套管氣輔助舉升工藝動(dòng)態(tài)分析模型

鐘子堯吳曉東韓國(guó)慶呂欣潤(rùn)張偉鵬

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院；2. 燕山大學(xué)

套管氣輔助舉升工藝動(dòng)態(tài)分析模型

鐘子堯1吳曉東1韓國(guó)慶1呂欣潤(rùn)1張偉鵬2

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院；2. 燕山大學(xué)

在高氣液比井中為了減少氣體對(duì)泵效的不利影響，同時(shí)又能充分利用氣體能量，采用套管氣輔助舉升技術(shù)是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)有效的選擇。在井下合適深度下入氣舉閥，將環(huán)空氣體返注回油管，利用氣舉原理可獲得更高的系統(tǒng)效率。然而套管氣源和壓力無(wú)法人為控制，注氣壓力和注氣量均隨時(shí)間變化。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，結(jié)合采油系統(tǒng)中各段的流動(dòng)特點(diǎn)和采油設(shè)備的工作特性，考慮井下分離器和氣舉閥造成的套管氣體量以及壓力的變化，建立了套管氣輔助舉升過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型。通過(guò)比較有無(wú)井下分離器及氣舉閥時(shí)的油井生產(chǎn)參數(shù)變化，得到使用套管氣輔助舉升系統(tǒng)后，油井泵效提高、套壓得以控制、上沖程載荷降低等結(jié)果，表明套管氣可以用來(lái)輔助人工舉升。研究還通過(guò)改變氣舉閥下入深度、直徑以及開(kāi)啟壓力，研究各參數(shù)對(duì)采油過(guò)程的影響，為套管氣輔助舉升工藝的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

套管氣；輔助舉升；動(dòng)態(tài)模型；柱塞泵效；井下分離器

氣驅(qū)和天然氣驅(qū)（如氣頂、溶解氣驅(qū)）油井往往有較高的生產(chǎn)氣液比。通過(guò)安裝井下氣液分離器，可以減小井下氣體對(duì)抽油泵工作帶來(lái)的負(fù)面影響，但分離出來(lái)的氣體會(huì)進(jìn)入油套環(huán)空并逐漸累積，造成油套環(huán)空憋壓以及環(huán)空動(dòng)液面下降，影響抽油泵的正常工作［1］。常規(guī)套管氣處理工藝需要增加井口定壓回收裝置，不僅增加采油成本，而且環(huán)空中高壓氣體的能量沒(méi)有有效利用。

為了在解決套管氣問(wèn)題的同時(shí)又能充分利用氣體能量，在中原油田、吐哈油田的高含氣油井中（氣液比高于100 m3/m3）率先采用了套管氣輔助舉升技術(shù)。文東油田22口油井使用套管氣輔助舉升技術(shù)后，平均泵效從17.4%提高到40.5%以上，并且油井平均產(chǎn)液量提高20 t/d［2-3］。在南堡油田的電潛泵采油井中也實(shí)現(xiàn)了套管氣輔助舉升工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，生產(chǎn)井以0.3 MPa/d速度升高的套壓在氣舉閥開(kāi)啟一段時(shí)間后開(kāi)始穩(wěn)定，以后生產(chǎn)過(guò)程比較平穩(wěn)［4-5］。吉林油田在套管氣輔助舉升工藝應(yīng)用過(guò)程中，提出了氣舉閥下深的設(shè)計(jì)方法，在安裝氣液分離器和氣舉閥后4口油井系統(tǒng)效率均升高10%以上［6］。根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況，套管氣輔助舉升簡(jiǎn)化了套管氣回收工藝，在高氣液比油井中適應(yīng)性強(qiáng)，能有效提高油井產(chǎn)量和采油效率。隨著氣驅(qū)采油技術(shù)的成熟和推廣應(yīng)用，套管氣輔助舉升工藝具有巨大的應(yīng)用潛力。

套管氣輔助舉升過(guò)程由環(huán)空憋壓，氣舉閥關(guān)閉到開(kāi)啟，環(huán)空向油管注氣，氣體輔助舉升等一系列動(dòng)態(tài)過(guò)程組成。通過(guò)耦合地層、油套管和環(huán)空中的動(dòng)態(tài)流量關(guān)系，建立了模擬套管氣輔助舉升過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，可以得到氣舉閥開(kāi)關(guān)前后套管壓力和動(dòng)液面的變化，并研究了各工藝參數(shù)在整個(gè)過(guò)程中對(duì)油井生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，為套管氣輔助舉升設(shè)計(jì)提供了相關(guān)依據(jù)。

