氣舉排液優(yōu)化設(shè)計(jì)

李軍亮，廖銳全（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

朱德智（中石化中原油田分公司采油二廠，河南 濮陽(yáng)457001）

氣舉排液優(yōu)化設(shè)計(jì)

李軍亮，廖銳全（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

朱德智（中石化中原油田分公司采油二廠，河南 濮陽(yáng)457001）

氣舉是一種有效的排液方式，可以快速?gòu)氐椎嘏懦鼍卜e液和井底附近地層的液體。研究了氣舉排液的設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上繪制了反映排液量、注氣量、排液深度以及井底流壓之間關(guān)系的圖版。根據(jù)氣舉排液的特點(diǎn)，該圖版對(duì)于同一層位（深度、地層壓力梯度和溫度梯度相似）的油氣井是可以通用的。在確立合理流壓的情況下，根據(jù)該圖版進(jìn)行氣舉排液設(shè)計(jì)，可以大大提高設(shè)計(jì)效率。實(shí)例證明該方法是有效可行的。

氣舉排液；排液量；注氣量；井底流壓；優(yōu)化設(shè)計(jì)

氣舉是通過(guò)環(huán)空將高壓氣體注入油管，降低井筒液體密度，從而將流體舉升到地面的一種采油方式，目前氣舉在國(guó)內(nèi)外油田得到廣泛的應(yīng)用［1，2］。通過(guò)氣舉的方式將氣井積液或者壓裂液等舉升到地面是一種非常有效的排液方式，為此很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究［1～9］。氣舉排液和氣舉采油存在不同點(diǎn)。氣舉采油是一種長(zhǎng)期的生產(chǎn)方式，在其設(shè)計(jì)中產(chǎn)液量是由地層的供液能力決定的，所以不但要考慮地層和井筒之間的供給平衡，還要考慮地層供液能力隨時(shí)間的變化。氣舉排液只是一個(gè)卸載過(guò)程，其目的是排出井筒和井底附近地層的液體，不但要求徹底快速返排，還需要有一個(gè)合理的井底流壓，以防止引起地層出砂、坍塌等。

1 氣舉排液設(shè)計(jì)原理及方法

氣舉排液設(shè)計(jì)主要包括兩方面的內(nèi)容，一個(gè)是置閥深度的設(shè)計(jì)（需要計(jì)算井筒壓力分布和環(huán)空的壓力、溫度分布）；另一個(gè)是氣舉閥參數(shù)設(shè)計(jì)（包括閥孔徑選擇、氣舉閥的打開壓力等）。氣舉閥的分布計(jì)算和連通器的原理相似，不同的是氣體經(jīng)過(guò)氣舉閥的時(shí)候會(huì)有壓力損失，壓力損失的大小和氣體流量、氣舉閥孔徑、氣舉閥上游和下游的壓力有關(guān)。圖1是氣舉設(shè)計(jì)的原理圖。橫坐標(biāo)表示壓力，縱坐標(biāo)表示井深。圖1中有3條曲線，其中曲線S代表環(huán)空注氣壓力分布曲線，可以根據(jù)氣相管流計(jì)算方法得到，比如平均溫度和平均壓縮系數(shù)計(jì)算法、Cullender和Smith計(jì)算方法以及Aziz方法等［2］；在注氣量比較小的情況下，也可以簡(jiǎn)單按照靜止氣柱進(jìn)行計(jì)算。曲線D是井筒壓力分布曲線，可按氣液多相管流計(jì)算方法獲得，如Hagedorn和Brown方法，Orkoszewski方法以及Beggs－Brill方法［3］。影響曲線D形狀的因素主要有產(chǎn)液量以及氣液比。曲線M表示從注氣點(diǎn)到井底的井筒壓力分布；對(duì)于氣舉排液來(lái)說(shuō)，可以看成是單相液體。曲線S和曲線D的交點(diǎn)稱為平衡點(diǎn)，表示油管壓力和套管壓力平衡。為了滿足注氣閥產(chǎn)生的壓差，注氣點(diǎn)要向上移動(dòng)一定的距離。

圖1 氣舉設(shè)計(jì)原理圖

對(duì)于氣舉排液，由于排液量和注氣量都是未知的，先要假設(shè)一個(gè)值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行氣舉排液設(shè)計(jì)和分析。

