一種新型井下氣液分離舉升工藝系統(tǒng)計(jì)算方法

王 磊

（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）

0 引言

為了解決海上油田高含氣井況電泵舉升效率低、檢泵周期短等難題，現(xiàn)有多種分離技術(shù)已應(yīng)用于油氣田開發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐中[1,2]，其中氣液分離器防氣效果最為顯著，應(yīng)用最為廣泛?，F(xiàn)有分離技術(shù)主要機(jī)理有重力沉降式、旋流式兩種方式。旋流分離器一般可分為靜態(tài)旋流、動態(tài)旋流、螺旋式旋流和復(fù)合式旋流4種[3,4]。特別是鄭春峰等人建立的高效氣液分離器及配套的工藝管柱填補(bǔ)了在井下小尺寸空間、高含氣率、寬流程及多流型的工況環(huán)境下實(shí)現(xiàn)氣液高效分離的方式，但鄭春峰等[5,6]人為給出如何進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)協(xié)調(diào)分析，方可保證井下工具處于高效區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)工作，保證整個工藝高可靠性運(yùn)轉(zhuǎn)。為此給出一種井下高效氣液分離舉升系統(tǒng)分析方法，為保證井下氣液分離舉升工藝系統(tǒng)高可靠運(yùn)轉(zhuǎn)提供一種有效的解決方法。

1 井下氣液分離舉升工藝原理

1.1 工藝原理

分層開采裝置實(shí)現(xiàn)了地層產(chǎn)出液的混合采集，混合產(chǎn)出液進(jìn)入高效氣液分離器，分離裝置實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)出液的高效分離，分離后的富液流通過出液口流至油套環(huán)空，通過電泵增壓舉升流至特殊Y接頭，增壓后的富液流通過設(shè)置的4-1/2”與2-7/8”環(huán)形空間舉升至井口。分離后的富氣流通過排氣管排至特殊Y接頭上方，利用氣體自身能量通過2-7/8”油管溢流至井口，如圖1。

圖1 井下氣液分離舉升工藝管柱圖Fig.1 Downhole gas-liquid separation lifting process string diagram

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1）所設(shè)計(jì)的工藝管柱適用于海上7in和9-5/8in套管完井管柱。

2）所設(shè)計(jì)的工藝管柱與海上常規(guī)Y型生產(chǎn)管柱相類似，作業(yè)實(shí)施方案成熟，大大降低了作業(yè)及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3）建立液體/氣體獨(dú)立流動通道，可提高氣路臨界攜液氣量，有效避免氣路通道二次積液風(fēng)險(xiǎn)。

2 井下高效氣液分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析

2.1 結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)

采用軸向式入口結(jié)構(gòu)，流體通過軸向式入口進(jìn)入環(huán)形空間，然后通過雙對稱螺旋線式切向入口產(chǎn)生旋流場，在重力作用下密度大的液體向下并向柱體壁面附近運(yùn)動，最終從出液口流出。密度小的氣體向上運(yùn)動并向管道中心區(qū)域運(yùn)動，最終從出氣口流出。出氣口向柱體管段內(nèi)做延伸插入設(shè)計(jì)，可減少從入口沿壁面運(yùn)動到出氣口的液體，進(jìn)一步降低出氣口含液率，如圖2。

圖2 新型井下氣液分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of new downhole gas-liquid separator

2.2 分離器性能評價(jià)方法的建立

為有效評價(jià)氣液分離器的分離性能，引入運(yùn)行分流比和最優(yōu)分流比概念。一般認(rèn)為，在通過分離器瞬間氣體和液體可認(rèn)為在同一系統(tǒng)壓力下密度和黏度無明顯變化，也就是說此時(shí)的氣體和液體可視為不可壓縮流體，氣體和液體通過氣液分離器時(shí)體積基本保持不變。于是分流比和最優(yōu)分流比可按以下規(guī)則定義：

