新型混合氣舉方式設(shè)計與優(yōu)化方法研究*

羅 威 姚 堅 馮建設(shè) 趙彬彬 謝向威 張 敏

(1. 長江大學石油工程學院 湖北武漢 430100； 2. 中國石油天然氣集團公司氣舉試驗基地多相流研究室 湖北武漢 430100；3. 中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院 陜西西安 710018；4. 中國石油塔里木油田分公司勘探事業(yè)部 新疆庫爾勒 841000；5. 中國石油西部鉆探工程有限公司試油公司 新疆克拉瑪依 834000)

氣舉設(shè)計方法不僅是氣舉工藝現(xiàn)場順利實施的保障[1]，而且是氣舉工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和評價的基礎(chǔ)[2]。氣舉降壓設(shè)計方法[3-10]和氣舉變流壓設(shè)計方法[3]是氣舉采油常用的2種設(shè)計方法，尤其是氣舉降壓設(shè)計方法應(yīng)用最為廣泛，但這2種氣舉設(shè)計方法均有一定的局限性。氣舉降壓設(shè)計適用于有較充足地面注氣壓力的情況，具有便于從地面識別出哪一級氣舉閥工作和便于在地面進行調(diào)節(jié)控制的優(yōu)點，且氣舉降壓設(shè)計生產(chǎn)較變流壓設(shè)計生產(chǎn)穩(wěn)定，但沒有氣舉變流壓設(shè)計可達注氣深度大。而氣舉變流壓設(shè)計不具有能從地面識別出哪一級氣舉閥工作和能在地面進行調(diào)節(jié)控制的優(yōu)點，且氣舉變流壓設(shè)計生產(chǎn)沒有降壓設(shè)計生產(chǎn)穩(wěn)定，但能充分利用地面注氣壓能，較氣舉降壓設(shè)計可達注氣深度大。

由于世界石油需求量的持續(xù)增加，易開發(fā)區(qū)塊或油田越來越少，而且隨著開發(fā)技術(shù)(深井鉆井技術(shù)、水平井技術(shù)、大型壓裂技術(shù))的進步，人們逐漸將目光投向開發(fā)難度大的海上油田和埋藏較深的陸上油田，更加關(guān)注稠油、低滲、特低滲和頁巖氣等非常規(guī)油藏的開發(fā)，因此深井越來越多的進入到開發(fā)的行列。氣舉采油技術(shù)作為應(yīng)用最為廣泛的人工舉升技術(shù)之一，面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為深井氣舉、深氣舉老井挖潛等如何盡可能發(fā)揮地面可提供的注氣壓能、提高氣舉系統(tǒng)效率成為亟需解決的技術(shù)問題，如讓那若爾油田氣舉老井加深注氣深度挖潛[11-12]，復雜多層深井快速返排[13]等。與最常用的降壓設(shè)計工藝技術(shù)相比，將氣舉降壓設(shè)計方法和氣舉變流壓設(shè)計方法進行結(jié)合組成一種能提高氣舉舉升深度和排采能力的新型混合氣舉工藝技術(shù)既具有增加注氣深度、增強排采能力，又具有便于地面判斷工作閥的級次、氣舉生產(chǎn)穩(wěn)定和控制氣舉閥開閉狀況等優(yōu)點，其適用范圍亦包含氣舉降壓設(shè)計和氣舉變流壓設(shè)計工藝技術(shù)的適用范圍，能較好地滿足此類技術(shù)問題的需要，并已有成功應(yīng)用先例[13]。盡管如此，對新型混合氣舉方式的應(yīng)用及研究較少，特別是其工藝設(shè)計和優(yōu)化方法。筆者開展將氣舉變流壓設(shè)計方法和降壓設(shè)計方法組合成新型混合氣舉方式的工藝設(shè)計和優(yōu)化方法研究，以期為該類混合氣舉方式完井管柱優(yōu)化設(shè)計和生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)，進而在油氣田中推廣應(yīng)用。