1 模型建立

Model establishment

套管氣輔助舉升模型需要耦合不同類型的流動(dòng)過(guò)程，還需要考慮井下氣液分離器、氣舉閥和抽油泵以及抽油桿這些井下設(shè)備的工作特性。為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)如下：由于模擬時(shí)間步長(zhǎng)較長(zhǎng)，井內(nèi)兩相流動(dòng)按穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算；油套環(huán)空壓力按靜態(tài)壓力分布計(jì)算；地層溫度不隨時(shí)間變化，油管中流體溫度計(jì)算只考慮對(duì)流以及徑向穩(wěn)定傳熱，而環(huán)空流體溫度是根據(jù)油管內(nèi)的流體溫度通過(guò)徑向傳熱模型得到。氣舉閥打開(kāi)或者關(guān)閉取決于氣舉閥處的環(huán)空壓力，當(dāng)環(huán)空壓力大于氣舉閥開(kāi)啟壓力時(shí)氣舉閥打開(kāi)，當(dāng)壓力下降到關(guān)閉壓力時(shí)氣舉閥關(guān)閉。氣舉閥打開(kāi)時(shí)只考慮由環(huán)空到油管的單向流動(dòng)［7-10］。

如圖1所示，將油井分成8個(gè)部分。儲(chǔ)層段有很多表征油井產(chǎn)能的解析、非解析模型， Vogel方程是在油氣兩相流條件下的油井產(chǎn)能常用模型，這里用其表征高含氣油井井底壓力與油井產(chǎn)液量的對(duì)應(yīng)關(guān)系［7］

式中，Qo為油井流量，m3/d；Qomax為油井最大產(chǎn)油量，m3/d；pwf為井底流壓，MPa；pr為地層壓力，MPa。

圖1 套管氣輔助舉升工藝原理Fig. 1 Schematic principle of casing head gas assisted lift technology

從井底到抽油泵底部的套管內(nèi)流動(dòng)和泵上油管內(nèi)流動(dòng)段均為管流段，使用已有的管流模型，根據(jù)油氣流量進(jìn)行流型判斷，并計(jì)算持液率，從而計(jì)算壓力分布。圖2為油管內(nèi)壓力分布計(jì)算結(jié)果，其中井口壓力固定為0.5 MPa，開(kāi)井0.25 d時(shí)，環(huán)空壓力還沒(méi)有升高到氣舉閥的打開(kāi)壓力，這時(shí)油管壓力梯度大，泵上壓力高，當(dāng)氣舉閥打開(kāi)后，氣舉閥上部油管的壓力梯度減小，最終泵出口壓力下降了1.2 MPa。

井下分離器段可根據(jù)分離器效率計(jì)算進(jìn)入環(huán)空的氣體流量

式中，Qga為進(jìn)入環(huán)空中的氣體流量，m3/d；Qgp為泵入口處的氣體流量，m3/d；E為井下分離器效率。

圖2 氣舉閥開(kāi)啟前后油管壓力分布曲線Fig. 2 Distribution curve of tubing pressure before and after the starting of gas lift valve

油套環(huán)空積液段，由環(huán)空段的液相質(zhì)量守恒得到式（3），其中積液段的平均密度由動(dòng)液面處壓力pf與泵入口處壓力pp的平均值 （pf+pp）/2得到，而兩壓力之差pf-pp等于積液段的靜液柱壓力，如式（4）所示。

式中，Hp、Hf分別為下泵深度和動(dòng)液面深度，m；pp、pf分別為泵入口處和動(dòng)液面處的壓力，MPa；Aa為環(huán)空截面積，m2；ρl為環(huán)空積液段的平均液相密度，kg/m3；ρlp為泵入口處的液相密度，kg/m3；Qla為進(jìn)入環(huán)空段的液相流量，其值為正表示環(huán)空液量增加，反之環(huán)空積液則被吸入泵內(nèi)，m3/d；Qld為泵入口處流量，m3/d； Qlp為泵實(shí)際排量，m3/d；t為模擬時(shí)間，d。

套管氣段，氣相的質(zhì)量守恒方程不僅考慮套管氣段的氣體，還考慮原油中的溶解氣，式（6）中左右端各有2項(xiàng)，分別代表游離氣和溶解氣量；氣舉閥處的環(huán)空壓力和套壓均按靜氣柱計(jì)算，如式（7）、（8）所示

氣舉閥有打開(kāi)和關(guān)閉2種狀態(tài)，當(dāng)氣舉閥處的環(huán)空壓力pv高于氣舉閥開(kāi)啟壓力時(shí)，氣舉閥處于打開(kāi)狀態(tài)下，進(jìn)氣量Qgv按孔閥模型進(jìn)行計(jì)算［7］

