噴射氣舉適應(yīng)井優(yōu)選及優(yōu)化設(shè)計研究

羅威，廖銳全，張頂學(xué) （長江大學(xué)石油工程學(xué)院）油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室 （長江大學(xué)），湖北 武漢 430100

李勇 （中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 哈密 839009）

文靜 （中石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密 839009）

噴射氣舉適應(yīng)井優(yōu)選及優(yōu)化設(shè)計研究

羅威，廖銳全，張頂學(xué) （長江大學(xué)石油工程學(xué)院）油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室 （長江大學(xué)），湖北 武漢 430100

李勇 （中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 哈密 839009）

文靜 （中石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密 839009）

針對氣舉井最下面安裝一個G／L型射流泵與上面多級氣舉閥組合成的噴射氣舉，因射流泵工藝設(shè)計受油井多因素約束控制，目前還沒有形成一套可行的噴射氣舉井優(yōu)選和工藝設(shè)計方法，展開了研究。首先根據(jù)G／L型射流泵質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和氣體狀態(tài)方程導(dǎo)出了射流泵排出口壓力的計算公式，再將連續(xù)氣舉工藝設(shè)計與射流泵工藝設(shè)計結(jié)合起來，巧妙選取最深注氣點為動態(tài)求解點，運(yùn)用節(jié)點分析方法，導(dǎo)出了兩種工藝組合的噴射氣舉井優(yōu)選和噴射氣舉設(shè)計方法，最后通過實例給出了噴射氣舉生產(chǎn)動態(tài)曲線和給定注氣量條件下的噴射氣舉設(shè)計，并與常規(guī)氣舉進(jìn)行對比，解決了油井優(yōu)選和工藝組合設(shè)計的難題。

G／L型射流泵；連續(xù)氣舉工藝設(shè)計；射流泵工藝設(shè)計；工藝組合；噴射氣舉設(shè)計；生產(chǎn)動態(tài)曲線

早在1852年，英國就已經(jīng)刊載了有關(guān)射流泵的資料，1933年Gosline和O＇Brien發(fā)表了包括射流泵理論研究和大量室內(nèi)試驗的標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)［1］，1957年Cunningham等［2］推導(dǎo)出了液-液射流泵的綜合數(shù)學(xué)模型，并隨后做了大量相關(guān)研究［3～7］。近年來，隨著射流泵的使用范圍越來越廣，相關(guān)的研究工作也一直在持續(xù)［8～11］。噴射氣舉是其中的一種應(yīng)用，噴射氣舉是在油井最下面部位安裝一個G／L型射流泵或在其上部的適當(dāng)位置再裝一個或幾個G／L型射流泵組合而成。射流泵與氣舉閥不同，無封包壓力控制部件，類似孔板閥。筆者僅討論最常用的一種方式，即只在油井最下面安裝一個射流泵時的情況的適應(yīng)井優(yōu)選和噴射氣舉設(shè)計問題。由于氣體射流泵在噴嘴出口產(chǎn)生高速射流，不僅能在入口產(chǎn)生一定真空度對井液具有一定抽吸作用，而且能提高氣液兩相的混合效率，從而有效降低井底回壓，增大產(chǎn)量，因此在國內(nèi)外都有較廣泛的應(yīng)用［12～16］。

但是，目前的射流泵布置仍然是使用簡單替換最后一級氣舉閥［15～17］。這種做法較粗略，不僅無法判斷油井是否適合噴射氣舉，也無法判斷這樣布置是否能發(fā)揮射流泵的潛能。如委內(nèi)瑞拉馬拉開波湖近海油田部分噴射氣舉井效果不好［16］，吐哈油田在哈薩克斯坦讓那若爾油田的幾口噴射氣舉試驗井同樣有部分井效果欠佳，而且存在一定的安全隱患。因為在相同的地面生產(chǎn)條件下，由于射流泵使產(chǎn)量增加會增大沿程流壓，而按原最小油壓線設(shè)計的上面各級閥則很有可能打開形成多點注氣，如圖1所示。對于連續(xù)氣舉，不管是變流壓設(shè)計，還是套壓控制設(shè)計，粗略做法均存在這種風(fēng)險。針對常用套壓控制設(shè)計，結(jié)合射流泵工藝特點，導(dǎo)出了2種工藝組合的噴射氣舉井優(yōu)選方法和噴射氣舉設(shè)計方法，可進(jìn)行前期噴射氣舉井適應(yīng)性優(yōu)選，排除不適合噴射氣舉的井，同時也能盡量避免引起多點注氣。