1 新型混合氣舉方式物理模型

Pohler 等[13]提出了將氣舉變流壓設(shè)計與降壓設(shè)計工藝技術(shù)進行組合形成一種能提高氣舉舉升深度和排采能力的新型混合氣舉工藝技術(shù)，該技術(shù)已在油田作業(yè)后的快速返排中得到成功應(yīng)用，且避免了注氣壓力直接作用于地層，減少了對地層產(chǎn)生的傷害。因此，氣舉變流壓設(shè)計與降壓設(shè)計方法組合成的新型混合氣舉方式可以在實際油、氣井系統(tǒng)中達到快速生產(chǎn)或排液目的。新型混合氣舉方式的特點是在某一深度以上采用氣舉變流壓設(shè)計布置相應(yīng)的油壓閥，在該深度以下采用氣舉降壓設(shè)計布置相應(yīng)的套壓閥，由于用途不同，該深度上下的注氣通道和生產(chǎn)通道的類型、尺寸可以不同，如圖1所示。

圖1 新型混合氣舉方式快速返排管柱示意圖Fig .1 Schematic diagram of rapid back-flow string by using a new compound gas lift method

筆者以常用的半閉式管柱正舉氣舉(圖1中封隔器以上為正舉)為研究對象得到了新型混合氣舉方式設(shè)計和優(yōu)化方法，設(shè)計中的流動通道大小可根據(jù)目標油井不同井段實際配置情況進行設(shè)置(若是油管，則流動通道尺寸為油管內(nèi)徑；若是環(huán)空流道，則流動通道尺寸可配置為與其等效的油管內(nèi)徑)，既能滿足不同尺寸油管組合配置生產(chǎn)或排液需要，又能滿足不同舉升方式管柱組合配置生產(chǎn)或排液需要。

2 新型混合氣舉方式設(shè)計與優(yōu)化方法

結(jié)合氣舉變流壓設(shè)計方法和氣舉降壓設(shè)計方法，根據(jù)U形管原理和氣舉井卸載基本原理，給出了新型混合氣舉方式設(shè)計和優(yōu)化方法。

2.1 設(shè)計方法

新型混合氣舉方式設(shè)計需要知道不同類型閥分界線的深度，假設(shè)分界線的深度為hboundary，可根據(jù)油井實際情況進行設(shè)定。如復雜多層深井快速返排[13]，為了防止注入高壓氣體直接作用于地層造成儲層傷害，分界線深度就需要設(shè)定在所有層位之上；對于分界線深度沒有特殊要求且未知的，則可以根據(jù)不同分界線深度的設(shè)計方案優(yōu)選出最優(yōu)方案。首先采用氣舉變流壓設(shè)計方法計算各級閥深度，從上往下，若所有閥深度小于hboundary，則采用變流壓設(shè)計方法進行閥深度和參數(shù)設(shè)計；若某一級閥深度大于hboundary，則從該級閥開始的后續(xù)閥深度和參數(shù)設(shè)計采用氣舉降壓設(shè)計方法，但須注意該級閥與上一級閥設(shè)計參數(shù)之間的銜接。

1) 第1級閥深度設(shè)計。

頂部第1級閥深度計算是氣舉設(shè)計的起點，其設(shè)計深度不僅會影響到后續(xù)閥的設(shè)計深度，也會影響到整口井的布閥級數(shù)，特別是對于深井和需要增加注氣深度的井來說更加重要。若第1級閥不能充分利用注氣壓能，則會影響整個氣舉設(shè)計對注氣壓能的充分利用。因此，第1級閥深度設(shè)計需要更精確的設(shè)計方法[8-10]，以盡可能充分發(fā)揮地面注氣壓能。氣舉降壓設(shè)計和氣舉變流壓設(shè)計的第1級閥深度的精確設(shè)計方法相同，具體計算流程如圖2所示。

