傾斜井與直井氣舉設(shè)計差異及其敏感參數(shù)分析研究

羅 威，柯文奇，楊 明，徐云恒，王永清，程 陽長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢

2中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京

3中石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密

傾斜井與直井氣舉設(shè)計差異及其敏感參數(shù)分析研究

羅 威1，柯文奇2，楊 明3，徐云恒3，王永清3，程 陽11長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢

2中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京

3中石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密

盡管氣舉越來越多地被應(yīng)用到大斜度井、水平井的舉升采油中，但傾斜井氣舉設(shè)計與直井氣舉設(shè)計存在什么差異，這些差異隨傾斜角度的增大將怎樣變化，以及哪些氣舉設(shè)計所需參數(shù)對這種差異比較敏感，即如何對傾斜井氣舉設(shè)計所需參數(shù)進(jìn)行合理選擇，以便對傾斜井氣舉設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化的研究較少，這也一直是傾斜井合理氣舉設(shè)計的難點問題。鑒于此，筆者以某油田一口傾斜井為例，通過實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了傾斜井產(chǎn)能預(yù)測方法優(yōu)選和多相管流壓力計算方法優(yōu)選，然后在該基礎(chǔ)上采用等套壓降氣舉設(shè)計方法對比分析了傾斜井氣舉設(shè)計與同等條件下直井氣舉設(shè)計的差異，并逐一分析了各種氣舉設(shè)計所需重要參數(shù)分別取不同值時氣舉設(shè)計注氣深度和產(chǎn)量隨井斜角度的變化規(guī)律，從而得到了傾斜井氣舉設(shè)計的敏感性參數(shù)，可為傾斜井氣舉設(shè)計的參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整提供參考依據(jù)，是傾斜井氣舉高效生產(chǎn)的有力保障。

氣舉，大斜度井，多相管流，等套壓降氣舉設(shè)計，注氣深度，敏感性參數(shù)

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Gas Lift, Highly Deviated Well, Multi-Phase Pipe Flow, Gas Lift Design for Same Casing

Pressure Drop, Gas Injection Depth, Sensitivity Parameter

1. 引言

氣舉采油是依靠從地面注入井內(nèi)的高壓氣體與油層產(chǎn)出流體在井筒內(nèi)混合以降低液柱流體的密度，從而降低對井底的回壓，達(dá)到將井內(nèi)原油舉升至地面的一種采油方式。隨著鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆井技術(shù)越來越成熟。近年來，大斜度井、水平井和分支井越來越多，這也對油氣田開發(fā)中的采油工藝技術(shù)提出了越來越高的要求。大斜度井、水平井和分支井的井身結(jié)構(gòu)不再如直井那么簡單，而對于井身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的油井的采油方式的優(yōu)選也越來越重要，尤其是對于高產(chǎn)量、高氣油比、出砂的井，目前還沒有特別經(jīng)濟(jì)高效的開采方式，常規(guī)的電潛泵、有桿泵泵效低，故障頻繁，目前情況下氣舉成為了最好的開采方式。氣舉采油井筒中沒有運(yùn)動部件，是機(jī)械采油法中對油井生產(chǎn)條件適應(yīng)性較強(qiáng)的一種。隨著其技術(shù)的發(fā)展和配套技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用也越來越廣泛。目前，國內(nèi)外氣舉采油技術(shù)在大斜度井、水平井中均有應(yīng)用，盡管如此，針對大斜度井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井中的氣舉工藝的優(yōu)化設(shè)計理論研究較少。而一口氣舉井工作狀況的好壞，在很大程度上取決于氣舉井工藝參數(shù)的設(shè)計。一般來說，工藝參數(shù)設(shè)計合理，則氣舉工作效率就高；反之，則工作效率就差。

鑒于此，筆者從傾斜井流入動態(tài)、傾斜井筒多相管流[1] [2] [3]和氣舉設(shè)計理論[2] [3] [4] [5] [6]出發(fā)，以某油田一口傾斜井為例，展開了傾斜井氣舉設(shè)計與直井氣舉設(shè)計差異對比研究，以及傾斜井氣舉設(shè)計敏感參數(shù)分析研究。