圖1 噴射氣舉實際生產(chǎn)油壓曲線

1 射流泵工藝設(shè)計及噴射氣舉設(shè)計

1.1 射流泵工藝設(shè)計

1.1.1 建立氣／液射流泵流動方程

根據(jù)氣／液射流泵流動過程滿足能量守恒、動量守恒、質(zhì)量守恒和氣體狀態(tài)方程［18］，建立起氣／液射流泵流動方程，筆者選用理想射流泵方程進(jìn)行說明和設(shè)計，這樣做不影響噴射氣舉設(shè)計原理運(yùn)用，所建立的方程如下。

1.1.2 設(shè)計步驟

由上述流動方程可知，射流泵工藝設(shè)計受井液入口壓力、井液流量、注入流量、注入壓力、流體密度、泵尺寸等多種因素約束控制，較氣舉閥流動復(fù)雜。具體設(shè)計步驟如下：

1）優(yōu)選噴嘴尺寸。結(jié)合式 （8）、（9），即根據(jù)注氣點前后套壓、油壓選出滿足要求最小尺寸［17］，噴嘴尺寸范圍為3.2、3.6～11.2mm，每增加0.4mm為一個噴嘴尺寸。

2）優(yōu)選喉管尺寸。根據(jù)泵的最小氣蝕面積和噴嘴面積確定出喉管尺寸［17］，選出滿足要求的最小尺寸，喉管尺寸范圍為11、13～35mm，每增加2mm為一個喉管尺寸。

3）計算喉道壓力比。根據(jù)式 （10）即可計算出喉管壓力比，并用式 （12）判斷驗證是否滿足要求，如果不滿足要求，根據(jù)步驟2重新選擇大尺寸喉管，直到滿足要求。

4）計算泵出口入口壓力比。根據(jù)式 （11）通過迭代求解泵出口入口壓力比。

1.2 噴射氣舉井優(yōu)選

建立噴射氣舉動態(tài)曲線和泵相關(guān)參數(shù)曲線，可預(yù)先對油井進(jìn)行噴射氣舉適應(yīng)性優(yōu)選和對適合的井進(jìn)行噴射氣舉注氣量、產(chǎn)量、注氣深度優(yōu)化設(shè)計，而泵相關(guān)參數(shù)曲線，則可以選擇出滿足要求的噴嘴、喉管尺寸。具體設(shè)計步驟如下：

1）從小到大給定一系列注氣量，選定一個注氣量。

2）給定初始產(chǎn)量，根據(jù)選定注氣量，可以確定假設(shè)以井底為注氣點時的井筒壓力分布，再根據(jù)地面注氣壓力確定環(huán)空注氣壓力分布線 （可考慮過閥壓差，減去Δp），兩個壓力分布的交點為注氣點，選取注氣點為求解點，注氣點是動態(tài)變化的，故為動態(tài)求解點。由交點求出注氣點壓力，即泵出口壓力。

3）由給定產(chǎn)量根據(jù)流入動態(tài)方程可以確定對應(yīng)井底流壓，再根據(jù)多相管流計算方法從底至頂往上計算得到在步驟2）中確定的注氣點處流壓，根據(jù)射流泵工藝設(shè)計，由泵前后壓力、流量、溫度等可確定泵排出口流壓。

4）比較步驟2）與步驟3）分別確定的泵排出口壓力，如果步驟2）泵排出壓力大于步驟3）排出壓力，減小產(chǎn)量，從步驟2）開始重新計算，如果步驟2）泵排出壓力小于步驟3）排出壓力，增大產(chǎn)量，從步驟2）開始重新計算，直到步驟2）與步驟3）泵排出口壓力相等，即確定了一個注氣量對應(yīng)產(chǎn)量和泵尺寸相關(guān)參數(shù)。

5）重復(fù)步驟1）到步驟4），即可以確定出一系列注氣量對應(yīng)一系列系列產(chǎn)量、注氣點深度、泵尺寸相關(guān)參數(shù)，即該井噴射氣舉動態(tài)曲線和泵相關(guān)參數(shù)曲線。

1.3 噴射氣舉設(shè)計

筆者給出定注氣量條件設(shè)計，定產(chǎn)量條件設(shè)計類同，布閥設(shè)計采用最常用的等關(guān)閉壓降設(shè)計［1］，通過巧妙選取最深注氣點為動態(tài)求解點，解決了射流泵工藝設(shè)計受油井多因素約束控制難以設(shè)計的難題。具體設(shè)計步驟如下：

1）從大到小給定一系列產(chǎn)量，選擇布閥設(shè)計中最深注氣點為求解點。

2）選擇系列產(chǎn)量中的一個，根據(jù)給定注氣量確定最小流壓線，再由等關(guān)閉壓降設(shè)計確定閥分布及閥參數(shù)、最深注氣點及對應(yīng)流壓。

