海上電泵井關(guān)井井口壓力預(yù)測方法

于繼飛

（中海油研究總院，北京100027）

海上電泵井關(guān)井井口壓力預(yù)測方法

于繼飛

（中海油研究總院，北京100027）

關(guān)井井口壓力對(duì)合理選擇井口設(shè)備及管線有重要的指導(dǎo)意義。由于海上油井的產(chǎn)液量較高，水擊壓力效應(yīng)非常明顯，文中首次從水擊壓力、關(guān)井壓力恢復(fù)及電泵憋壓3個(gè)方面綜合考慮，主要探討了生產(chǎn)油井緊急關(guān)井情況下井口壓力在不同階段隨時(shí)間的變化趨勢，討論了不同階段井口壓力的計(jì)算方法，應(yīng)用該方法進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)吻合較好。

海上；電泵井；油井；關(guān)井；井口壓力

油氣井生產(chǎn)過程中的關(guān)井操作會(huì)帶來井口壓力的增大。自噴井井口壓力的變化主要取決于水擊壓力和關(guān)井壓力恢復(fù)的作用［1］，電泵井如發(fā)生電泵憋壓現(xiàn)象會(huì)使得井口壓力大幅增加。水擊壓力能造成關(guān)井井口壓力瞬間增大［2］，關(guān)井壓力恢復(fù)以及電泵憋壓對(duì)井口壓力的增大作用則隨時(shí)間延續(xù)不斷增大。本文主要考慮緊急關(guān)井情況下，電泵在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)井口壓力產(chǎn)生的影響［3］。井筒中由于氣液兩相共存，而氣體與液體的壓縮系數(shù)相差很大，所以隨著電潛泵的增壓，井筒中氣體和液體的體積呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。由于海上油井電泵排量和揚(yáng)程都較大，緊急關(guān)井后井口壓力瞬間增加過大，很可能造成設(shè)備損壞，甚至現(xiàn)場操作人員傷亡。

1 水擊壓力和關(guān)井壓力恢復(fù)耦合計(jì)算

關(guān)井壓力恢復(fù)，是關(guān)井后地層流體在生產(chǎn)壓差的作用下繼續(xù)向井筒內(nèi)涌入，引起井筒井底壓力增加，進(jìn)而使得井口壓力增大的過程持續(xù)時(shí)間較長。而水擊壓力只是短時(shí)間的作用［4］，隨著壓力恢復(fù)，水擊壓力由于阻尼效應(yīng)的存在而消耗殆盡。

自噴油井關(guān)井后，水擊現(xiàn)象和壓力恢復(fù)現(xiàn)象是共存的，兩者互相影響（見圖1）。圖中pto為關(guān)井前油壓，pwh為水擊壓力，Δs為關(guān)井瞬間流體長度，vo為關(guān)井瞬時(shí)流速，l為油管長度，pw為井底流壓。

圖1 關(guān)井后井筒壓力示意

當(dāng)閥門關(guān)閉后l/c時(shí)刻（c為壓力傳播速度），壓力波傳至井眼入口處，即油管底部。這時(shí)，油管內(nèi)流體都已停止流動(dòng)，處于被壓縮狀態(tài)，油管則處于膨脹狀態(tài)。而此刻由于地層續(xù)流作用使得油管入口處的井底流壓pw高于水擊壓力波傳至井底的井底流壓值，壓力發(fā)生不平衡，油管入口鄰近的一層流體會(huì)沖向井口，而使水擊壓力繼續(xù)增大，增大值受地層續(xù)流控制。如果是電泵井，那么井口壓力p增大值還受電泵憋壓控制（見圖2）。

圖2 實(shí)際情況下水擊壓力與壓力恢復(fù)的疊加

圖2考慮了水擊壓力衰減情況下水擊壓力和壓力恢復(fù)2種壓力的疊加［5-6］，pt為井口壓力。此時(shí)最大井口壓力值發(fā)生在關(guān)井時(shí)間為無窮大時(shí)，即井底壓力等于地層壓力時(shí)，井口壓力的最大值取決于關(guān)井壓力恢復(fù)帶來的壓力變化。

2 電泵井計(jì)算模型

電泵憋壓作用是因?yàn)殡姳镁o急關(guān)井時(shí)，電泵仍在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，由于井筒體積不變，所以井筒壓力會(huì)急劇增加。電泵憋壓作用同關(guān)井壓力恢復(fù)的原理一樣，相對(duì)于后者，前者引起的壓力升高得更快、更大。電泵井關(guān)井后，水擊壓力、關(guān)井壓力恢復(fù)以及電泵憋壓3因素共同作用，可以看作水擊壓力和電泵憋壓作用的疊加。

關(guān)井瞬間初始的井口壓力為

式中：po為關(guān)井瞬時(shí)井口初始?jí)毫?，MPa。

瞬時(shí)關(guān)井后，電泵井的井口壓力會(huì)因?yàn)樗畵衄F(xiàn)象突然增加，氣液比較低時(shí)的電泵井井口壓力的變化分為3個(gè)階段。

2.1 純壓縮氣體階段

假設(shè)關(guān)井后電泵泵入的流體為液體（忽略泵入的氣體），由于液體的壓縮系數(shù)相比氣體的壓縮系數(shù)非常的小，所以僅考慮氣體的壓縮。油井關(guān)井后，認(rèn)為氣液兩相分層［7-8］，井口壓力為氣相的壓力。

