高含蠟油井射流泵舉升參數優化設計

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

在原油生產開發過程中，含蠟量高且析蠟點較高的油田普遍存在井筒結蠟的問題。當油井結蠟時，會影響單井產液能力，嚴重時會導致井筒堵塞，從而增加作業次數，影響生產平穩運行。據統計，中海油在中國海上主要的產油地區和國外開發區塊的部分油田都存在結蠟問題。對于海上結蠟油井，一般采用潛油電泵開采，并配套相應的清防蠟工藝措施。目前，海上油田常用的清防蠟工藝主要有隔熱油管、熱化學解堵、化學藥劑、熱流體循環等，清蠟周期較短，作業頻次高，油田生產成本較高。

K油田儲層埋深2200m左右，析蠟點高達63℃，凝固點43℃，屬于高凝高含蠟油田。如采用電泵舉升工藝開采，生產過程中將面臨嚴峻的清防蠟問題，影響油田的開發效益。綜合考慮油田油藏開發方案、采油工藝需求以及地面工程配套設備，在開發前期考慮射流泵舉升工藝，可通過優化動力液溫度提升井筒產出液溫度，使得混合動力液之后的井筒產出液的含水率和流速大幅提升，從而有效減少井筒蠟沉積，保證油井穩定高效運轉。但是如何通過優化射流泵舉升參數來防治井筒結蠟問題是亟待解決的關鍵問題。為此，筆者建立了射流泵井井筒溫度計算模型，通過優化設計射流泵舉升工藝參數，以達到油井防蠟的目的，確保油田高效穩定生產。

1 射流泵舉升防蠟機理

射流泵是利用射流原理將注入井內的高壓動力液的能量傳遞給地層產出液的采油設備。射流泵沒有運動部件，結構緊湊，泵排量范圍大，管理免修期長，適用范圍廣，多用于含砂較高的油井，特別是當其用蒸汽、稀油、熱水作動力液時，可用于稠油井和結蠟井，可使稠油降黏和防蠟。文獻[1～3]研究了利用蒸汽作為動力液為原油提供舉升能量，提升井筒內原油溫度，提高井筒流體流動性；文獻[4～8]利用射流泵獨特的抽油工藝特點，將其用于稠油井、高凝油井、高含蠟井、含硫稠油井、超深井、大排量油井；文獻[9]針對淺海油田采用簡易衛星平臺開發方式，設計了海上油田水力射流泵采油系統；文獻[10～12]為解決海上稠油舉升面臨的井筒降黏問題，采用稀油作為動力液的射流泵舉升工藝，在旅大油田成功應用，為類似油田的后續開發積累了經驗。基于K油田原油高凝高含蠟的特點，擬采用反循環鋼絲投撈式射流泵。

圖1 含蠟原油動態析蠟特性評價實驗裝置

1.1 提高井筒產出液溫度

通過提高動力液注入溫度，提升與動力液混合后的產出液溫度。當井筒流體的溫度高于析蠟點時，井筒內無蠟晶析出，流體的流動性得以提高。

圖2 不同含水率、流量條件下試驗管段結蠟質量

1.2 提高井筒產出液含水率和流速

為評價井筒動態結蠟規律，設計并建設了含蠟原油動態析蠟特性評價試驗裝置[13]，通過試驗樣品循環路線(儲液罐中的含蠟原油過蠕動泵泵入油管中，流經管匯回到儲液罐，模擬井液流動狀況)和恒溫水浴循環路線(油管與套管之間的環空與恒溫水浴相連，用來模擬油管外的溫度狀況)來實現模擬不同含水率、流速、溫度和油壁溫差等條件下井筒內壁動態結蠟規律。

運用圖1所示的含蠟原油動態析蠟特性評價實驗裝置模擬了不同含水率、流量條件下樣品結蠟狀況，結果見圖2。由圖2可以看出，隨著含水率的增加，結蠟質量越來越低；隨著流量的增加，剪切剝離作用逐漸加強，結蠟質量先增加后減少，最終趨于穩定。

對于射流泵舉升油井，動力液與地層產出液混合后，流體當量熱值變大，混合產出液的流速增加，井筒中的熱損失小，油流在井筒內得以保持較高的溫度，使得蠟不易析出。另一方面，由于流速高，對管壁的沖刷作用強，使蠟不易沉積在管壁上，并且能有效地將析出的蠟攜帶至井口。

此外，動力液與地層產出液混合后，混合產出液的含水率變大。含水率增高后，對結蠟產生2個方面的影響：一是水的比熱容大于油，可減少流體溫度降低；二是含水率增加后易在管壁形成連續水膜，不利于蠟的沉積。所以，隨著油井含水率的增加，結蠟程度有所減輕。

2 射流泵井井筒流體溫度場計算模型

射流泵井井筒流體溫度場計算模型包括井底至下泵深度處流體溫度計算模型、下泵深度至井口流體溫度計算模型、射流泵內流體溫度場模型。井筒流體溫度場建模坐標示意圖見圖3。

圖3 井筒流體溫度場建模坐標示意圖

2.1 井底至下泵深度處流體溫度計算模型

地層產出流體沿著井筒向上流動至摻入點，以井底為坐標原點，垂直向上為正。該段的井筒流體溫度計算公式[14]為：

(1)

式中：t1為井底至下泵深度處產出液的溫度，℃；m為地溫梯度，℃/m；W2為地層產出液的水當量，W/℃；K2為套管內產出液與地層的換熱系數，W/(℃·m)；l1為井底至下泵深度段井底向上的高度，m；tr為地層溫度，℃。

2.2 下泵深度至井口流體溫度計算模型

根據能量守恒定律，以井口為坐標原點，沿井筒垂直向下為正(見圖3)，該段的微分方程為：

(2)

