基于生產-注入雙控制間歇氣舉研究及礦場試驗*

張 鵬 蒲春生 王 偉 方志剛

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院 2.中國石油大學(華東) 非常規油氣開發教育部重點實驗室 3.中國石油吐哈氣舉技術中心)

0 引 言

氣舉采油是全球第二大人工舉升方式，按照生產方式的不同，可分為連續氣舉和間歇氣舉兩種基本類型[1-2]。連續氣舉中地層壓力下降或含水升高會導致滑脫損失的增加，進而使注入氣液比升高，舉升效率變差[3-6]。以哈薩克斯坦A油田為例，經過20 a連續氣舉開發，平均注入氣液比已達到1 219 m3/m3，為正常氣液比的2倍[7]，連續氣舉舉升效率大幅下降。間歇氣舉是指周期性短時向井筒內注入大量氣體，通過氣體膨脹能將液體以液柱段塞形式舉升至井口。相比于連續氣舉，間歇氣舉充分利用氣體膨脹能，提高了氣體利用率，從而有效減少井筒內滑脫損失，能夠有效降低注入氣液比并提高舉升效率。

本文基于生產-注氣雙控制間歇氣舉采油模型，分別從間歇氣舉適應性判斷方法、設計方法、配套軟硬件設備及現場制度優化4個方面開展研究和礦場試驗，通過設計優化關鍵參數，運用智能裝置和控制軟件，在提高低產低壓氣舉井的舉升效率方面取得了明顯效果。所得結果對提升管理水平和氣舉井的整體效益開發具有示范作用。

1 間歇氣舉適應性判斷方法

針對連續氣舉井轉間歇氣舉井的問題，首先需要判斷間歇氣舉對該井是否適應，為此，建立了以載荷系數為基礎的適應性判斷方法。

圖1 載荷系數判斷方法流程示意圖Fig.1 Process of load coefficient determination

載荷系數判斷方法流程如圖1所示。該方法以連續氣舉時實測井底流壓作為基準，根據載荷系數計算單循環液量，進而確定單循環注氣量與注氣壓力，求得間歇氣舉生產時的注入氣液比及井底流壓。因此，可由注入氣液比及井底流壓作為判斷條件。

具體判斷方法如下：若間歇氣舉注入氣液比小于連續氣舉注入氣液比，則視為間歇氣舉有效，此時間歇氣舉以節約注氣量為主；若計算間歇氣舉井底流壓小于連續氣舉實測井底流壓，則視為間歇氣舉有效，此時間歇氣舉以增產為主。

2 間歇氣舉設計方法研究

2.1 間歇氣舉舉升過程

單循環液量舉升過程分為液量平衡、舉升及能量積蓄3個過程，如圖2所示。圖2中：Q為單循環舉升液量，Q1為舉升開始時液柱總量，Q2為液面恢復量，Q3為舉升過程中的滑脫液量，pwf為井底流壓。其中，舉升過程伴隨一定漏落液量和能量積蓄的開始，各過程之間相互同步發生。

圖2 間歇單循環液量舉升過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of intermittent lifting process of single-cycle liquid volume

2.2 注氣端控制工藝設計

控制按照注氣端和生產端分為單控制和雙控制方式[8-11]，如圖3所示。

圖3 間歇氣舉控制方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of control method for intermittent gas lift

注氣端控制目的是優化注氣量和注氣時間，提高油井舉升綜合效率。間歇氣舉的產量與注氣深度成正比，隨著注氣深度的增加，所能舉升出的液柱段塞越長，產量越高，對于大多數間歇氣舉井，采用管腳注氣的開式管柱效果更好。由于間歇氣舉井需要液柱段塞的穩定形成和氣體在油套環空內穩定儲集，所以本文建立了一種雙控制方式，即同時控制注氣端和生產端。

2.3 雙控制數學模型建立

雙控制數學模型是根據液柱段塞運行到達井口時，液柱段塞的體積與漏落量所建立的產量模型，如圖4所示。

圖4 注入-生產雙控制數學模型圖Fig.4 Mathematic model of injection-production dual-control

建立日產液量與循環時間及液柱體積之間的關系式，即有：

(1)