2. 傾斜井氣舉優(yōu)化設(shè)計理論

由于傾斜井的應(yīng)用越來越多，因此考慮傾斜井在氣舉設(shè)計方法上與直井的差異顯得越來越重要。而傾斜井氣舉設(shè)計的研究涉及到3個方面：傾斜井流入動態(tài)方法、傾斜井筒多相管流計算方法和氣舉設(shè)計方法。

2.1. 傾斜井流入動態(tài)方法

如圖1所示，因井身斜穿油層，傾斜井中從地層向井的滲流關(guān)系比直井復(fù)雜。傾斜井的向井流動態(tài)關(guān)系預(yù)測已有許多方法，比較典型的有Van der Vlis A. C. 等人提出的等效半徑方法[7]、Cinco-Lee法[8]、Besson法[9]和滲流場疊加模型[10]。

Figure 1. The schematic diagram of deviated well圖1. 傾斜井示意圖

2.2. 傾斜井多相管流計算方法

準(zhǔn)確地預(yù)測傾斜井筒壓降變化是進(jìn)行油井自噴、人工舉升產(chǎn)量預(yù)測和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。盡管傾斜井筒多相管流的研究持續(xù)了很長時間，在多相管流壓力計算方面有了多種方法：如 Beggs-Brill[1], Hagedorn-Brown [11], Orkiszewski [12], Aziz-Govier-Fogarasi [13], Hasan-Kabir [14], Duns-Ros [15],Taitel-Barnea-Dukler [16], Ansari-Sylvester-Sarica [17], JPI [18], Hong-Quan Zhang [19]等，但大多是在垂直管實驗基礎(chǔ)上得到的，能用于不同傾斜角度條件下的多相管流壓力計算方法并不多，目前被應(yīng)用較多的有Beggs-Brill [1]和Brill-Mukherjee [2]兩種方法，除此之外，對于不同傾角的井筒壓力計算的另一種處理辦法是將在垂直井壓力計算中常用的方法用傾角進(jìn)行修正，修正后用于傾斜自噴井、氣舉井等的壓力計算。因此，目前常用的傾斜井多相管流壓力預(yù)測方法有6種：JPI、Beggs-Brill 修正、Mukherjee-Brill, Hasan,Aziz和Orkiszewski，具體選擇哪種方法需通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)檢驗驗證。

2.3. 傾斜井氣舉設(shè)計方法

常用的連續(xù)氣舉設(shè)計方法有降壓設(shè)計方法和變流壓設(shè)計方法[6]。降壓設(shè)計方法一般是在地面注氣壓力比較充足的情況下使用，變流壓設(shè)計方法一般是在地面注氣壓力相對不太充足的情況下使用。其中降壓設(shè)計方法又可細(xì)分為3種[20]：打開壓力等間距降壓設(shè)計、關(guān)閉壓力等間距降壓設(shè)計、非等間距降壓設(shè)計。關(guān)閉壓力等間距降壓設(shè)計計算速度快，可以保證地面關(guān)閉壓降是等梯度，且更方便于在地面判別是哪級閥注氣生產(chǎn)和控制，應(yīng)用最為廣泛。筆者將采用關(guān)閉壓力等間距降壓設(shè)計進(jìn)行傾斜井氣舉設(shè)計。

以注氣量為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，氣舉參數(shù)設(shè)計敏感性分析步驟如下：

1) 通過給定油井油藏參數(shù)、流體參數(shù)、井身配置參數(shù)、井口參數(shù)、目標(biāo)注氣量等，采用關(guān)閉壓力等間距降壓設(shè)計進(jìn)行直井、傾斜井氣舉設(shè)計，得到各級閥深度及調(diào)試參數(shù)，以及對應(yīng)可以達(dá)到的產(chǎn)液量參數(shù)；

2) 記錄目標(biāo)注氣量條件下對應(yīng)設(shè)計中最后一級氣舉閥注氣深度及所能達(dá)到的產(chǎn)液量大??；

3) 給定不同目標(biāo)注氣量，分別進(jìn)行步驟1)、2)，繪制出不同目標(biāo)注氣量條件下氣舉設(shè)計所能達(dá)到的注氣深度、產(chǎn)液量大小。