1）已知井口壓力pwh和啟動(dòng)壓力pso，假設(shè)排液量為Ql，注氣量為Qg，根據(jù)多相管流計(jì)算方法和氣體單相環(huán)空壓力計(jì)算方法求得注氣時(shí)井筒壓力分布和環(huán)空壓力分布。

2）確定頂閥的下入深度。頂閥的下入深度一般是根據(jù)壓縮機(jī)的啟動(dòng)壓力和井筒靜液面深度hs來(lái)確定的。

反之，靜液面較深，在注氣過(guò)程中，液體未從井口溢出，頂閥的下入深度按下式計(jì)算：

式中，L1為頂閥的下入深度，m；hs為靜液面深度，m；pso為壓縮機(jī)啟動(dòng)壓力，MPa；d為油管外徑，m；D為套管內(nèi)徑，m；Δpf1為氣體通過(guò)第1個(gè)氣舉閥的壓力損失，MPa；ρl液體密度，m3/kg；g為重力加速度，m/s2。

3）由頂閥下入深度，根據(jù)井筒壓力分布和環(huán)空壓力分布計(jì)算結(jié)果得到氣舉閥下游壓力（井筒流壓）pt1和氣舉閥上游壓力（環(huán)空注氣壓力）pc1。

4）將啟動(dòng)壓力pso減小0.3～0.5MPa作為第2級(jí)閥的井口注氣壓力pc2，重新計(jì)算環(huán)空壓力分布。當(dāng)下一級(jí)閥打開的時(shí)候，由于油管效應(yīng)等因素會(huì)導(dǎo)致上一級(jí)閥重新打開，所以從第2級(jí)閥開始，注氣壓力要低于上一級(jí)閥的注氣壓力。

圖2 氣舉閥深度計(jì)算示意圖

5）如圖2，當(dāng)?shù)?個(gè)閥進(jìn)氣時(shí)，第1個(gè)閥關(guān)閉，由壓力平衡關(guān)系可知：

式中，Δpf2為氣體通過(guò)第2個(gè)氣舉閥的壓力損失。

則第2個(gè)氣舉閥的置閥深度為：

依此類推，則第n個(gè)氣舉閥的置閥深度應(yīng)為：

氣舉排液一般要求快速、徹底地將井筒內(nèi)和井底附近的液體排出，這就需要一個(gè)相對(duì)較大的排液量和排液深度。但是排液量和排液深度太大會(huì)導(dǎo)致井底流壓過(guò)低，從而引起地層出砂或者地層坍塌。根據(jù)最深注氣閥處的井筒流壓ptn，利用單相管流公式可以計(jì)算出井底流壓pwf。

式中，H為井深，m；f為摩擦阻力系數(shù)；v為液體流速，m/s。

對(duì)于氣舉閥孔徑以及充氮壓力的計(jì)算方法和氣舉采油一樣［4］，不再敘述。

2 氣舉排液影響因素分析

從以上設(shè)計(jì)過(guò)程可以看出，在注氣壓力一定的情況下，產(chǎn)液量和注氣量決定了油管壓力分布和環(huán)空壓力分布，從而決定了氣舉閥的數(shù)量、各個(gè)氣舉閥的置閥深度、氣舉閥的參數(shù)以及井底流壓。如果限定了氣舉閥的數(shù)量，那么排液量、注氣量、排液深度和井底流壓是相互影響的。為了確認(rèn)合理的產(chǎn)液量和注氣量，采用實(shí)例分析排液量、注氣量、排液深度以及井底流壓之間的關(guān)系。

A井為低滲透油井，井深3150m，地層壓力30MPa，封隔器下深2900m，油管外徑72mm，套管內(nèi)徑107mm；采用壓裂措施進(jìn)行投產(chǎn)，壓裂后進(jìn)行壓裂液返排，壓裂液相對(duì)密度是1.01，啟動(dòng)壓力15MPa；設(shè)定3個(gè)氣舉閥，閥間壓差0.35MPa。按照上述設(shè)計(jì)方法，改變注氣量和產(chǎn)液量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 氣舉排液設(shè)計(jì)圖版

圖3中上部分圖版表示隨著注氣量的變化，不同排液量所對(duì)應(yīng)的排液深度的變化；下部分圖版表示隨著注氣量的變化，不同排液量所對(duì)應(yīng)的井底流壓的變化。

從圖3可以看出，當(dāng)排液量一定時(shí)，隨著注氣量的增加，排液深度增加，井底流壓降低；對(duì)于一定的注氣量，排液量越大，排液深度越小，井底流壓越大。所以為了維持一定的井底流壓，只有通過(guò)增大注氣量來(lái)提高排液速度。

