海上油田連續油管氣舉工藝參數設計方法

蘇作飛，張成富

（中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452）

在海上油氣田開發中，連續油管氣舉是油氣井井筒排液的重要措施，在油氣井投產誘噴以及氣井后期排液復產中應用廣泛[1]。目前，現場常用的作業方式為逐級增加注氣深度，進行不同深度處的定點氣舉排液。下入深度及注氣量等參數將直接影響連續油管氣舉的效果，現場施工過程中常常根據經驗設定這些參數，缺乏理論依據。為了指導現場操作并保證作業效果，需要對注氣深度、注氣壓力與注氣量等參數進行優化設計。

1 連續油管氣舉工藝

1.1 工藝原理

將連續油管通過井口防噴器下入生產管柱后，通過連續油管向井筒中注入高壓氣，注入氣與井筒流體混合，使氣液混合以降低管柱內液柱的密度，提高舉升液體能力。當井底壓力降至足以形成生產壓差時，就造成類似于自噴排液的情況，使井底產出液體通過井筒排出地面。

圖1 作業過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of operation process

1.2 作業設備

連續油管氣舉作業設備主要包括膜制氮設備、連續油管設備（動力撬、操作間及滾筒）、注入頭、鵝頸管、防噴盒、防噴器。膜制氮設備有1800m3/h、1200m3/h、900m3/h、600m3/h幾種排量規格，最大供氣壓力一般為35MPa；海上常用連續油管外徑尺寸有50.8mm、44.5mm、38.1mm、25.4mm，同時還有9.5mm和19.1mm兩種小尺寸型號。

1.3 基本作業過程

利用連續油管作業設備將連續油管經過井口防噴裝置從生產油管內下入，在到達預定位置后，由膜制氮設備通過連續油管將高壓氮氣（N2）注入到預定深度，完成相關作業要求[2]。

1.4 工藝設計內容

連續油管氣舉的工藝設計內容包括：①作業設備選型，具體包括氣源類型、氣源設備以及連續油管尺寸等；②最深注氣點深度及在最深注氣點處的注氣量設計、注氣壓力預測及排液量預測；③各級卸載注氣點連續油管下深設計。

2 連續油管出口壓力與下入深度的關系

要進行連續油管氣舉排液的工藝參數優化設計，需要確定連續油管出口的壓力隨下入深度的變化情況。連續油管氣舉作業時一般維持地面注氣壓力穩定，這樣在恒定的連續油管地面入口壓力條件下，計算連續油管不同下入深度時的井下出口的壓力即可。

無論連續油管下入到什么位置，氮氣在連續油管內流動的沿程長度一致，但隨著連續油管下深增大，重力導致的壓力梯度會逐漸增大，所以隨著下入深度的增加，井下出口壓力會逐漸增大。在已知地面入口壓力及注氣量的條件下，可以利用平均溫度和平均氣體偏差系數計算方法或者Cullender和Smith計算方法以及Aziz計算方法，通過計算機程序計算得到[3,4]。以44.5mm連續油管為例，在相同的地面注氣壓力（15MPa）條件下，計算得到注氣量分別為10000m3/d、20000m3/d、30000m3/d時的連續油管在不同下深時的出口壓力，畫出連續油管出口壓力隨下入深度的變化曲線，如圖2。從圖2可以直觀地看出，在正常的注氣量范圍內，連續油管出口的壓力與下入的垂深的關系曲線基本為一條直線。

圖2 連續油管（外徑44.5mm）出口壓力隨深度的變化曲線Fig.2 The outlet pressure curve of coiled tubing (1.75in.) with depth

3 連續油管氣舉工藝設計方法

連續油管氣舉作業設備一般根據海上平臺空間、平臺吊車能力、油氣井工況條件（井深、生產管柱尺寸、設計配產）、連續油管設備當前狀態（占用/空閑）進行選擇，下面主要討論各級注氣深度、地面注氣壓力、注氣量、排液量的優化計算方法。

1）最大注氣深度的確定

最大注氣深度取下面3個深度的最小值：

① 連續油管的最大下深。考慮連續油管的長度以及連續油管設備作業能力允許的最大下深確定的連續油管最大下深，可以根據目標井的具體井眼軌跡及生產管柱通過下入模擬分析得到確定的最大下深。

② 目標井井筒所允許的最大下深。如果目標井生產管柱中的井下工具存在縮徑，可能會限制連續油管工具串通過；另外，為了避免注入氣進入地層，最深注氣點一般在儲層垂深100m以上。

③ 地面氣源允許的工作壓力所能達到的最大下入深度。隨著注氣深度的增加，井筒流壓逐漸增大，所需的地面入口壓力也相應增大，計算在恒定地面注氣壓力下不同下深時連續油管出口壓力與油管中流壓曲線的交點，即為該地面注氣壓力下的連續油管最大下深。

2）地面注氣壓力、注氣量以及排液量的確定

特定注氣壓力與注氣量下的排液量可按照文獻[5]所述方法進行計算，需要注意的是注氣點以上的流動通道為連續油管與生產油管的環空，從而計算得到在連續油管最大下深限制條件下，不同地面注氣壓力時理論排液量隨注氣量的變化曲線。

