高含蠟油井射流泵舉升參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

在原油生產(chǎn)開發(fā)過程中，含蠟量高且析蠟點(diǎn)較高的油田普遍存在井筒結(jié)蠟的問題。當(dāng)油井結(jié)蠟時(shí)，會影響單井產(chǎn)液能力，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致井筒堵塞，從而增加作業(yè)次數(shù)，影響生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中海油在中國海上主要的產(chǎn)油地區(qū)和國外開發(fā)區(qū)塊的部分油田都存在結(jié)蠟問題。對于海上結(jié)蠟油井，一般采用潛油電泵開采，并配套相應(yīng)的清防蠟工藝措施。目前，海上油田常用的清防蠟工藝主要有隔熱油管、熱化學(xué)解堵、化學(xué)藥劑、熱流體循環(huán)等，清蠟周期較短，作業(yè)頻次高，油田生產(chǎn)成本較高。

K油田儲層埋深2200m左右，析蠟點(diǎn)高達(dá)63℃，凝固點(diǎn)43℃，屬于高凝高含蠟油田。如采用電泵舉升工藝開采，生產(chǎn)過程中將面臨嚴(yán)峻的清防蠟問題，影響油田的開發(fā)效益。綜合考慮油田油藏開發(fā)方案、采油工藝需求以及地面工程配套設(shè)備，在開發(fā)前期考慮射流泵舉升工藝，可通過優(yōu)化動力液溫度提升井筒產(chǎn)出液溫度，使得混合動力液之后的井筒產(chǎn)出液的含水率和流速大幅提升，從而有效減少井筒蠟沉積，保證油井穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)。但是如何通過優(yōu)化射流泵舉升參數(shù)來防治井筒結(jié)蠟問題是亟待解決的關(guān)鍵問題。為此，筆者建立了射流泵井井筒溫度計(jì)算模型，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)射流泵舉升工藝參數(shù)，以達(dá)到油井防蠟的目的，確保油田高效穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 射流泵舉升防蠟機(jī)理

射流泵是利用射流原理將注入井內(nèi)的高壓動力液的能量傳遞給地層產(chǎn)出液的采油設(shè)備。射流泵沒有運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)緊湊，泵排量范圍大，管理免修期長，適用范圍廣，多用于含砂較高的油井，特別是當(dāng)其用蒸汽、稀油、熱水作動力液時(shí)，可用于稠油井和結(jié)蠟井，可使稠油降黏和防蠟。文獻(xiàn)[1～3]研究了利用蒸汽作為動力液為原油提供舉升能量，提升井筒內(nèi)原油溫度，提高井筒流體流動性；文獻(xiàn)[4～8]利用射流泵獨(dú)特的抽油工藝特點(diǎn)，將其用于稠油井、高凝油井、高含蠟井、含硫稠油井、超深井、大排量油井；文獻(xiàn)[9]針對淺海油田采用簡易衛(wèi)星平臺開發(fā)方式，設(shè)計(jì)了海上油田水力射流泵采油系統(tǒng)；文獻(xiàn)[10～12]為解決海上稠油舉升面臨的井筒降黏問題，采用稀油作為動力液的射流泵舉升工藝，在旅大油田成功應(yīng)用，為類似油田的后續(xù)開發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)?；贙油田原油高凝高含蠟的特點(diǎn)，擬采用反循環(huán)鋼絲投撈式射流泵。

圖1 含蠟原油動態(tài)析蠟特性評價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 提高井筒產(chǎn)出液溫度

通過提高動力液注入溫度，提升與動力液混合后的產(chǎn)出液溫度。當(dāng)井筒流體的溫度高于析蠟點(diǎn)時(shí)，井筒內(nèi)無蠟晶析出，流體的流動性得以提高。

圖2 不同含水率、流量條件下試驗(yàn)管段結(jié)蠟質(zhì)量

1.2 提高井筒產(chǎn)出液含水率和流速

為評價(jià)井筒動態(tài)結(jié)蠟規(guī)律，設(shè)計(jì)并建設(shè)了含蠟原油動態(tài)析蠟特性評價(jià)試驗(yàn)裝置[13]，通過試驗(yàn)樣品循環(huán)路線(儲液罐中的含蠟原油過蠕動泵泵入油管中，流經(jīng)管匯回到儲液罐，模擬井液流動狀況)和恒溫水浴循環(huán)路線(油管與套管之間的環(huán)空與恒溫水浴相連，用來模擬油管外的溫度狀況)來實(shí)現(xiàn)模擬不同含水率、流速、溫度和油壁溫差等條件下井筒內(nèi)壁動態(tài)結(jié)蠟規(guī)律。