V1=V2+V3

(2)

式中：V2為液段在舉升過程中滑脫的體積，V3為關井過程中地層所產的液段體積，V1為開井時需要舉升的液段體積，qf為日產液量，cm為滑脫系數，T為每個循環所需時間。

井下地質情況特殊，在煤礦開采的過程中，煤礦的煤層很容易因為透氣性效果差，達不到預期的抽采效果導致瓦斯聚集量增多，增加煤礦開采過程中的危險。煤層越深瓦斯濃度就越高，給煤礦開采帶來極大的風險，因此，必須抽取瓦斯來控制煤礦開采的安全事故。在煤礦開采過程中利用水力壓裂技術能夠提高煤層的透氣性，延長瓦斯的抽取時間，有效地降低瓦斯含量，減少安全事故的發生率，使煤礦的開采工作能夠安全順利進行。

對于雙控制數學模型，由于液柱段塞上升到井口后，井底流壓降低，從而存在一定時間的自噴期。所以建立的日產液量與時間關系修正式如式(3)所示。

qf=1 440[V1(1-cm)+PI/1 440(pr-pwf)tg]/T

(3)

式中：PI為油井的產液指數，pr為地層壓力，tg為自噴期開井時間。

式(3)即為基于雙控制方式的智能間歇氣舉數學模型。

2.4 平均產液指數設計方法

當油井井底壓力降低至地層靜壓的40%以下時，開始間歇氣舉，假設此時產液指數PI值為常數，稱為平均PI，在此基礎上，基于雙控制數學模型，本文建立了智能間歇氣舉平均PI設計方法，該方法可求得間歇氣舉最優循環時間。

平均PI可表示地層的供液能力，代表日產液量與生產壓差的比值，將每天的產液量換算至每分鐘的產液量，因管徑大小一定，設其橫截面積為Bt，所以通過平均PI可以計算每分鐘生產的液柱高度。

令每分鐘生產的液柱高度為α，則有：

α=PI/(1 440Bt)

(4)

定義沒有液柱下的生產壓差為Δp，則有：

Δp=pr-(Hpt-Hov)ρf-pwhfg

(5)

式中：Hpt為射孔段中深，Hov為工作閥深度，fg為氣體壓力修正系數，ρf為油管中的流體密度梯度，pwh為井口油壓。

(6)

式中：pf為井底流壓。

根據雙控制數學模型，聯立式(1)和式(6)可得到日產液量qf與時間T的關系式，此時日產液量完全與時間相關，因此通過對時間求偏導可得，導數值為0的點對應的產量即為最大產量，對應時間即為間歇氣舉工作的最優循環時間，并通過最優時間可反推單循環液量等參數，以確定間歇氣舉工作制度。平均PI設計方法流程圖如圖5所示。

圖5 平均PI設計算法流程示意圖Fig.5 Process of design algorithm of average PI

循環注氣量按照在井筒平均壓力值和平均溫度條件下需要充滿油管體積(液面所在位置到井口的距離與油管內截面的乘積)所需的氣量來計算。

3 雙控制間歇氣舉設備研究

3.1 間歇氣舉配套硬件

雙控制間歇氣舉地面設備包括控制器、電動球閥、壓力變送器及數據傳輸裝置等[12-14]，其主要參數及功能如表1所示。

表1 雙控制間歇氣舉地面設備參數及功能Table 1 Ground facility of dual-control intermittent gas lift and functions

本文在常規間歇氣舉地面設備的基礎上，研發了雙控制智能控制器。該控制器可實現注氣端和生產端的異步雙控制，在降低成本的同時，圍繞該控制器建立了壓力-時間控制模式，可實現注氣壓力-生產壓力、注氣壓力-生產時間等多種控制模式，大大提高了控制精度。由于氣動薄膜閥的S形過流通道存在冬季節流造成的凍堵問題，所以研制了電動球閥作為執行機構代替氣動薄膜閥。該電動球閥通徑與外輸管通徑一致，有效解決了凍堵問題。智能間歇氣舉配套硬件設備利用Modbus通信協議，通過RS485有線通信方式將信號傳輸至數據傳輸裝置，該裝置將數據整合后通過4G傳輸方式將數據傳輸至專用服務器，經過數據處理，利用TCP/IP協議將數據傳送至電腦或手機客戶端。