圖2 第1級閥深度設(shè)計流程圖Fig .2 Flow chart of the first stage valve depth design

2) 第1級閥參數(shù)設(shè)計。

若閥深度小于hboundary，則第1級閥采用變流壓設(shè)計，即

(1)

ptc1=pd1=ptf1

(2)

ptro1=pd1Ct1/(1-R1)

(3)

式(1)～(3)中：pto1為第1級閥閥門打開所需油管壓力，MPa；pd1為第1級閥處閥封包壓力，MPa；R1為第1級閥閥座面積與閥風包有效總面積之比；poperating為地面可提供操作注氣壓力，MPa；rg為氣柱壓力梯度，MPa/m;h1為第1級閥深度，m；ptc1為第1級閥閥門關(guān)閉所需油管壓力，MPa；ptf1為第1級閥的轉(zhuǎn)移油壓，MPa；ptro1為第1級閥試驗架打開壓力，MPa；Ct1為第1級閥氮氣的溫度校正系數(shù)。

若閥深度大于hboundary，則第1級閥及后續(xù)閥均采用降壓設(shè)計,即

pvo1=poperating

(4)

pvc1=(pvo1+h1rg)(1-R1)+ptmin1R1-h1rg

(5)

ptro1=(pvc1+h1rg)Ct1/(1-R1)

(6)

hi=(hi-1rs+psoi-ptmin(i-1)-Δp)/(rs-rg)

(i≥2)

(7)

psoi=pvc(i-1)(i≥2)

(8)

pvci=pvc(i-1)-Δp(i≥2)

(9)

pvoi=(pvci+hirg-ptminiRi)/(1-Ri)-hirg

(i≥2)

(10)

ptroi=(pvci+hirg)Cti/(1-Ri) (i≥2)

(11)

式(4)～(11)中：pvo1為第1級閥地面打開壓力(套壓)，MPa；pvc1為第1級閥地面關(guān)閉壓力，MPa；ptmin1為第1級閥最小流壓，MPa；psoi為第i級閥設(shè)計深度的地面注氣壓力，MPa；pvoi為第i級閥地面打開壓力，MPa；ptmin(i-1)為第i-1級閥處最小流壓，MPa；Ri為第i級閥閥座面積與閥風包有效總面積之比；pvci為第i級閥地面關(guān)閉壓力，MPa；Δp為閥間壓降，MPa；ptroi為第i級閥試驗架打開壓力，MPa；Cti為第i級閥氮氣的溫度校正系數(shù)。

3) 其他各級閥深度及閥參數(shù)設(shè)計。

若第i級閥深度小于hboundary，則采用變流壓設(shè)計,即

hi=(hi-1rs+poperating-ptf(i-1)-Δp)/(rs-rg)

(i≥2)

(12)

(13)

ptci=pdi=ptfi(i≥2)

(14)

ptroi=pdiCti/(1-Ri) (i≥2)

(15)

式(12)～(15)中：ptoi為第i級閥閥門打開所需油管壓力，MPa；pdi為第i級閥處閥封包壓力，MPa；hi為第i級閥深度，m；ptci為第i級閥閥門關(guān)閉所需油管壓力，MPa；ptfi為第i級閥的轉(zhuǎn)移油壓，MPa；

若第i級閥深度大于hboundary，則采用降壓設(shè)計,即

hi=(hi-1rs+psoi-ptmin(i-1)-Δp)/(rs-rg)

(i≥2)

(16)

若第i級閥為第1級套壓控制閥，則設(shè)計參數(shù)為

psoi=poperating(i≥2)

(17)

pvoi=poperating(i≥2)

(18)

pvci=(pvoi+hirg)(1-Ri)+ptminiRi-hirg

(i≥2)

(19)

ptroi=(pvci+hirg)Cti/(1-Ri) (i≥2)

(20)

那么，第i+1級及之后的套壓控制閥設(shè)計參數(shù)為

pso(i+1)=pvci(i≥2)

(21)

pvc(i+1)=pvci-Δp(i≥2)