假設(shè)流體溫度不變，由氣體性質(zhì)可知：

式中：Vgo為關(guān)井時(shí)油管中氣體體積，m3；p（t）為t時(shí)刻井口壓力值，MPa；Vlo為油管中液體體積，m3；q為泵的排量，m3/d；Vt為油管體積，m3；Rs為溶解氣油比，m3/ m3；fw為含水率；pa為大氣壓，MPa；D為油管直徑，m。

2.2 純壓縮液體階段

當(dāng)壓力上升到一定程度，油管內(nèi)自由氣體積很小或全部溶解于油中［9］，壓力與時(shí)間的關(guān)系則反映液體的壓縮關(guān)系。由壓縮系數(shù)的定義可知：

式中：Bl為液體壓縮系數(shù)；p1為純氣體壓縮階段結(jié)束時(shí)的井口壓力，MPa。

2.3 電泵達(dá)到最大揚(yáng)程階段

當(dāng)泵的揚(yáng)程接近于最大時(shí)，泵排量接近于0，泵欠載保護(hù)。停泵瞬間，如果沒有單流閥的保護(hù)，泵出入口處的巨大壓差會(huì)導(dǎo)致電泵以上的流體在壓力的作用下向地層流動(dòng)，而使得井口壓力降低，直至壓力平衡。井口壓力增加與關(guān)井壓力恢復(fù)呈對(duì)數(shù)關(guān)系（見圖3）。但實(shí)際上，電泵上都裝有單流閥防止泵的反轉(zhuǎn)。

圖3 電泵井關(guān)井后井口壓力示意

由圖3可看出：

1）若地層壓力較高，即當(dāng)電泵憋壓至p2點(diǎn)，由于井底壓力恢復(fù)導(dǎo)致泵吸入口壓力繼續(xù)升高，那么泵排出口壓力會(huì)隨之同步增加，即井口壓力隨壓力恢復(fù)關(guān)系增加。此時(shí)關(guān)井壓力的最大值即是關(guān)井壓力恢復(fù)帶來的最大值（圖3中曲線Ⅱ所示）。

2）若在p2點(diǎn)停泵，則由于單流閥的關(guān)閉，井口壓力會(huì)保持在p2點(diǎn)（圖3中曲線Ⅰ所示）。此時(shí)油管中的氣體全部溶解于液體中［10］。由于原油的壓縮性較小，電泵井的排量較大，所以此階段持續(xù)的時(shí)間較短，可認(rèn)為電泵排量不變。

此時(shí)：

式中：ρl為井筒液體密度，kg/m3；ppc為泵排出口壓力，MPa；ppi為泵吸入口壓力，MPa；Hmax為泵最大揚(yáng)程，m；H為電泵下入垂深，m。

3 應(yīng)用實(shí)例

以渤海某電泵井瞬時(shí)關(guān)井為例，關(guān)井前參數(shù)見表1。

表1 渤海某電泵井關(guān)井前基本參數(shù)

應(yīng)用式（6）、（13）和（16）計(jì)算得到關(guān)井井口壓力曲線，其結(jié)果與實(shí)際井口壓力曲線吻合程度較高（見圖4）。計(jì)算得到井口壓力最大值為11 MPa，誤差僅為5%。

圖4 渤海某油井關(guān)井井口壓力曲線

4 結(jié)論

1）關(guān)井瞬間井口壓力的突然增加是由水擊壓力引起的，而在之后井口壓力的繼續(xù)增加主要取決于電泵的憋壓作用。

2）電泵憋壓作用與電泵最大揚(yáng)程有關(guān)，電泵揚(yáng)程越大，電泵憋壓引起的關(guān)井壓力越大。

3）對(duì)于氣液比較低的電泵井，本文提出的方法計(jì)算關(guān)井井口壓力精度較高，而對(duì)于氣液比較高的電泵井，計(jì)算方法還有待于改進(jìn)。

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（編輯 付麗麗）

Prediction method of shut-in wellhead pressure for offshore ESP well

Yu Jifei
(CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)

Shut-in wellhead pressure is very important for choosing wellhead equipment and pipeline.Water hammer pressure effect is very obvious because of the high liquid rate of offshore oil well.Considering water hammer pressure effect,pressure buildup and ESP pressure,the changing trend of wellhead pressure is discussed when oil well is shut in emergently.The calculation methods of different stages of wellhead pressure are studied.The results calculated using this method are in good agreement with the actual data.

offshore;ESP well;oil well;well shut-in;wellhead pressure

國家重大科技專項(xiàng)課題“多枝導(dǎo)流適度出砂技術(shù)”（2011ZX05024-003）

TE53

：A

10.6056/dkyqt201501030

2014-07-12；改回日期：2014-11-15。

于繼飛，男，1982年生，高級(jí)工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），現(xiàn)從事油氣田開發(fā)方面的科研工作。E-mail：yujf2@cnooc.com.cn。

于繼飛.海上電泵井關(guān)井井口壓力預(yù)測方法［J］.斷塊油氣田，2015，22（1）：134-136.

Yu Jifei.Prediction method of shut-in wellhead pressure for offshore ESP well［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（1）：134-136.