式中，η為 max{ηc，pt/pa}，即當(dāng)氣舉閥出口壓力pt和入口壓力pa之比小于臨界壓力比ηc時(shí)，過(guò)閥流動(dòng)處于臨界狀態(tài)，氣體流量按臨界流量計(jì)算；d為氣舉閥直徑，m；k為氣體絕熱系數(shù)，天然氣可取1.3～1.5；Ta為氣舉閥處的環(huán)空溫度，K；Za為氣舉閥處的氣體壓縮因子。

圖3為進(jìn)入環(huán)空的氣量和通過(guò)氣舉閥注入油管的氣量，并均已轉(zhuǎn)化到地面溫壓條件下的氣體密度。由圖可知，套管壓力在某一時(shí)刻升高到氣舉閥的開(kāi)啟壓力，環(huán)空氣體開(kāi)始進(jìn)入油管，進(jìn)氣量升高后降落，最終當(dāng)分離器分離出來(lái)的氣量與氣舉閥注入氣量相等時(shí)，系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 地面條件下環(huán)空進(jìn)氣速度與氣舉閥注氣速度動(dòng)態(tài)曲線Fig. 3 Intake rate at annulus and gas injection rate at gas lift valve on the ground

抽油泵和抽油桿部分，根據(jù)抽油機(jī)抽汲參數(shù)、泵吸入口以及排出口壓力可以得到柱塞的有效沖程、泵內(nèi)氣相含量和漏失量，這樣泵效以及泵排量可由式（10）、（11）計(jì)算［7］

式中，ηp為抽油泵泵效，小數(shù)；εS、εF、εL、εV分別為沖程泵效、氣體泵效、體積泵效和漏失泵效，計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)［7］；Ap為泵的柱塞面積，m2；Qt為泵理論排量，m3/d；S為沖程，m；N為沖次，次/min。

2 模型求解

Model solution

根據(jù)上文建立的模型，運(yùn)用時(shí)間離散的方法可以求解各時(shí)間步下的井筒壓力和流量。從地層流入井內(nèi)的氣液流量由式（1）控制，抽油泵下方流體在套管內(nèi)的流動(dòng)壓降可由管流模型求得。根據(jù)泵入口處的溫度壓力計(jì)算相應(yīng)的自由氣量，再由井下分離器計(jì)算排出到環(huán)空中的氣量（式（2））。環(huán)空中壓力升高和動(dòng)液面深度變化可由式（3）～（8）計(jì)算得到。如果氣舉閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，計(jì)算油管內(nèi)壓力分布時(shí)需要考慮氣舉閥注入的氣體影響。假定模型在初始狀態(tài)下所有流量均為0，油管內(nèi)充滿液體，壓力按靜壓計(jì)算，環(huán)空動(dòng)液面高度和套壓由初始條件給出。

3 計(jì)算結(jié)果

Calculation results

3.1 結(jié)果分析

Result analysis

模型計(jì)算所需要輸入的參數(shù)有地層深度、壓力、油套管尺寸等油井基本參數(shù)和抽油機(jī)沖程、沖次、下泵深度等采油工藝參數(shù)。不同溫度壓力下的流體物性如原油溶解氣油比，油氣密度、黏度，可使用黑油模型進(jìn)行計(jì)算。模型還需要給出油井的初始狀態(tài)，如初始動(dòng)液面高度、套管壓力和流量。文中選用典型井的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

通過(guò)改變模型中相應(yīng)參數(shù)的值可以反映油井在3種不同狀態(tài)下的生產(chǎn)狀況：a表示無(wú)井下分離器和氣舉閥、b表示只有井下分離器和c表示同時(shí)安裝井下分離器和氣舉閥。將式（2）中井下分離器效率E取為0則分離器不能分離氣體，可以認(rèn)為沒(méi)有安裝井下分離器，即為狀態(tài)a；將氣舉閥開(kāi)啟壓力取充分大，使得氣舉閥始終處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣即轉(zhuǎn)化為狀態(tài)b。圖4～圖6展示了3種情況下，油井套壓、泵效和地層產(chǎn)液量隨時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果。由圖4看出，b狀態(tài)下如果不放套管氣，套壓會(huì)一直升高，環(huán)空液面下降直至到泵深處。由圖5看出，a狀態(tài)下由于泵吸入口壓力低于原油泡點(diǎn)壓力，氣體的存在降低了泵效。圖6展示了地層向井筒供液的變化，初始條件下地層進(jìn)液多于泵實(shí)際排量，井底流壓上升，產(chǎn)量下降，油井在c狀態(tài)下隨著沉沒(méi)度增大以及套管氣開(kāi)始進(jìn)入油管，使得泵效提高，泵實(shí)際排量開(kāi)始高于地層供液量，使得動(dòng)液面下降，地層供液量上升，最終泵排量和地層供液量達(dá)到平衡，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，由圖6可見(jiàn)使用套管氣輔助舉升工藝時(shí)，油井在穩(wěn)定后的產(chǎn)量高于其他2種生產(chǎn)狀態(tài)。