分流比定義如下：

式（1）中：Ql為分離器分離后出液口的液氣兩相總流量，m3/d；QI為分離器入口的液氣兩相總流量，m3/d；Fk為分離器運(yùn)行分流比，小數(shù)；F為分離器最優(yōu)分流比，小數(shù)。

根據(jù)室內(nèi)常壓實(shí)驗(yàn)評價(jià)規(guī)律性的認(rèn)識，將氣液分離器出氣口含率和出液口含率計(jì)算方法定義如下：

按上述高效氣液分離器出口含率理論計(jì)算方法，繪制出分離器出口含率特征曲線，如圖3。

圖3 不同入口含氣率工況下分離器出口含率特征曲線圖Fig.3 Characteristic curve of separator outlet gas holdup under different inlet gas holdup conditions

3 井下氣液分離舉升系統(tǒng)分析方法

按照經(jīng)典采油工程井筒系統(tǒng)分析方法，井下氣液分離舉升系統(tǒng)主要由產(chǎn)出層、高效氣液分離器、電泵舉升系統(tǒng)、氣路節(jié)流閥、速度管、特殊Y接頭及井口等6個系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，如圖4。

圖4 井下氣液分離舉升系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of key nodes of downhole gas-liquid separation lifting system

利用經(jīng)典流體力學(xué)計(jì)算公式，包括嘴流壓力計(jì)算、管流壓力計(jì)算、井筒溫度場計(jì)算及潛油電泵特性計(jì)算等多種方法有機(jī)相結(jié)合，建立了井下氣液分離舉升系統(tǒng)壓力/溫度系統(tǒng)計(jì)算方法，如圖5。具體求解步驟如下：

圖5 井下氣液分離舉升系統(tǒng)壓力/溫度系統(tǒng)計(jì)算方法Fig.5 Calculation method of pressure / temperature system of downhole gas-liquid separation lifting system

1）步驟一：給定目標(biāo)產(chǎn)液量Qil，目標(biāo)產(chǎn)氣量Qig，油藏靜壓Pi；給定高效氣液分離器入口的含液率fl，給定地層溫度Ti。

2）步驟二：令電泵機(jī)組的下深為Hj，令高效氣液分離器的下深為hj，令氣液摻混器的下深為；其中，j代表迭代次數(shù)，為從1開始的正整數(shù)，H1為給定的電泵機(jī)組下深初值，h1為給定的高效氣液分離器下深初值，并給定井口回壓Pc。

3）步驟三：根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)液量Qil，目標(biāo)產(chǎn)氣量Qig，油藏靜壓Pi計(jì)算井底流壓Pwf。

根據(jù)高效氣液分離器的下深hj，井底流壓Pwf和地層溫度Ti計(jì)算高效氣液分離器入口處液相流量Qil1，氣相流量Qig1，壓力P1和溫度T1。

4）步驟四：令任意時(shí)刻旋流氣液分離器的分流比為Fk，k代表迭代次數(shù)，為從1開始的正整數(shù)，F(xiàn)1為給定的分流比初值。

根據(jù)分流比Fk計(jì)算旋流氣液分離器分離后出氣口的氣路流量Qg、氣路壓力Pg2和氣路溫度Tg2。

5）步驟五：根據(jù)高效氣液分離器分離后出氣口的氣路流量Qg、氣路壓力Pg2和氣路溫度Tg2，計(jì)算過氣路調(diào)控裝置后的氣路氣量Qg3，氣路壓力Pg3和氣路溫度Tg3。

6）步驟六：令采氣油管的直徑為di，速度油管的直徑為Di；其中，i代表迭代次數(shù)，為從1開始的正整數(shù)，d1為給定的采氣油管直徑初值，D1為給定的速度油管直徑初值。

根據(jù)過氣路調(diào)控裝置后的氣路氣量Qg3，氣路壓力Pg3和氣路溫度Tg3，以及氣液摻混器下深，采氣油管的直徑di和速度油管的直徑Di，計(jì)算得到氣路通道的臨界攜液流量qc。