運(yùn)用圖1所示的含蠟原油動態(tài)析蠟特性評價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置模擬了不同含水率、流量條件下樣品結(jié)蠟狀況，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，隨著含水率的增加，結(jié)蠟質(zhì)量越來越低；隨著流量的增加，剪切剝離作用逐漸加強(qiáng)，結(jié)蠟質(zhì)量先增加后減少，最終趨于穩(wěn)定。

對于射流泵舉升油井，動力液與地層產(chǎn)出液混合后，流體當(dāng)量熱值變大，混合產(chǎn)出液的流速增加，井筒中的熱損失小，油流在井筒內(nèi)得以保持較高的溫度，使得蠟不易析出。另一方面，由于流速高，對管壁的沖刷作用強(qiáng)，使蠟不易沉積在管壁上，并且能有效地將析出的蠟攜帶至井口。

此外，動力液與地層產(chǎn)出液混合后，混合產(chǎn)出液的含水率變大。含水率增高后，對結(jié)蠟產(chǎn)生2個(gè)方面的影響：一是水的比熱容大于油，可減少流體溫度降低；二是含水率增加后易在管壁形成連續(xù)水膜，不利于蠟的沉積。所以，隨著油井含水率的增加，結(jié)蠟程度有所減輕。

2 射流泵井井筒流體溫度場計(jì)算模型

射流泵井井筒流體溫度場計(jì)算模型包括井底至下泵深度處流體溫度計(jì)算模型、下泵深度至井口流體溫度計(jì)算模型、射流泵內(nèi)流體溫度場模型。井筒流體溫度場建模坐標(biāo)示意圖見圖3。

圖3 井筒流體溫度場建模坐標(biāo)示意圖

2.1 井底至下泵深度處流體溫度計(jì)算模型

地層產(chǎn)出流體沿著井筒向上流動至摻入點(diǎn)，以井底為坐標(biāo)原點(diǎn)，垂直向上為正。該段的井筒流體溫度計(jì)算公式[14]為：

(1)

式中：t1為井底至下泵深度處產(chǎn)出液的溫度，℃；m為地溫梯度，℃/m；W2為地層產(chǎn)出液的水當(dāng)量，W/℃；K2為套管內(nèi)產(chǎn)出液與地層的換熱系數(shù)，W/(℃·m)；l1為井底至下泵深度段井底向上的高度，m；tr為地層溫度，℃。

2.2 下泵深度至井口流體溫度計(jì)算模型

根據(jù)能量守恒定律，以井口為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿井筒垂直向下為正(見圖3)，該段的微分方程為：

(2)

解方程(2)得：

(3)

其中：

(4)

式中：t2為下泵深度至井口段產(chǎn)出液的溫度，℃；K1為油管內(nèi)外的傳熱系數(shù)，W/(℃·m)；t2zr為下泵深度至井口段注入液的溫度，℃；t0為地表溫度，℃；W1為注入動力液的水當(dāng)量，W/℃；W為注入動力液與地層產(chǎn)出液的混合流體的水當(dāng)量(W=W1+W2)，W/℃；l2為下泵深度至井口段從井口向下的深度，m；C1與C2的值可由邊界條件確定，初始邊界條件為：

(5)

式中：hj為射流泵下泵深度，m；tinj為井口注入動力液溫度，℃；t2(hj)、t1(hj)、t2zr(hj)分別為混合產(chǎn)出液、地層產(chǎn)出液、注入動力液在下泵深度處的溫度，℃。

2.3 射流泵內(nèi)流體溫度場模型

流經(jīng)導(dǎo)流罩的地層產(chǎn)出液與流經(jīng)噴嘴的注入動力液在喉管處混合，該處溫度場、流場、壓力場非常復(fù)雜，初始邊界條件中混合液在下泵深度處的溫度t2(hj)的計(jì)算方法無法準(zhǔn)確描述射流泵對溫度場的影響。因此，筆者運(yùn)用Fluent軟件建立了射流泵模擬模型[15～19](見圖4)。

通過改變下泵深度處動力液溫度、動力液量、地層產(chǎn)出液量和地層產(chǎn)出液溫度，計(jì)算泵出口處混合產(chǎn)出液的溫度，計(jì)算結(jié)果收斂圖如圖5所示，計(jì)算結(jié)果云圖如圖6所示。

運(yùn)用Mathematica軟件，基于Levenberg-Marquardt最優(yōu)化算法，回歸得到了泵出口處混合產(chǎn)出液溫度與下泵深度處動力液溫度、動力液量、地層產(chǎn)出液量和地層產(chǎn)出液溫度的關(guān)系:

(6)