表1 套管氣輔助舉升工藝動(dòng)態(tài)模型主要參數(shù)Table 1 Main parameters of dynamic model for casing head gas assisted lift technology

圖4 油井在不同工作狀態(tài)下的套壓變化Fig. 4 Casing pressure of oil well in different working states

圖5 油井在不同工作狀態(tài)下的泵效變化Fig. 5 Pump efficiency of oil well in different working states

圖6 油井在不同工作狀態(tài)下的產(chǎn)液量變化Fig. 6 Liquid producing capacity of oil well in different working states

通過(guò)上面的分析可知，使用套管氣輔助舉升工藝既可以緩解油井伴生氣體對(duì)抽油泵的影響，又能將氣體能量合理利用，降低上沖程時(shí)的液柱載荷，這樣可以減少由于桿柱彈性導(dǎo)致的沖程損失以及上下沖程中抽油機(jī)的不平衡，因此獲得更高的系統(tǒng)效率。另外，這個(gè)工藝有效解決了套管氣積累的問(wèn)題，避免了額外的套管氣處理程序。

3.2 參數(shù)分析

Parameter analysis

為了研究各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，選取了主要設(shè)計(jì)參數(shù)：氣舉閥下深、氣舉閥直徑和氣舉閥開(kāi)啟壓力進(jìn)行敏感性分析，通過(guò)比較不同設(shè)計(jì)參數(shù)下油井的產(chǎn)量、泵效等，得到各個(gè)參數(shù)的合理范圍。

3.2.1 氣舉閥下入深度的影響 氣舉閥下深選為200 m、400 m、600 m和800 m。隨著氣舉閥下入深度的增加，可以降低更長(zhǎng)油管段內(nèi)的流體密度。如圖7所示，下深在600 m時(shí)，整體泵效要高于200 m和400 m的情況。但如圖8所示，下深在600 m時(shí)氣舉閥開(kāi)始向油管內(nèi)注氣的時(shí)間點(diǎn)推遲了，這是因?yàn)楫?dāng)環(huán)空壓力高于氣舉閥開(kāi)啟壓力時(shí)，氣舉閥處油管內(nèi)壓力仍高于環(huán)空壓力，氣體無(wú)法從環(huán)空進(jìn)入油管，環(huán)空繼續(xù)憋壓，直到高于油管內(nèi)的壓力，氣舉閥才開(kāi)始注氣。當(dāng)深度到達(dá)800 m時(shí)，不僅注氣時(shí)間大幅延后，而且由于初始注氣速度過(guò)大，導(dǎo)致套壓下降太快，注氣一段時(shí)間后環(huán)空壓力低于油管內(nèi)壓力，這樣氣舉閥停止注氣，環(huán)空繼續(xù)憋壓一段時(shí)間后，才重新開(kāi)始注氣。以系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)為設(shè)計(jì)前提，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真模擬，可預(yù)測(cè)各設(shè)計(jì)方案下油井在氣舉閥開(kāi)啟前后的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)狀況并對(duì)可能的失效情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.2.2 氣舉閥直徑的影響 氣舉閥直徑選為2 mm、4 mm和6 mm。氣舉閥直徑大小會(huì)影響到環(huán)空進(jìn)入油管的氣流速度。如圖9所示，氣舉閥直徑為2 mm時(shí)，由于注氣速度太小，導(dǎo)致套壓一直升高，沒(méi)有起到控制套管壓力的作用。因此，氣舉閥直徑需要根據(jù)油井的含氣量大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證氣舉閥的排氣能力與井下分離器的供氣能力相適應(yīng)。

圖7 不同氣舉閥下入深度下的泵效變化Fig. 7 Relationship of pump efficiency vs. setting depth of gas lift valve

圖8 不同氣舉閥下入深度下的注氣量變化Fig. 8 Relationship of gas injection rate vs. setting depth of gas lift valve

圖9 不同氣舉閥直徑下的注氣量變化Fig. 9 Relationship of pump efficiency vs. dimension of gas lift valve