3.2 間歇氣舉配套軟件

雙控制間歇氣舉軟件作為氣舉采油物聯網平臺軟件的一部分，其遠程監控及診斷系統界面如圖6所示。通過共享平臺數據庫可實現對間歇氣舉井的實時監控、故障報警、在線優化及遠程控制等功能，有效提高了間歇氣舉井的管理效率。

圖6 雙控制間歇氣舉遠程監控及診斷系統界面Fig.6 Schematic diagram of interface of gas lift remote monitoring and diagnosis system

4 礦場試驗

2020年，采用雙控制間歇氣舉技術在A油田試驗了2口井，其目的是試驗雙控制工作制度和軟硬件功能，調節原則是先讓液段舉升正常，再提高產量，最終達到節氣的目的。

4.1 軟硬件測試及制度調整試驗

H1井調整工作制度3次，制度1按照設計單循環時間運行，載荷系數為0.18～0.19，工況正常，但液段達到井口后自噴期過長；為充分發揮間歇作用，提高產量，減少開井時間，縮短循環周期，調整為按制度2運行，載荷系數變為0.61，液段無法達到井口，工況不正常；循環周期不變，縮短開井時間，減小液注高度，調整為按制度3運行，載荷系數為0.26～0.35，工況正常，產量相對穩定，如表2和圖7所示。

H2井調整工作制度5次，制度1按照設計循環周期88 min運行，間歇后增產明顯；為進一步發揮間歇增產作用，循環時間不變，延長注氣時間10 min，縮短開井時間，調整為按制度2運行，效果不明顯；調整循環周期運行，加大頻次，通過加快頻次、降低流壓達到增產目的，制度3、制度4及制度5注氣時間不變，不斷縮短開井時間(主要縮短無效自噴時間)，產量穩定后按制度5運行，如表2和圖8所示。表2中，H1和H2井工作制度1的注氣端和生產端的開、關井時間為理論設定循環時間。

圖7 H1井間歇前、后及制度優化日產量曲線Fig.7 Daily production curve of Well H1 before and after intermission and system optimization

圖8 H2井間歇前、后及制度優化日產量曲線Fig.8 Daily production curve of Well H2 before and after intermission and system optimization

表2 間歇氣舉井礦場試驗制度優化結果 min

4.2 礦場試驗結果分析

基于生產-注入雙控制間歇氣舉模型和生產制度優化后，單井注入氣液比與連續氣舉相比平均降低1 821 m3/m3，氣舉舉升效率明顯提高。H1井有效運行時間169 d，節氣42%，增產125%，注入氣液比降低74%，累計增產247 t；H2井有效運行時間245 d，節氣33%，增產100%，注入氣液比降低66%，累計增產760 t，如表3所示。

表3 間歇氣舉井礦場試驗效果對比Table 3 Comparison of field test results of intermittent gas lift wells

5 結論及認識

(1)智能間歇氣舉配套硬件日動作頻次為40次以上，運行穩定，每次實時數據采集15 s，斷點率小于1%，執行控制響應時間5 s。現場遠程數據傳輸及控制良好，驗證了軟、硬件傳輸和控制功能的可靠性。

(2)生產-注入雙控制間歇氣舉方式對低產井在增油量、節氣量等方面的提效作用明顯，間歇氣舉模型設計、管柱選擇、控制制度優化以及軟件深度學習等關鍵技術對于降本、增效和節氣都有重要影響，需要持續研究和試驗才能形成較為全面的規律性認識。

(3)隨著油氣井的日趨復雜及氣舉規模的增大，產氣量和氣舉需氣量的矛盾越來越突出，氣舉油田的開發面臨更高要求和挑戰，需要不斷提高氣舉井的舉升效率來達到油氣田持續開發的目的，因此智能化間歇氣舉具有廣闊的應用前景。