(22)

pvo(i+1)=(pvc(i+1)+hi+1rg-ptmin(i+1)Ri+1)/

(1-Ri+1)-hi+1rg(i≥2)

(23)

ptro(i+1)=(pvc(i+1)+hi+1rg)Ct(i+1)/(1-Ri+1)

(i≥2)

(24)

2.2 設(shè)計流程和優(yōu)化方法

2.2.1設(shè)計流程

假設(shè)不同類型閥分界線的深度為hboundary，以給定目標注氣量為例給出的新型混合氣舉方式設(shè)計流程如下：

1) 首先根據(jù)油井無阻流量將最大產(chǎn)量進行n次等量遞減，產(chǎn)量從大到小分別為Q1、Q2、Q3、…、Qn(n最大可取15)。

2) 選擇產(chǎn)量Q1，在給定目標注氣量下，利用多相管流計算方法，以井口油壓pwh為起始點自上而下進行計算，得到油井最小生產(chǎn)油壓線。

3) 由地面可提供操作注氣壓力poperating開始，根據(jù)環(huán)空氣柱計算方法得環(huán)空氣柱梯度，環(huán)空氣柱壓力分布線與最小生產(chǎn)油壓線的交點即為平衡點。

4) 考慮過閥壓差，根據(jù)設(shè)定的最小過閥壓差Δp，將環(huán)空氣柱壓力分布線向左移Δp，與最小生產(chǎn)油壓線的交點即為目標注氣點。若目標注氣點深度大于最大限制深度，則以最大限制深度為目標注氣點；反之，則目標注氣點深度不變。

5) 以井口油壓pwh+0.2poperating為起始點，目標注氣點為終點，得到設(shè)計油壓線。

6) 根據(jù)前述方法計算第1級閥和后續(xù)閥的深度及參數(shù)。

7) 每計算出1個閥的深度后，與注氣點深度進行比較，若第i級閥深度hi>h注氣點時，進行以下判定:①如果hi-h注氣點<1 m時，即停止計算，則第i級氣舉閥剛好落在注氣點上，h注氣點深度即為第i級氣舉閥布閥深度。②如果hi-h注氣點>1 m時，將上一級閥深度hi-1與注氣點深度進行比較，如果|hi-1-h注氣點|≥hmin(最小閥間距)，則注氣點作為最后一級閥(第i級閥)布閥深度；如果|hi-1-h注氣點|

8) 確定出所有閥深度和設(shè)計參數(shù)后，從目標注氣點開始利用多相管流計算方法自上往下計算到井底，得到對應(yīng)井底流壓pwf1，記錄下此時的井底流壓pwf1和Q1。

9) 選取產(chǎn)量Q2、Q3、…、Qn，重復步驟1～8，得到一系列井底流壓pwf2、Q2，…,pwfn、Qn，即可繪制出該井的流出動態(tài)曲線。

10) 根據(jù)該井的流入動態(tài)曲線繪制出油井的IPR曲線，流入動態(tài)曲線與流出動態(tài)曲線的交點即為該井的協(xié)調(diào)產(chǎn)量Q，該產(chǎn)量下所對應(yīng)的布閥設(shè)計即是在目標注氣量條件下的氣舉設(shè)計。

2.2.2優(yōu)化方法

從上述新型混合氣舉方式設(shè)計方法可知，若不考慮經(jīng)濟因素(使用閥的多少)，那么在同等條件下存在最優(yōu)分界線hboundary使新型混合氣舉方式氣舉設(shè)計能達到注氣深度最深和氣舉產(chǎn)量最高。因此，新型混合氣舉方式設(shè)計優(yōu)化方法具體如下。