3.2.3 氣舉閥開(kāi)啟壓力的影響 氣舉閥開(kāi)啟壓力選為2 MPa、4 MPa和6 MPa。開(kāi)啟壓力控制著氣舉閥打開(kāi)時(shí)間。如圖10所示。開(kāi)啟壓力越高，氣舉閥開(kāi)始向油管注氣的時(shí)間越晚，由于閥前后的壓差更大，初始注氣量更高，造成系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間也越長(zhǎng)。因此，氣舉閥開(kāi)啟壓力不宜過(guò)大，但是為了保證氣舉閥開(kāi)啟時(shí)油套間存在壓差，氣舉閥開(kāi)啟壓力不宜過(guò)小，因?yàn)殚_(kāi)啟壓力太小會(huì)限制到氣舉閥的下深，這樣氣舉效果有限。

圖10 不同氣舉閥開(kāi)啟壓力下的注氣量變化Fig. 10 Relationship of gas injection rate vs. starting pressure of gas lift valve

4 結(jié)論

Conclusions

（1）通過(guò)耦合地層、井筒流動(dòng)以及人工舉升設(shè)備的工作特性，建立了套管氣輔助舉升工藝的動(dòng)態(tài)分析模型。通過(guò)對(duì)油井在3種不同狀態(tài)下的仿真模擬，驗(yàn)證了套管氣輔助舉升工藝在提高采油效率和節(jié)約生產(chǎn)成本上的可行性。

（2）增加氣舉閥下深有利于降低上沖程液載和提高泵效，但同時(shí)會(huì)增加氣舉閥啟動(dòng)難度，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致注氣閥不能打開(kāi)，套管氣輔助舉升工藝無(wú)法正常進(jìn)行。

（3）氣舉閥直徑會(huì)影響注氣速度，閥孔直徑太小會(huì)導(dǎo)致套壓一直升高，無(wú)法起到控制套壓的作用。開(kāi)啟壓力越高，氣舉閥開(kāi)始向油管注氣的時(shí)間越晚，系統(tǒng)穩(wěn)定所需要的時(shí)間更長(zhǎng)；過(guò)低的開(kāi)啟壓力限制了氣舉閥的下深，不利于降低上沖程載荷。

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（修改稿收到日期 2016-11-16）

〔編輯 李春燕〕

A dynamic analysis model used for casing head gas assisted lift technologies

ZHONG Ziyao1, WU Xiaodong1, HAN Guoqing1, LYU Xinrun1, ZHANG Weipeng2

1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China 2. Yanshan University, Qinhuangdao 066000, Hebei, China

It is frequently to adopt casing head gas assisted lifting technology to reduce the adverse effects of gas on pump efficiency in the wells with high gas-liquid ratio and make full use of gas energy. A gas lift valve is lowered to the appropriate depth to re-inject the annulus gas into the tubing. In this way, the systematic efficiency is improved by using the gas lifting principle. However, the source and pressure of casing head gas cannot be controlled artificially, and gas injection pressure and injected gas volume are varied over the time. To verify the rationality of design parameters, a dynamic model was developed for the process of casing gas assisted lifting based on the flowing characteristics of each section in oil production system and the operating characteristics of oil production equipments. In this model, the volume and pressure change of casing head gas caused by downhole separators and gas lift valves are taken into account. Production parameters of oil wells with and without downhole separator and gas lift valve were compared. It is shown that after the casing head gas assisted lifting system is adopted, the pump efficiency of oil wells is improved, the casing pressure is under control and the upstroke load is reduced. It is indicated that casing head gas can be used to assist artificial lift. Finally, the effects of all parameters in the process of oil production were investigated by changing the setting depth, size and starting pressure of gas lift valves. The research results provide the basis for the design of casing head gas assisted lift technologies.

casing head gas; auxiliary lifting; dynamic model; plunger pump efficiency; downhole separator

鐘子堯，吳曉東，韓國(guó)慶，呂欣潤(rùn)，張偉鵬.套管氣輔助舉升工藝動(dòng)態(tài)分析模型［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（1）：71-76.

TE355

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0071 – 06

10.13639/j.odpt.2017.01.014

:ZHONG Ziyao, WU Xiaodong, HAN Guoqing, LYU Xinrun, ZHANG Weipeng. A dynamic analysis model used for casing head gas assisted lift technologies［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 71-76.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目“典型陸相致密油藏高效開(kāi)發(fā)模式研究”（編號(hào)：2015CB250906）。

鐘子堯（1991-），中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣田開(kāi)發(fā)專業(yè)博士研究生，現(xiàn)從事采油采氣工藝的研究工作。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國(guó)石油大學(xué)（北京）中油大廈408室。E-mail：zzy_shiyou@163.com