3. 實例計算

某油田一口氣舉井X，測試層位為Ed1(東一段)，測試井深2975.13 m (人工井底)，地層平均孔隙度24.47%。具體的層位測井解釋數(shù)據(jù)、自噴求產(chǎn)測試解釋數(shù)據(jù)及壓力溫度測試數(shù)據(jù)見表1和表2。

Table 1. The data of tested layer表1. 測試層數(shù)據(jù)

Table 2. The tested data of pressure and temperature表2. 壓力溫度測試數(shù)據(jù)

3.1. 傾斜井產(chǎn)能預(yù)測方法驗證

根據(jù)X井測試層數(shù)據(jù)，上面幾種傾斜井產(chǎn)能計算方法的計算結(jié)果見表3。

Table 3. The comparison of production methods for deviated well表3. 傾斜井產(chǎn)能計算方法對比

通過與實際試采資料進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明等效半徑方法(Van der Vlis A. C.等人)的計算結(jié)果比較符合實際。

3.2. 多相管流計算方法驗證

根據(jù)X井壓力測試數(shù)據(jù)，上面幾種多相管流壓力計算方法的計算結(jié)果見圖2和表4。

Figure 2. The diagram of comparison of multiphase pipe flow pressure calculation methods for deviated well圖2. 傾斜井多相管流壓力計算方法對比圖

Table 4. The comparison of multiphase pipe flow pressure calculation methods for deviated well表4. 傾斜井多相管流壓力計算方法對比

通過與實際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明Aziz多相管流計算方法的計算結(jié)果比較符合實際。

3.3. 直井、傾斜井氣舉設(shè)計對比及敏感參數(shù)分析

1) 根據(jù)優(yōu)選得到的傾斜井產(chǎn)能預(yù)測方法和多相管流壓力計算方法，采用關(guān)閉壓力等間距降壓設(shè)計法以與X井同等垂深的直井進(jìn)行直井氣舉設(shè)計和以X井進(jìn)行傾斜井氣舉設(shè)計，設(shè)計參數(shù)見表5，設(shè)計結(jié)果見圖3、圖4和表6?？梢钥闯?，在相同條件下，傾斜井氣舉設(shè)計所能達(dá)到的注氣深度(垂深)和產(chǎn)液量較直井氣舉設(shè)計所能達(dá)到的注氣深度(垂深)和產(chǎn)液量小。

Figure 3. The gas lift design of the vertical well with the same vertical depth in Well X圖3. 與X井同等垂深直井氣舉設(shè)計圖

Figure 4. The gas lift design of Well X圖4. X井氣舉設(shè)計圖

Table 5. The gas lift parameters表5. 氣舉設(shè)計參數(shù)

Table 6. The comparison of production by gas lifting in different wells表6. 不同井型氣舉設(shè)計對比

2) 根據(jù)優(yōu)選得到的傾斜井產(chǎn)能預(yù)測方法和多相管流壓力計算方法，在注氣量為 2000 m3/d，井口油壓為1.5 MPa等條件下采用關(guān)閉壓力等間距降壓設(shè)計法，以與X井同等垂深的不同傾斜角度傾斜井進(jìn)行氣舉設(shè)計參數(shù)敏感性分析，設(shè)計結(jié)果見圖5、圖6所示。

Figure 5. The gas injection depth changing with the dip angle of deviated well under different sensitivity parameters圖5. 不同敏感性參數(shù)下，注氣深度隨傾斜井傾斜角度變化情況

Figure 6. The fluid production changing with the dip angle of deviated well under different sensitivity parameters圖6. 不同敏感性參數(shù)下，產(chǎn)液量隨傾斜井傾斜角度變化情況

從圖5、圖6中可以看出，在相同條件下，氣舉所能達(dá)到的注氣深度(垂深)和產(chǎn)液量隨著傾斜角度增加逐漸減小，因此可知，要達(dá)到相同的目標(biāo)注氣深度，實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)量，傾斜角度越大所需要的注氣量越多。同時從圖中可以看出，含水率、氣油比、井口油壓、油管尺寸是氣舉設(shè)計注氣深度的敏感性參數(shù)，地層壓力、采油指數(shù)對氣舉設(shè)計注氣深度相對不敏感，盡管如此，含水率、氣油比、井口油壓、油管尺寸、地層壓力、采油指數(shù)均是氣舉設(shè)計產(chǎn)液量的敏感性參數(shù)。另外，從圖 6(f)中可以看出，減小油管尺寸能增加注氣深度和提高產(chǎn)液量，但是到一定程度(2?in、2?in)后，再減小油管尺寸對注氣深度和產(chǎn)液量的增幅效果不大。