7）步驟七：判斷所設(shè)計(jì)的采氣油管和速度油管是否滿足攜液要求，判斷標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)qc＞Qg，則采氣油管和速度油管不滿足攜液要求，執(zhí)行步驟八；當(dāng)qc＜Qg，則采氣油管和速度油管滿足攜液要求，執(zhí)行步驟九。

8）步驟八：令采氣油管的直徑di=di-△d，令速度油管的直徑Di=Di-△D，進(jìn)一步判斷是否1.05in≤di≤2.375in，1.05in≤Di≤2.375in。

若是，則重復(fù)執(zhí)行步驟六。

若否，則令氣液分離器的分流比Fk=Fk+△F，之后判斷是否0＜Fk＜1，若是，則重復(fù)執(zhí)行步驟四；若否，則令電泵機(jī)組的下深Hj=Hj+△H，令旋流氣液分離器的下深hj=hj+△h，令氣液摻混器的下深=-△，重復(fù)執(zhí)行步驟二。

9）步驟九：根據(jù)過氣路調(diào)節(jié)裝置后的氣路氣量Qg3，氣路壓力Pg3和氣路溫度Tg3，計(jì)算得到氣液摻混器的氣路入口氣量Qg4，氣路入口壓力Pg4和氣路入口溫度Tg4；進(jìn)一步將氣路壓力計(jì)算值井口壓力值Pgt。

10）步驟十：根據(jù)旋流氣液分離器的分流比Fk計(jì)算經(jīng)旋流氣液分離器分離后出液口的液氣兩相總流量Ql、含氣率fg2和壓力Pl2。

11）步驟十一：根據(jù)電泵機(jī)組下深Hj，旋流氣液分離器分離后出液口的液氣兩相總流量Ql、含氣率fg2和壓力Pl2，計(jì)算得到電泵機(jī)組入口的液路流量Ql3、液路壓力Pl3和液路溫度Tl3。

12）步驟十二：給定電泵機(jī)組額定排量和額定揚(yáng)程，令運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為fm，m代表迭代次數(shù)，為從1開始的正整數(shù)，f1為給定的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率初值。

根據(jù)電泵機(jī)組入口的液氣兩相總流量Ql3、液路壓力Pl3和液路溫度Tl3，計(jì)算電泵機(jī)組出口的液路流量Ql4、液路壓力Pl4和液路溫度Tl4。

13）步驟十三：根據(jù)電泵機(jī)組出口的液路流量Ql4、液路壓力Pl4和液路溫度Tl4以及氣液摻混器4的下深，計(jì)算得到氣液摻混器的液路入口流量Ql5、液路壓力Pl5和液路溫度Tl5；進(jìn)一步將氣路壓力計(jì)算值井口壓力值Plt。

14）步驟十四：判斷若Plt-Pc＞0是否成立，若否，則執(zhí)行步驟十五；若是，計(jì)算結(jié)束，選型完成。

15）步驟十五：若Pt-Pc＞0不成立，令電泵機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)頻率fm=fm+△f，進(jìn)一步判斷是否30Hz≤fm≤60Hz；若是，則重復(fù)執(zhí)行步驟十二；若否，計(jì)算結(jié)束（電泵選型不合理，重新計(jì)算）。

上述的步驟四中氣液分離器分流比Fi按照公式（1）計(jì)算，不同運(yùn)行分流比條件下兩個出口的含率按公式（2）計(jì)算。

步驟四和步驟十中，氣相出口壓力P2和液相出口壓力P5計(jì)算方法如式（3）、式（4）所示：

式中，P1為氣液分離器入口壓力，MPa；P2為氣液分離器出氣口壓力，MPa；P5為氣液分離器出液口壓力，MPa ；a1、a2、a3、a4、a5、b1、b2、b3、b4、b5分 別 為 常數(shù)項(xiàng)。