式中:a、b、c為修正系數(shù),a=-0.059，b=0.00189，c=-0.00171。

圖4 Fluent軟件模擬模型示意圖

圖5 Fluent軟件模擬模型計(jì)算結(jié)果收斂圖

圖6 Fluent軟件模擬模型計(jì)算溫度云圖

不同方法計(jì)算流經(jīng)射流泵后的混合液溫度的結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，式(6)的擬合結(jié)果與Fluent模擬結(jié)果基本重合，能夠準(zhǔn)確地反映注入動力液與地層產(chǎn)出液經(jīng)射流泵混合后的溫度。因此，方程組(5)修正后的邊界條件為：

(7)

3 射流泵井井筒流體溫度場敏感性分析

圖7 不同方法計(jì)算流經(jīng)射流泵后的混合液溫度

圖8 不同注入動力液量條件下井筒流體溫度隨井深的變化關(guān)系

3.1 注入動力液量

在油井產(chǎn)油量為50m3/d、不含水條件下，以水為動力液，動力液注入溫度為70℃，下泵深度為1800m，注入動力液量分別取100、200、300、400、500m3/d進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果見圖8。由圖8可見，隨著注入動力液量增加，混合產(chǎn)出液溫度逐漸升高；當(dāng)動力液量達(dá)到400m3/d時(shí)，井筒流體溫度高于63℃，滿足防蠟要求。

3.2 注入動力液溫度

在油井產(chǎn)油量為200m3/d、不含水條件下，注入動力液量為200m3/d，下泵深度為1800m，注入動力液溫度分別取55、60、65、70℃進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果見圖9。由圖9可見，隨著注入動力液溫度增加，混合產(chǎn)出液溫度逐漸升高；當(dāng)注入動力液溫度達(dá)到65℃時(shí)，井筒流體溫度高于63℃，滿足防蠟要求。

3.3 下泵深度

在油井產(chǎn)油量為100m3/d、不含水條件下，注入動力液量為100m3/d，注入動力液溫度為70℃，下泵深度分別取600、1000、1400、1800、2000m進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果見圖10。由圖10可見，隨著下泵深度的增加，混合產(chǎn)出液溫度逐漸升高；當(dāng)下泵深度達(dá)到1400m時(shí)，井筒流體溫度高于63℃，滿足防蠟要求。

4 K油田射流泵舉升防蠟工藝設(shè)計(jì)

K油田在開發(fā)生產(chǎn)過程中，部分井因產(chǎn)液量較低，存在結(jié)蠟風(fēng)險(xiǎn)。受地面工程因素制約，井口最大注入壓力為20MPa，最大注入溫度為75℃。以K12井為例，該井產(chǎn)油量為117m3/d(不含水)，生產(chǎn)氣油比為41.5m3/m3，下泵深度為1611m，泵型為E-9，注入動力液溫度為70℃，注入動力液量為191m3/d。經(jīng)計(jì)算，該井井筒流體溫度結(jié)果見圖11。由圖11可見，井筒流體溫度低于63℃，存在析蠟風(fēng)險(xiǎn)，與實(shí)際相符。

圖9 不同注入動力液溫度條件下井筒流體溫度 圖10 不同下泵深度條件下井筒流體溫度 隨井深的變化關(guān)系 隨井深的變化關(guān)系

根據(jù)上述敏感性分析結(jié)果，重新對K12井進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。受井身結(jié)構(gòu)限制，該井無法提高下泵深度，考慮同一井場注入溫度要求，如提高注入動力液溫度，成本花費(fèi)大。因此，選擇依靠提高注入動力液量確保井筒流體溫度高于析蠟溫度。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，泵型為F-9，注入動力液溫度為70℃，注入動力液量為303m3/d。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算井筒流體溫度結(jié)果如圖12所示，井筒流體溫度高于析蠟溫度，滿足生產(chǎn)要求。

圖11 K12井井筒流體溫度隨井深的變化關(guān)系 圖12 優(yōu)化設(shè)計(jì)后K12井井筒流體溫度 隨井深的變化關(guān)系

5 結(jié)論

1)建立了射流泵舉升工藝井筒流體溫度計(jì)算模型，運(yùn)用Fluent軟件，基于Levenberg-Marquardt最優(yōu)化算法，回歸了泵出口處混合產(chǎn)出液溫度與注入動力液參數(shù)、地層產(chǎn)出液參數(shù)之間的關(guān)系式，并以此為邊界條件求解射流泵井筒流體溫度模型。

2)提高注入動力液量和溫度、下泵深度，混合產(chǎn)出液溫度逐漸升高，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)射流泵舉升工藝參數(shù)，達(dá)到防蠟?zāi)康摹?/p>