在氣舉排液設(shè)計(jì)中，地層壓力和井深決定了靜液面的深度，靜液面深度變化不大時(shí)不會(huì)影響設(shè)計(jì)結(jié)果。同樣地層溫度和井深影響著置閥深度處的溫度，從而影響氣舉閥的地面充氮壓力。對(duì)同一地層，如果其井深、地層壓力梯度以及地層溫度梯度變化不大時(shí)，一口井的排液量、注氣量、排液深度和井底流壓的相對(duì)關(guān)系可以在其他井采用。

3 計(jì)算實(shí)例

A井基本數(shù)據(jù)如上，為了防止地層坍塌，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取井底流壓25MPa，要求排液量達(dá)到200m3/d。根據(jù)圖3可知需要注氣量為8560m3/d。在已知注氣量和排液量的情況下，根據(jù)氣舉排液設(shè)計(jì)方法，得到結(jié)果如表1。

表1 設(shè)計(jì)結(jié)果

同樣，如果對(duì)排液量和井底流壓有不同的要求，則可以根據(jù)圖3再次查出需要的注氣量，然后進(jìn)行氣舉排液設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

氣舉排液不同于氣舉采油，氣舉排液一方面要快速?gòu)氐椎嘏懦鼍埠偷貙拥囊后w，另一方面又要維持一定的井底流壓，防止地層出砂和坍塌。計(jì)算的氣舉排液設(shè)計(jì)圖版可以應(yīng)用在井深、地層壓力梯度和溫度梯度相近的油氣井上。在確定合理的井底流壓的情況下，通過(guò)圖版可以快速確定排液量以及注氣量，從而大大提高氣舉排液設(shè)計(jì)的效率。但是該圖版只給出了注氣量、排液量、井底流壓以及排液深度之間的關(guān)系，沒(méi)有涉及到注氣點(diǎn)以上各級(jí)氣舉閥，所以該圖版有待于在以后的研究中進(jìn)一步完善。

［1］萬(wàn)仁溥.采油工程手冊(cè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2003.

［2］楊繼盛.采氣工藝基礎(chǔ)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1992.

［3］陳家瑯，陳濤平.石油氣液兩相管流［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2010.

［4］K.E.布朗.升舉法采油工藝（卷二）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1987.

［5］常力，雷宇，劉小平.丘陵油田氣舉采油優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，22（3）：69～71.

［6］伊向藝，盧淵，馬紅梅.吐哈油田氣舉采油適應(yīng)性分析［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，31（6）：730～732.

［7］劉三威.氣舉井動(dòng)態(tài)測(cè)試分析與應(yīng)用研究［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，25（3）：98，104.

［8］賈浩民，李治，張耀剛，等.氣舉排水采氣工藝技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.石油化工應(yīng)用，2010，29（12）：35～38.

［9］汪海，鮑志強(qiáng)，欒艷春，等.氣井氣舉閥氣舉排液采氣工藝參數(shù)設(shè)計(jì)研究［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2005，28（2）：35～38.

Optimized Design of Gas－lifting and Fluid Withdrawing

L
I Jun－liang，LIAO Rui－quan，ZHU De－zhi（First Author's Address：College of Petroleum Engineering，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

The gas－lift was an effective fluid－withdrawing technique，by which the liquid in wellbore and nearby the bottomhole could be rapidly and completely withdrawn.The design method of airlift and fluid discharge was studied.On the basis stated above，a chartboard was drawn to reveal the relationship between fluid discharge rate，gas injection rate，fluid discharge depth and bottomhole flow pressure.According to the characters of gas－lift and fluid discharge，the chartboard was general for all wells in the same layer with the similar depth of stratum（including depth，formation pressure gradient and temperature gradient）.When the reasonable BHFP is determined，the chartboard is used to design the gas－lift and fluid discharge，it can be used for greatly improving the efficiency.It is demonstrated that the method is effective and feasible.

gas lifting and fluid discharge；fluid discharge rate；gas injection rate；bottom hole flowing pressure；optimized design

TE355.3

A

1000－9752（2012）06－0141－04

2011－10－08

李軍亮（1977－），男，2001年大學(xué)畢業(yè)，博士，講師，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)教學(xué)和科研工作。

［編輯］ 蕭 雨