1) 分界線hboundary取從深度為0到深度為井深H的一系列從小到大的值。

2) 依次選取其中1個分界線值，按照前述方法進行新型混合氣舉方式布閥設(shè)計，記錄對應(yīng)目標注氣深度和產(chǎn)量。

3) 分界線所有取值都計算完成后，選擇目標注氣深度最大和產(chǎn)量最高的2個分界線值組成一個新的區(qū)間，如果區(qū)間上下限差值不在允許誤差范圍內(nèi)，則分界線hhoundary取這個區(qū)間的一系列從小到大的值；如果區(qū)間上下限差值在誤差允許范圍內(nèi)，則跳到步驟5結(jié)束。

4) 重新回到步驟2。

5) 當前分界線值即為最優(yōu)分界線值，對應(yīng)布閥設(shè)計為同等條件下新型混合氣舉方式的最優(yōu)布閥設(shè)計。

3 實例分析

基本參數(shù)：油藏深度3 768 m，油藏壓力17.24 MPa，油藏溫度84 ℃，產(chǎn)液指數(shù)115.3 m3/(d·MPa)，井口壓力2.41 MPa，氣油比107 m3/m3，含水5%，溶解氣密度0.84 kg/m3，原油密度910 kg/m3，地層水密度1 020 kg/m3，油管內(nèi)徑0.076 m，套管內(nèi)徑0.162 m，地溫梯度0.02 ℃/m，井液壓力梯度1.05 MPa/100 m，假設(shè)井液在井口位置。

注氣參數(shù)：啟動壓力12 MPa，可提供操作壓力10 MPa，目標注氣閥最小注氣壓差0.7 MPa(其他卸載閥注氣壓差0.5 MPa)，閥間注氣壓降0.25 MPa。

現(xiàn)有φ25.4 mm和φ38.1 mm系列氣舉閥，采用φ5.4 mm系列閥進行氣舉設(shè)計與采用φ8.1 mm系列閥進行氣舉設(shè)計差別不大(其差別產(chǎn)生的影響可參考文獻[8])，因此本文以φ5.4 mm系列閥為例進行新型混合氣舉方式氣舉設(shè)計。

假設(shè)目標注氣量范圍為5 000～60 000 m3/d時，分界線hhoundary范圍為0～3 768 m，采用新型混合氣舉方式進行氣舉設(shè)計，并與2種常用設(shè)計方法的設(shè)計結(jié)果進行對比，結(jié)果見表1。以注氣量為5 000 m3/d、分界線深度為2 500 m時的新型混合氣舉方式設(shè)計為例，其氣舉設(shè)計結(jié)果見圖3。

表1 3種氣舉方式氣舉設(shè)計結(jié)果對比統(tǒng)計表Table 1 Design results comparison statistics of three gas lift methods

圖3 新型混合氣舉方式氣舉設(shè)計圖(注氣量為5 000 m3/d、 分界線深度為2 500 m)Fig .3 Gas lift design has been drawn by the new compound gas lift method(the gas injection volume and the boundary depth are 5 000 m3/d and 2 500 m)

從表1可以看出：

1) 同一注氣量條件下，注氣深度越大，對應(yīng)產(chǎn)量越高。

2) 當hboundary為0或小于第1級閥深度時，設(shè)計結(jié)果為降壓氣舉設(shè)計結(jié)果，得到的注氣深度和產(chǎn)量最?。划攈houndary為井深或大于最后一級閥深度時，設(shè)計結(jié)果為變流壓氣舉設(shè)計結(jié)果，得到的注氣深度和產(chǎn)量大多數(shù)是最大，但也有注氣深度和產(chǎn)量不是最大的情況。如注氣量為5 000 m3/d時，由于降壓設(shè)計采用最小油壓線布置閥深，變流壓設(shè)計采用設(shè)計油壓線布置閥深，而同一深度最小流壓小于設(shè)計油壓，同等注氣壓力條件下降壓設(shè)計布置的閥間距大于變流壓設(shè)計布置的閥間距，在不小于最小閥間距要求下采用降壓設(shè)計有時達到注氣深度更深，產(chǎn)量更高。

