長慶油田采油井套管氣壓對油井產(chǎn)量的影響

林鑫 （中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安710021）

白劍鋒 （西安長慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安710018）

曾萍 （中石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 靖邊718500）

巨江濤 （中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安710021）

楊利 （中國石化陜西石油分公司，陜西 西安710003）

李德倫 （中海油 （中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江524057）

卜盼盼，任曉宇 （中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安710021）

為促進(jìn)長慶油田節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展，提升油田開發(fā)水平和綜合效益，長慶油田公司特立項(xiàng)開展了油田伴生氣資源的有效回收利用研究。目前，長慶油田主要采用定壓閥回收、打氣泵抽氣、單獨(dú)敷設(shè)集氣管線及同步回轉(zhuǎn)油氣混輸裝置等4種采油井套管伴生氣回收工藝技術(shù)。套管氣定壓回收工藝由于具有工藝簡單、成本低等技術(shù)特性正成為長慶油田大面積推廣的一種有效的套管伴生氣回收工藝［1］。該工藝是將定壓放氣閥安裝在套管與單井出油管線之間，通過設(shè)定合理的套壓定值，當(dāng)套管壓力超過設(shè)定壓力后，定壓閥打開，套管內(nèi)伴生氣進(jìn)入出油管線，從而達(dá)到有效回收套管氣的目的。圖1為套管氣定壓回收工藝原理圖。

套管氣定壓回收工藝的應(yīng)用是以不影響油井產(chǎn)量為前提，資料表明套管氣壓過高會(huì)對油井泵況產(chǎn)生影響，從而影響油井產(chǎn)量［1，2］。因此，為推廣套管氣定壓回收工藝在長慶油田的應(yīng)用，提高長慶油田采油井套管伴生氣的回收利用，就采油井套管氣壓對油井產(chǎn)量的影響進(jìn)行了探討。

圖1 套管氣定壓回收工藝原理圖

1 套壓對油井產(chǎn)量影響

1．1 套壓對井底流壓影響

根據(jù)達(dá)西定律，油井井底產(chǎn)量可表示為［3］：

式中：qo為油井井底產(chǎn)量，m3／s；J為采油指數(shù)，m3／（s·MPa）；珚pr、pwf分別為井區(qū)平均油藏壓力、井底流動(dòng)壓力，MPa。

由式（1）可知，油井井底產(chǎn)量與生產(chǎn)壓差成正比。由于井區(qū)平均油藏壓力珚pr在一定時(shí)間內(nèi)保持不變，所以井底流壓越低，油井井底產(chǎn)量越高；井底流壓升高，油井井底產(chǎn)量降低。

含水油井正常抽汲時(shí)，其油套環(huán)空中的油水界面穩(wěn)定在泵的吸入口處 （圖2），因此抽油機(jī)井井底流壓可表示為［3］：

圖2 含水抽油機(jī)井油水界面

式中：pc、pg、pog、pogw分別為套壓、氣柱段壓力、油氣段壓力（泵吸入口至動(dòng)液面壓力）、油氣水段壓力（泵吸入口至油層中部深度壓力），MPa。

由于pg≈0，所以，抽油機(jī)井井底流壓可近似表示為：

根據(jù)圖2中顯示的流體分布狀態(tài)還可知：

式中：Dp、Dpf、Dom分別為泵掛深度、動(dòng)液面深度、油層中部深度，m；珋ρog、珋ρogw分別為泵吸入口以上環(huán)形空間油氣段平均密度、井內(nèi)油氣水段混合物平均密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2。

由式（5）可知，油氣水段壓力pogw與油氣水段混合物的平均密度珋ρogw成正比，而珋ρogw是含水率和氣油比的函數(shù)，因此含水低，氣油比高，則pogw??；含水高，氣油比低，則pogw大。由此可見，pogw一般不隨套壓而變化。當(dāng)油井穩(wěn)定在某一套壓下正常生產(chǎn)時(shí)，由于pogw不隨套壓發(fā)生變化，因此由式（2）可知，只有pg和pog隨pc變化。當(dāng)油井保持高套壓pc，h生產(chǎn)時(shí)，則氣柱段伸長（氣柱段長度未超過泵掛深度），動(dòng)液面變深，油氣段短，油氣段壓力pog1??；當(dāng)油井保持低套壓pc，l生產(chǎn)時(shí)，則氣柱段縮短，動(dòng)液面變淺，油氣段長，油氣段壓力pog2大。因此由式（3）可知，油井在穩(wěn)定套壓下生產(chǎn)時(shí)，氣柱段與油氣段壓力之和保持不變［4］，即：