3）由步驟2）中選定的產(chǎn)量根據(jù)流入動態(tài)方程可以確定對應(yīng)流壓，根據(jù)多相管流計算方法從底至頂往上計算得到在步驟2）中確定的最深注氣點處流壓，根據(jù)射流泵工藝設(shè)計，由泵前后壓力、流量、溫度等可確定泵排出口流壓。

4）根據(jù)步驟2）確定出系列產(chǎn)量對應(yīng)一系列流出流壓，即流出動態(tài)曲線，根據(jù)步驟3）也確定出系列產(chǎn)量對應(yīng)一系列流入流壓，即流入動態(tài)曲線。

5）根據(jù)流入流出動態(tài)曲線交點，即可確定出協(xié)調(diào)產(chǎn)量點，對應(yīng)布閥設(shè)計和射流泵工藝設(shè)計即是所要得到的噴射氣舉設(shè)計結(jié)果。

2 實例分析及評價

為驗證設(shè)計，下面通過計算實例進(jìn)行說明。設(shè)計所需參數(shù)：油藏深度3768m，油藏壓力19.31MPa，油藏溫度84℃，產(chǎn)液指數(shù)115.3m3／ （d·MPa），井口壓力2.0MPa，氣油比107m3／m3，含水率5%，溶解氣相對密度0.65，原油相對密度0.91，地層水相對密度1.02，油管 內(nèi) 徑0.076m，套管 內(nèi)徑0.162m，地溫梯度0.02℃／m，井液梯度1.05MPa／100m，假設(shè)井液在井口位置。地面可提供注氣壓力8.62MPa，過閥壓差0.345MPa，最小閥間距100m。射流泵初始噴嘴內(nèi)徑3.2mm，喉管內(nèi)徑11mm，擴(kuò)散通道30mm。根據(jù)射流泵工藝設(shè)計、噴射氣舉井優(yōu)選方法和噴射氣舉設(shè)計，可以繪制出圖2～4所示曲線。通過圖2噴射氣舉動態(tài)曲線，可以首先對適合噴射氣舉的油井進(jìn)行優(yōu)選，然后可以根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量等選擇噴射氣舉最優(yōu)注氣量和注氣深度，避免盲目選井、盲目替換生產(chǎn)；根據(jù)圖3泵相關(guān)參數(shù)曲線可以選擇滿足要求的噴嘴尺寸和喉管尺寸。

圖2 氣舉、噴射氣舉動態(tài)曲線

圖3 泵噴嘴、喉管尺寸及出入口壓力比參數(shù)曲線

圖4 噴射氣舉設(shè)計

由圖4可知，通過給出的噴射氣舉設(shè)計方法，得到了各級閥的布置深度，特別是射流泵的正確布置深度，解決了兩種工藝組合設(shè)計難于布置準(zhǔn)確深度的難題。由圖2和圖4可知，組合工藝噴射氣舉設(shè)計與常規(guī)氣舉設(shè)計存在差別，噴射氣舉設(shè)計的產(chǎn)量較高，沿程流壓較大，獲得的注氣點深度較淺，因此射流泵布置不能采用圖1中的簡單替換氣舉設(shè)計中最后一級閥位置放置。

3 結(jié)論

1）將連續(xù)氣舉工藝與射流泵工藝結(jié)合起來，巧妙選取最深注氣點為動態(tài)求解點，運(yùn)用節(jié)點分析方法，導(dǎo)出了2種工藝組合的噴射氣舉設(shè)計方法和噴射氣舉井優(yōu)選方法，解決了射流泵工藝設(shè)計受油井多因素約束控制難于設(shè)計和油井優(yōu)選的難題。

2）根據(jù)導(dǎo)出方法繪制噴射氣舉動態(tài)曲線及泵相關(guān)參數(shù)曲線，可進(jìn)行油井前期噴射氣舉適應(yīng)性優(yōu)選，同時對于適應(yīng)井，可以根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量等選擇噴射氣舉最優(yōu)注氣量和注氣深度，選擇滿足要求的噴嘴、喉管尺寸，避免盲目選井、盲目替換生產(chǎn)。

3）組合工藝噴射氣舉設(shè)計與常規(guī)氣舉設(shè)計存在差別，噴射氣舉設(shè)計的產(chǎn)量較高，沿程流壓較大，獲得的注氣點深度較淺，射流泵布置不能采用簡單替換放置方法，而應(yīng)該使用符合組合工藝噴射氣舉自身特點的設(shè)計方法布置閥和射流泵。

［1］Brown K E.The technology of artificial lift methods［M］.Tulsa：Petroleum Publishing Company，1990.