3) 隨著分界線深度的變大，注氣深度和產(chǎn)量不是總在變大。如注氣量為30 000～60 000 m3/d，分界線深度由1 500 m變到2 000 m時，注氣深度和產(chǎn)量反而變小，原因是隨著分界線深度的增加，閥的總數(shù)不變，油壓閥增多，套壓閥減少，而同等條件下降壓設(shè)計(套壓閥)布置的深度比變流壓設(shè)計(油壓閥)布置的深度要大，因此有可能出現(xiàn)注氣深度和產(chǎn)量不增反降的情況。當閥的總數(shù)不變，油壓閥增多，套壓閥減少，注氣深度和產(chǎn)量也有出現(xiàn)增加的情況(如分界線深度由1 000 m變到1 500 m時)。

4) 新型混合氣舉方式設(shè)計方法的注氣深度和排采能力介于降壓設(shè)計方法和變流壓設(shè)計方法之間，注氣量為5 000 m3/d時則超過變流壓設(shè)計方法(分界線為3 000 m時新型混合氣舉方式設(shè)計的注氣深度最深，產(chǎn)量最大，超過了同等注氣量條件下的變流壓設(shè)計)。新的設(shè)計方法具有降壓設(shè)計方法的所有優(yōu)點，即具有便于地面判斷工作閥級數(shù)、氣舉生產(chǎn)穩(wěn)定和地面能控制氣舉閥開閉狀況等優(yōu)點，相比原有的2種氣舉設(shè)計方法均具有較明顯的優(yōu)勢。

5) 分界線深度在2 500 m以上時，氣舉閥總的數(shù)量快速增加，主要是油壓閥快速增加，油井開采成本增加，因此，在實際生產(chǎn)中需與經(jīng)濟因素相結(jié)合進行綜合考慮，確定氣舉閥布置上限個數(shù)，從而選擇出經(jīng)濟效果最優(yōu)的分界線深度進行氣舉設(shè)計。

由圖3可知，新型混合氣舉方式上面使用油壓控制閥時套壓不會降低，直到下面使用套壓控制閥時套壓才會根據(jù)壓降設(shè)計值逐級下降，這表明新型混合氣舉方式充分利用了地面注氣壓力，同等注氣壓力和注氣量條件下增加了注氣深度和產(chǎn)量，提高了注入氣體的利用率，即提高了氣舉系統(tǒng)效率。

4 結(jié)論

根據(jù)新型混合氣舉方式物理模型，從新型混合氣舉方式的工作原理出發(fā)，給出了該新氣舉方式的設(shè)計方法、流程和優(yōu)化方法，并通過實例計算，與氣舉壓降設(shè)計、氣舉變流壓設(shè)計結(jié)果進行了對比，得到了如下認識：

1) 與降壓設(shè)計和變流壓設(shè)計方法相比，新型混合氣舉方式設(shè)計方法的注氣深度和排采能力介于降壓設(shè)計方法和變流壓設(shè)計方法之間，甚至有可能超過變流壓設(shè)計方法，不僅注氣深度增加，排采能力增強，而且還具有降壓設(shè)計方法的所有優(yōu)點，即具有便于地面判斷工作閥級數(shù)、氣舉生產(chǎn)穩(wěn)定和地面能控制氣舉閥開閉狀況等優(yōu)點，相比原有的2種氣舉設(shè)計方法均具有較明顯的優(yōu)勢。但當分界線深度大于一定值后，氣舉閥總的數(shù)量快速增加，主要是油壓閥快速增加，油井開采成本增加，因此，在實際生產(chǎn)中需與經(jīng)濟因素相結(jié)合進行綜合考慮，確定氣舉閥布置上限個數(shù)，從而選擇出經(jīng)濟效果最優(yōu)的分界線深度進行氣舉設(shè)計。

2) 新型混合氣舉方式上面使用油壓控制閥時套壓不會降低，直到下面使用套壓控制閥時套壓才會根據(jù)壓降設(shè)計值逐級下降，這表明該新型氣舉方式充分利用了地面注氣壓力，提高了氣舉系統(tǒng)效率。