結(jié)合式（6）和式（3）可知，當(dāng)油井在保持某一套壓下穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)，抽油機(jī)井井底流壓保持不變。由于在一定時(shí)間內(nèi)，地層壓力保持不變，所以油井生產(chǎn)壓差也不變，油井井底產(chǎn)量也基本不變。

1．2 套壓對深井泵泵效影響

前面論述了當(dāng)油井保持穩(wěn)定套壓生產(chǎn)時(shí)，其井底產(chǎn)量基本不受影響。而對于抽油機(jī)，其井口實(shí)際產(chǎn)量可表示為［3］：

式中：Q為油井實(shí)際產(chǎn)液量，m3／d；η為泵效，%；Ap為泵柱塞截面積，m2，Ap＝πD2／4；D 為泵徑，m；s為光桿沖程，m；N 為沖次，min－1。

由式（7）可知，Ap、s、N為固定常量，因此抽油機(jī)井實(shí)際產(chǎn)量主要由深井泵泵效決定。根據(jù)深井泵的工作特點(diǎn)，影響深井泵泵效的因素歸結(jié)如下［3］：①抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮影響；②漏失影響；③氣體和充不滿的影響。其中①項(xiàng)和②項(xiàng)分別受抽油桿柱的力學(xué)特性及深井泵的結(jié)構(gòu)性能影響而不常改變，因此工程技術(shù)人員通常采取減少進(jìn)泵氣量，提高泵的充滿程度來提高深井泵泵效。

減少進(jìn)泵氣量來提高泵效的主要做法是對泵進(jìn)行改造或在泵下安裝分氣設(shè)備，使氣體進(jìn)入油套環(huán)空而不進(jìn)入泵腔內(nèi)［3］。套管氣定壓回收工藝由于在套管口安裝有定壓閥，因此當(dāng)氣體進(jìn)入油套環(huán)空后，將在油套環(huán)空上部形成具有一定壓力的氣柱。隨著環(huán)空中氣體量的增加，套管壓力上升，氣柱伸長，當(dāng)動(dòng)液面未達(dá)到泵口前，泵口處的壓力不變，氣體進(jìn)泵與進(jìn)入油套環(huán)空的比例幾乎不變，泵效不受影響［5］；當(dāng)氣柱長度等于泵掛深度后，氣體幾乎全部進(jìn)入泵腔，造成“氣鎖”現(xiàn)象，從而降低抽油機(jī)井產(chǎn)量。因此，使用套管氣定壓回收工藝，必須設(shè)置合理的套壓值。

通過以上分析，認(rèn)為套管氣定壓回收工藝的設(shè)定壓力即套壓pc必須小于抽油機(jī)井泵口壓力pp，若設(shè)定套壓大于或等于泵口壓力，則會(huì)造成氣體進(jìn)泵，降低泵效，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生“氣鎖”現(xiàn)象，造成油井停產(chǎn)。

2 實(shí)例計(jì)算

綜上所述，抽油機(jī)井泵口壓力即為套壓設(shè)定的臨界值，即當(dāng)套壓pc＜pp（抽油機(jī)井泵口壓力）時(shí)，采油井產(chǎn)量不受套壓影響；當(dāng)套壓pc≥pp時(shí)，采油井產(chǎn)量受套壓影響。目前長慶油田抽油機(jī)井計(jì)算泵口壓力的經(jīng)驗(yàn)公式為［2］：

式中：R為生產(chǎn)氣油比，m3／t；a為天然氣溶解系數(shù)，m3／（m3·MPa）；pp為泵口壓力，MPa；Bo為原油體積因數(shù)，1；fw為含水率，%。

由式 （8）可知，掌握某區(qū)塊抽油機(jī)井的含水率、氣油比等參數(shù)就可計(jì)算出該區(qū)塊抽油機(jī)井的泵口壓力。表1中所列的是長慶油田部分區(qū)塊采油井原油物性、含水率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。將表1中所列的各區(qū)塊采油井氣油比、天然氣溶解系數(shù)、含水率等參數(shù)代入式 （8），可計(jì)算得到長慶油田部分區(qū)塊采油井泵口壓力與泵效的關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可知，各區(qū)塊采油井泵效隨著泵口壓力的增加而增大，但增幅逐漸減緩。結(jié)合圖3及各區(qū)塊采油井的平均泵效，可得到各區(qū)塊采油井的平均泵口壓力，結(jié)果見表2。

表1 長慶油田部分區(qū)塊采油井綜合特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 長慶油田部分區(qū)塊采油井平均泵口壓力計(jì)算結(jié)果