解方程(2)得：

(3)

其中：

(4)

式中：t2為下泵深度至井口段產出液的溫度，℃；K1為油管內外的傳熱系數，W/(℃·m)；t2zr為下泵深度至井口段注入液的溫度，℃；t0為地表溫度，℃；W1為注入動力液的水當量，W/℃；W為注入動力液與地層產出液的混合流體的水當量(W=W1+W2)，W/℃；l2為下泵深度至井口段從井口向下的深度，m；C1與C2的值可由邊界條件確定，初始邊界條件為：

(5)

式中：hj為射流泵下泵深度，m；tinj為井口注入動力液溫度，℃；t2(hj)、t1(hj)、t2zr(hj)分別為混合產出液、地層產出液、注入動力液在下泵深度處的溫度，℃。

2.3 射流泵內流體溫度場模型

流經導流罩的地層產出液與流經噴嘴的注入動力液在喉管處混合，該處溫度場、流場、壓力場非常復雜，初始邊界條件中混合液在下泵深度處的溫度t2(hj)的計算方法無法準確描述射流泵對溫度場的影響。因此，筆者運用Fluent軟件建立了射流泵模擬模型[15～19](見圖4)。

通過改變下泵深度處動力液溫度、動力液量、地層產出液量和地層產出液溫度，計算泵出口處混合產出液的溫度，計算結果收斂圖如圖5所示，計算結果云圖如圖6所示。

運用Mathematica軟件，基于Levenberg-Marquardt最優化算法，回歸得到了泵出口處混合產出液溫度與下泵深度處動力液溫度、動力液量、地層產出液量和地層產出液溫度的關系:

(6)

式中:a、b、c為修正系數,a=-0.059，b=0.00189，c=-0.00171。

圖4 Fluent軟件模擬模型示意圖

圖5 Fluent軟件模擬模型計算結果收斂圖

圖6 Fluent軟件模擬模型計算溫度云圖

不同方法計算流經射流泵后的混合液溫度的結果如圖7所示。由圖7可以看出，式(6)的擬合結果與Fluent模擬結果基本重合，能夠準確地反映注入動力液與地層產出液經射流泵混合后的溫度。因此，方程組(5)修正后的邊界條件為：

(7)

3 射流泵井井筒流體溫度場敏感性分析

圖7 不同方法計算流經射流泵后的混合液溫度

圖8 不同注入動力液量條件下井筒流體溫度隨井深的變化關系

3.1 注入動力液量

在油井產油量為50m3/d、不含水條件下，以水為動力液，動力液注入溫度為70℃，下泵深度為1800m，注入動力液量分別取100、200、300、400、500m3/d進行敏感性分析，結果見圖8。由圖8可見，隨著注入動力液量增加，混合產出液溫度逐漸升高；當動力液量達到400m3/d時，井筒流體溫度高于63℃，滿足防蠟要求。

3.2 注入動力液溫度

在油井產油量為200m3/d、不含水條件下，注入動力液量為200m3/d，下泵深度為1800m，注入動力液溫度分別取55、60、65、70℃進行敏感性分析，結果見圖9。由圖9可見，隨著注入動力液溫度增加，混合產出液溫度逐漸升高；當注入動力液溫度達到65℃時，井筒流體溫度高于63℃，滿足防蠟要求。

3.3 下泵深度

在油井產油量為100m3/d、不含水條件下，注入動力液量為100m3/d，注入動力液溫度為70℃，下泵深度分別取600、1000、1400、1800、2000m進行敏感性分析，結果見圖10。由圖10可見，隨著下泵深度的增加，混合產出液溫度逐漸升高；當下泵深度達到1400m時，井筒流體溫度高于63℃，滿足防蠟要求。

4 K油田射流泵舉升防蠟工藝設計

K油田在開發生產過程中，部分井因產液量較低，存在結蠟風險。受地面工程因素制約，井口最大注入壓力為20MPa，最大注入溫度為75℃。以K12井為例，該井產油量為117m3/d(不含水)，生產氣油比為41.5m3/m3，下泵深度為1611m，泵型為E-9，注入動力液溫度為70℃，注入動力液量為191m3/d。經計算，該井井筒流體溫度結果見圖11。由圖11可見，井筒流體溫度低于63℃，存在析蠟風險，與實際相符。

圖9 不同注入動力液溫度條件下井筒流體溫度 圖10 不同下泵深度條件下井筒流體溫度 隨井深的變化關系 隨井深的變化關系

根據上述敏感性分析結果，重新對K12井進行優化設計。受井身結構限制，該井無法提高下泵深度，考慮同一井場注入溫度要求，如提高注入動力液溫度，成本花費大。因此，選擇依靠提高注入動力液量確保井筒流體溫度高于析蠟溫度。優化設計后，泵型為F-9，注入動力液溫度為70℃，注入動力液量為303m3/d。采用優化設計參數計算井筒流體溫度結果如圖12所示，井筒流體溫度高于析蠟溫度，滿足生產要求。

圖11 K12井井筒流體溫度隨井深的變化關系 圖12 優化設計后K12井井筒流體溫度 隨井深的變化關系

5 結論

1)建立了射流泵舉升工藝井筒流體溫度計算模型，運用Fluent軟件，基于Levenberg-Marquardt最優化算法，回歸了泵出口處混合產出液溫度與注入動力液參數、地層產出液參數之間的關系式，并以此為邊界條件求解射流泵井筒流體溫度模型。

2)提高注入動力液量和溫度、下泵深度，混合產出液溫度逐漸升高，可以通過優化設計射流泵舉升工藝參數，達到防蠟目的。