［2］Cunningham R G.Jet pump theory and performance with fluids of high viscosity［J］.Trans ASME（Journal of Fluids Engineering），1957，79：1807～1820.

［3］Cunningham R G，Hansen A G，Na T Y.Jet pump cavitation［J］.Trans ASME（Journal of Fluids Engineering），1970，92：483～494.

［4］Cunningham R G.Gas compression with the liquid jet pump［J］.Trans ASME（Journal of Fluids Engineering），1974，94：203～315.

［5］Cunningham R G，Dopkin R J.Jet breakup and mixing throat lengths for the liquid jet gas pump［J］.Trans ASME（Journal of Fluids Engineering），1974，96（3）：216～226.

［6］Cunningham R G.Liquid jet pump modeling：effects of axial dimensions on theory-experiment agreement［A］.Proceedings of Second Symposium on Jet Pumps and Ejectors，BHRA Fluid Engineering［C］.Cranfield，Bedfordshire MK43OAJ，United Kingdom，1975.

［7］Cunningham R G.Liquid jet pumps for two-phase flows［J］.Trans ASME（Journal of Fluids Engineering），1995，117（2）：309～316.

［8］Noronha F A F.Improved two-phase model for hydraulic jet pumps［J］.SPE Journal，1988，（3）：227～231.

［9］Jiao B.Efficiency and pressure recovery in hydraulic jet pumping of two-phase gas／liquid mixtures［J］.SPE Production Engineering，1990，5（4）：361～364.

［10］Marco Villa.Ejectors for boosting low-pressure oil wells［J］.SPE Production ＆Facilities，1999，14（4）：229～234.

［11］Abdou H A M.Jet pump performance with secondary fluids differ in density and viscosity from primary fluid［J］.SPE102546，2006.

［12］賀遵義 .氣體射流泵舉升工藝及應(yīng)用 ［J］.鉆采工藝，2000，23（3）：47～50.

［13］馬華禮 .氣體加速泵排水采氣工藝技術(shù)應(yīng)用與展望 ［J］.鉆采工藝，2003，26（增）：100～102.

［14］牛瑞云 .吐哈油田噴射－氣舉采油技術(shù)研究 ［J］.石油機(jī)械，2007，35（6）：55～57.

［15］LI X Z，REN G H，WANG X K.Oil production technology of jet gas lift methods［J］.SPE26291，1993.

［16］Juan Faustinelli.Gas lift jet applications offshore lake maracaibo［J］.SPE48840，1998.

［17］馬輝運(yùn) .氣體加速泵排水采氣技術(shù)研究 ［D］.南充：西南石油學(xué)院，2005.

［18］Hatziavramidis D T.Modeling and design of jet pumps［J］.SPE19713，1991.

［編輯］ 黃鸝

The Selection of Gas Lifting and Jet Pump Well and Its Optim ized Design

LUO Wei，LIAO Ruiquan，ZHANG Dingxue，LIYong，WEN Jing (First Author's Address:School of Petroleum Engineering，Yangtze University;Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources(Yangtze University)，Ministry of Education，Wuhan 430100，Hubei，China)

In allusion to the situation of a jetand gas lifting process combiningof aG/L jet pump installed in the bottom of gas liftwell and themultistage gas lifting valves above，because the jet pump design was controlled by multi-factors of the well，therewere no a setof feasiblemethods of selecting gas lift jet pump wells and technology design，a research was carried outon the situation.First according tomass conservation，momentum conservation，energy conservation and gas state equation of G/L jet pump，a calculation formula of the jet pump outlet pressure was derived，then a continuous gas lift technology design was combined with jet pump technology design，the deepest point of gas injection was skillfully selected as the dynamic solution point，the node analysismethod is used to derive a method for combined design of selecting jet gas lifting well and jet lifting.Eventually the design of performance curve for jet gas lifting production and the design of jet gas lifting under condition of given gas injection volume are established by case study，and they are compared with conventional gas lifting technology，the obtained result can be used to solve the problem ofwell selection and the technological design.

G/L jet pump;continuous gas lift jet technology design;technology design of jet pump;technologic combination;jet gas lift design;production performance curve

2013-12-24

國家自然科學(xué)基金項目 （61170031）。

羅威 （1986-），男，2006年大學(xué)畢業(yè)，博士生，現(xiàn)從事采油采氣工藝?yán)碚撆c技術(shù)研究。

TE355.3

A

1000-9752（2014）05-0120-05