如前所述，隨著采油井套管氣壓的上升，油套環(huán)空中的氣柱伸長，當(dāng)動(dòng)液面未到泵口前，泵口處的壓力不變，氣體進(jìn)泵與進(jìn)入油套環(huán)空的比例幾乎不變，泵效不受影響，即此時(shí)抽油機(jī)井產(chǎn)量不受套壓增加而變化；隨著套管氣壓繼續(xù)上升，當(dāng)動(dòng)液面降至泵口時(shí)，氣體進(jìn)入泵腔，造成泵腔無法充滿，從而影響深井泵泵效，造成抽油機(jī)井產(chǎn)量降低。因此，采油井套管氣壓值必須小于抽油機(jī)井的泵口壓力。由表2中各區(qū)塊采油井平均泵口壓力的計(jì)算結(jié)果可知，長慶安塞油田侯市區(qū)塊長8油層組采油井的套壓值需小于1．92MPa，長慶白豹油田白216區(qū)塊長6油層組采油井的套壓值需小于4．23MPa，其他區(qū)塊采油井設(shè)定套壓值在此不再贅述。

為保證抽油機(jī)井生產(chǎn)時(shí)具有100m的沉沒度 （統(tǒng)計(jì)資料分析表明，長慶油田原油黏度小，其采油井一般沉沒度保持在100～150m為佳），因此采油井套管氣定壓回收工藝所設(shè)定的套壓需減去油套環(huán)空中100m油柱 （取油密度為0．85g／cm3）所形成的壓力，各區(qū)塊采油井套管氣定壓回收工藝的設(shè)定套壓值計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知，西峰油田白馬區(qū)塊長8油層組采油井、白豹油田白216區(qū)塊長6油層組采油井及合水油田莊9區(qū)塊長8油層組采油井的設(shè)定套壓值較高，都為2MPa以上，大于井口一般回壓 （井口回壓一般為0．8～1．5MPa），因此套管氣定壓回收工藝在這些區(qū)塊具有較強(qiáng)的適用性；靖安油田大路溝二區(qū)、五里灣一區(qū)長6油層組采油井及姬塬油田黃57區(qū)塊長8油層組采油井的設(shè)定套壓值較低，為0．46～0．81MPa，低于井口一般回壓，因此套管氣定壓回收工藝在這些區(qū)塊的使用受到限制；而安塞油田侯市區(qū)塊長8油層組采油井和胡尖山油田安201區(qū)塊長6油層組采油井的設(shè)定套壓值分別為1．09MPa和1．20MPa，介于采油井井口最大回壓和最小回壓之間，因此套管氣定壓閥回收工藝在這些區(qū)塊的應(yīng)用需根據(jù)油井井口回壓大小而定，即當(dāng)采油井設(shè)定套壓值大于井口回壓時(shí)，適用套管氣定壓閥回收工藝；當(dāng)采油井設(shè)定套壓值未超過井口回壓時(shí)，套管氣定壓閥回收工藝不適用。綜上所述，采油井套管氣定壓回收工藝的應(yīng)用需與采油工程相結(jié)合確定，即根據(jù)油井氣油比、含水率、泵效及井口回壓等參數(shù)確定，不可籠統(tǒng)應(yīng)用。

圖3 長慶油田部分區(qū)塊采油井泵口壓力與泵效關(guān)系曲線圖

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）采油井泵口壓力為套壓設(shè)定的臨界值，即當(dāng)套壓未達(dá)到泵口壓力時(shí)，油井產(chǎn)量不受影響；當(dāng)套壓達(dá)到泵口壓力后，氣體進(jìn)泵，深井泵泵效降低，抽油機(jī)井產(chǎn)量下降。

2）采油井套管氣定壓回收工藝的應(yīng)用需與采油工程相結(jié)合確定，即根據(jù)油井氣油比、含水率、泵效及井口回壓等參數(shù)確定，不可籠統(tǒng)應(yīng)用。

［1］李永軍，夏政 ．長慶低滲透油田油氣集輸 ［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2011．

［2］牛彩云，張宏福，郭虹，等 ．淺談高氣油比機(jī)采井正常生產(chǎn)時(shí)的合理套壓 ［J］．石油礦場機(jī)械，2010，39（3）：94～97．

［3］張琪 ．采油工程原理與設(shè)計(jì) ［M］．東營：石油大學(xué)出版社，2000．

［4］楊正友 ．控制套壓增產(chǎn)原理分析 ［J］．油氣井測試，2003，12（2）：11．

［5］孟紅霞，薛建良 ．含氣抽油機(jī)井套管氣釋放時(shí)機(jī)的確定 ［J］．石油大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），1998，22（4）：49～51．