristics of oil production equipments. In this model, the volume and pressure change of casing head gas caused by downhole separators and gas lift valves are taken into account. Production parameters of oil wells with and without downhole separator and gas lift valve were compared. It is shown that after the casing head gas assisted lifting system is adopted, the pump efficiency of oil wells is improved, the casing pressure is under control and the upstroke load is reduced. It is indicated that casing head gas can be used to assist artificial lift. Finally, the effects of all parameters in the process of oil production were investigated by changing the setting depth, size and starting pressure of gas lift valves. The research results provide the basis for the design of casing head gas assisted lift technologies.

casing head gas; auxiliary lifting; dynamic model; plunger pump efficiency; downhole separator

鐘子堯，吳曉東，韓國慶，呂欣潤，張偉鵬.套管氣輔助舉升工藝動態分析模型［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（1）：71-76.

TE355

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0071 – 06

10.13639/j.odpt.2017.01.014

:ZHONG Ziyao, WU Xiaodong, HAN Guoqing, LYU Xinrun, ZHANG Weipeng. A dynamic analysis model used for casing head gas assisted lift technologies［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 71-76.

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目“典型陸相致密油藏高效開發模式研究”（編號：2015CB250906）。

鐘子堯（1991-），中國石油大學（北京）油氣田開發專業博士研究生，現從事采油采氣工藝的研究工作。通訊地址：（102249）北京市昌平區府學路18號中國石油大學（北京）中油大廈408室。E-mail：zzy_shiyou@163.com