4. 結(jié)論

在所給傾斜井氣舉優(yōu)化設(shè)計理論基礎(chǔ)上，通過某油田一口實例井進(jìn)行計算和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對計算方法進(jìn)行驗證優(yōu)選，進(jìn)而進(jìn)行直井和傾斜井氣舉設(shè)計對比分析，以及傾斜井氣舉設(shè)計敏感參數(shù)分析，得到了如下結(jié)論。

1) 在相同條件下，傾斜井氣舉設(shè)計所能達(dá)到的注氣深度(垂深)和產(chǎn)液量較直井氣舉設(shè)計所能達(dá)到的注氣深度(垂深)和產(chǎn)液量小。

2) 在相同條件下，氣舉所能達(dá)到的注氣深度(垂深)和產(chǎn)液量隨著傾斜角度增加逐漸減小，即要達(dá)到相同的目標(biāo)注氣深度，實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)量，傾斜角度越大所需要的注氣量越多。

3) 含水率、氣油比、井口油壓、油管尺寸是氣舉設(shè)計注氣深度的敏感性參數(shù)，地層壓力、采油指數(shù)對氣舉設(shè)計注氣深度相對不敏感，盡管如此，含水率、氣油比、井口油壓、油管尺寸、地層壓力、采油指數(shù)均是氣舉設(shè)計產(chǎn)液量的敏感性參數(shù)。

4) 減小油管尺寸能增加注氣深度和提高產(chǎn)液量，但是到一定程度后，再減小油管尺寸對注氣深度和產(chǎn)液量的增幅效果不大。

References)

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[編輯]黃鸝

Differences of Gas Lift Design between Deviated and Vertical Wells and the Analysis of Sensitivity Parameters

Wei Luo1, Wenqi Ke2, Ming Yang3, Yunheng Xu3, Yongqing Wang3, Yang Cheng11School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei
2Research Institute of Petroleum Exploration and Development, SINOPEC, Beijing
3Research Institute of Exploration and Development, Tuha Oilfield Company, PetroChina, Hami Xinjiang

Nov. 4th, 2016; accepted: Dec. 10th, 2016; published: Jun. 15th, 2017

Although gas lift technology has been applied to lift oil production in the highly deviated and horizontal wells increasingly, the differences between the gas lift design of deviated and vertical wells still exist. How these differences vary with the increase of the angle of inclination, which parameters are more sensitive to the design differences and how to choose the design parameters reasonably to optimize the gas lift design in the deviated wells are all always the difficulties for gas lift design reasonable in the deviated wells and few studies have been done in this field. In view of these problems, this paper takes a deviated well of an oilfield as an example. According to the measured data, the optimum method for productivity prediction and multiphase pipe flow pressure calculation are chosen, and then on the basis of the study, the design method under same casing pressure drop is chosen to analyze the difference between the design for gas lift in the deviated and vertical wells in the same conditions. By keeping other parameters constant and only changing the value of important parameter one by one, the changing regularity of gas injection depth and production with the change of inclination angles are analyzed, and the sensitivity parameters of gas lifting design for the deviated wells are then obtained, which can provide an important reference for the optimization and adjustment of gas lift design parameters in the deviated wells, and also provide a strong guarantee for high efficiency production.

羅威(1986-)，男，博士(后)，講師，主要從事多相管流及氣舉采油工藝的研究工作。

2016年11月4日；錄用日期：2016年12月10日；發(fā)布日期：2017年6月15日

文章引用:羅威, 柯文奇, 楊明, 徐云恒, 王永清, 程陽. 傾斜井與直井氣舉設(shè)計差異及其敏感參數(shù)分析研究[J]. 石油天然氣學(xué)報, 2017, 39(3): 52-60. https://doi.org/10.12677/jogt.2017.393028