典型的不同注氣壓力下排液量隨著注氣量的變化曲線如圖3。在一定地面注氣壓力下，隨著注氣量的增加，排液量也逐漸增大（此時注氣深度也隨之增加），但是增長的趨勢放緩；注氣量一定時，注氣壓力越大，排液量越大；當注氣壓力增大到一定程度時，再增大注氣壓力，排液量也不會增加（此時注氣深度已達最大值）。

圖3 不同注氣壓力下排液量隨注氣量的變化曲線Fig.3 The curve of liquid production rate with gas injection rate under different gas injection pressures

一般來講，誘噴氣舉設計應盡量提高理論排液量。根據圖3所示排液量隨注氣壓力與注氣量的變化關系，在地面氣源可滿足的條件下，選擇可實現最大注氣深度的注氣壓力，注氣量選擇排液上升放緩的階段。

3）各級注氣點位置的確定

① 第一級注氣點位置計算：

第一級注氣深度分兩種情況計算。

第一種情況：氣舉過程中，氣體進入油管前，井口有產液流出。此時第一級注氣深度（垂深）計算公式為：

式（1）中：L1為第一級注氣深度，m；Pko為氣舉時井口最大注氣壓力，MPa；Pwh為氣舉井口油壓，MPa；Gl為連續油管與生產油管環空中液體壓力梯度，MPa/m；Gg為連續油管中氣體壓力梯度，MPa/m。

在氣舉過程中，氣體從連續油管進入井筒前，井口未有產液流出，則第一級注氣點位置深度計算公式為：

式（2）中，hs為靜液面深度，m；dti為油管內徑，mm；dcto為連續油管外徑，mm。

② 其他的注氣點位置計算：

第i級注氣點處連續油管出口壓力Pcti可由式（3）表示：

第i級注氣點處油壓Pti可由式（4）表示：

第i級注氣點處連續油管出口壓力和油管壓力平衡可得到等式（5）：

整理得到第二級及其以下注氣點連續油管下深Li的計算公式為：

式（6）中：Li為第i級連續油管下入深度，m；Li-1為第i-1級連續油管下入深度，m；Pcti為第i級注氣點處連續油管出口壓力，MPa；Pt(i-1)為第i-1級注氣點處卸載后油管壓力，MPa。

通過式（1）、式（2）和式（6）可以確定各級注氣點的位置。

4 工藝設計實例

以海上某油井連續油管氣舉誘噴工藝設計為例，說明計算過程。該井為一口定向井，投產時因為井筒中充滿壓井液，需要連續油管氣舉排液誘噴，實現自噴生產。其主要參數如下。

①儲層中深（斜深/垂深）：4524.10 m/3856.33m；②儲層靜壓：36.8MPa；③儲層溫度：154℃；④產液指數：10.4m3/(d·MPa)；⑤油管外徑：88.9mm；⑥產液含水：100%（按返排壓井液考慮）；⑦氣油比：0m3/m3（按返排壓井液考慮）；⑧氣源情況：氮氣，最高供氣壓力35MPa；⑨卸載油壓：3.0MPa；⑩主要的井下工具及內徑、下深：油管掛（內徑76.2mm，下深20m）、井下安全閥（內徑71.45mm，下深235m）、滑套（內徑71.45mm，下深3017m）、生產封隔器（內徑76mm，下深4496m）、帶孔管（內徑76mm，下深4555m）、圓頭引鞋（下深4558m）。

該井完井管柱中沒有影響連續油管下入的井下工具，同時氣源設備為氮氣壓縮機，最高壓力可達35MPa，注氣深度可達生產層位，所以連續油管作業設備的最大下深為主要限制因素。連續油管長度一般為3500m～4500m，為了安全起見，最大下深定為3000m。

在此深度下，分析不同注氣壓力和注氣量下的返排液量（見圖4），要實現在連續油管最大下入深度3000m處注氣，地面連續油管入口注氣壓力需要達到10MPa。考慮膜制氮設備供氣能力，注氣量設計為20000m3/d，此時理論排液量約為140m3/d。所以設計地面注氣壓力10MPa，注氣量20000m3/d，排液量140m3/d。

圖4 不同連續油管入口壓力下排液量隨注氣量的變化曲線Fig.4 Variation curve of liquid rate with gas injection rate under different inlet pressure of coiled tubing

利用式（1）和式（6）計算各個連續油管下入位置深度，得到各級注氣點的垂深依次為：865m、1539m、2106m、2594m。

整理得到該井連續油管氣舉排液誘噴的工藝參數見表1。

表1 連續油管氣舉誘噴工藝參數設計結果Table 1 Results of process parameters design for gas lift by coiled tubing

5 結論

本文提出一種連續油管氣舉排液的工藝參數優化設計方法，分析了在恒定入口壓力條件下連續油管出口壓力隨連續油管下入深度的變化規律，明確了連續油管氣舉排液工藝方案的設計內容，給出了確定最大注氣深度需要考慮的因素，地面注氣壓力、注氣量以及排液量的確定方法與連續油管各級下深的計算公式，并以一口井為例演示了設計過程與結果。該方法已在國內渤海、東海及南海海域多口油氣井誘噴中應用，現場應用效果良好。