分流比通過調(diào)整△P氣和△P液的比值實(shí)現(xiàn)，步驟四中嘴后氣路壓力P3計(jì)算方法如式（5）所示：

式（5）中，qm為氣相質(zhì)量流量，kg/s；d為氣嘴直徑，m；T1為氣嘴入口處溫度，K；p2為氣嘴入口處壓力，Pa；p3為氣嘴出口處壓力，Pa；k為氣體等熵指數(shù)，無量綱；R為普式氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）。

4 計(jì)算實(shí)例分析

渤海某油田井垂深2000m，井底流壓8.0MPa，產(chǎn)液200m3/d，產(chǎn)氣10000Sm3/d，假定混合液經(jīng)過分離器后出氣口的含氣率分別為95%、90%、85%、80%和75%，電泵排量為200m3/d，揚(yáng)程為1300m，泵掛深度1500m，高效氣液分離器下深1550m。泵掛處流壓5.4MPa。

計(jì)算不同運(yùn)轉(zhuǎn)頻率沿程井筒液路壓力計(jì)算35Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)井口壓力0.52MPa，40Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)井口壓力1.33MPa，45Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)井口壓力2.75MPa，50Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)井口壓力4.91MPa，如圖6。計(jì)算結(jié)果表明，通過調(diào)整電泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，優(yōu)選電泵排量和揚(yáng)程參數(shù)，可確保液路流體的正常舉升。

圖6 井下氣液分離工藝液路系統(tǒng)壓力分布圖Fig.6 Pressure distribution diagram of liquid path system of downhole gas-liquid separation process

按照分離后氣率含氣率95%計(jì)算，不同速度管柱內(nèi)徑沿程井筒氣路壓力計(jì)算，采用內(nèi)徑60mm管柱進(jìn)行氣路舉升，井口壓力為0MPa（不能自噴至井口）；采用內(nèi)徑50mm管柱進(jìn)行氣路舉升，井口壓力為0MPa（不能自噴至井口）；采用內(nèi)徑40mm管柱進(jìn)行氣路舉升，井口壓力為1.15MPa；采用內(nèi)徑28mm管柱進(jìn)行氣路舉升，井口壓力為1.71MPa，如圖7。計(jì)算結(jié)果表明，通過優(yōu)化速度管柱內(nèi)徑尺寸可實(shí)現(xiàn)氣路氣體自噴至井口的目的。

圖7 井下氣液分離工藝氣路不同速度管柱系統(tǒng)壓力分布圖Fig.7 Pressure distribution diagram of pipe string system with different speeds in downhole gas-liquid separation process gas path

分離器出氣口不同含氣率沿程井筒氣路壓力計(jì)算，出氣口含氣率75%時(shí)，氣路舉升至井口壓力為0MPa（不能自噴至井口）；出氣口含氣率80%時(shí)，氣路舉升至井口壓力為0MPa（不能自噴至井口）；出氣口含氣率85%時(shí)，氣路舉升至井口壓力為0.93MPa；出氣口含氣率90%時(shí)，氣路舉升至井口壓力為1.58MPa；出氣口含氣率95%時(shí)，氣路舉升至井口壓力為2.49MPa，如圖8。計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)保證氣液分離器氣出氣口含氣率大于80%～85%，采用40mm的速度管柱可實(shí)現(xiàn)氣路氣體自噴至井口的目的。

圖8 井下氣液分離工藝氣路不同含氣率系統(tǒng)壓力分布圖Fig.8 Pressure distribution of system with different gas content in gas path of downhole gas-liquid separation process

5 小結(jié)

1）建立了一種井下氣液分離舉升工藝管柱，該管柱適用于海上7in和9-5/8in套管完井，且與海上常規(guī)Y型生產(chǎn)管柱相類似，作業(yè)實(shí)施方案成熟。

2）建立的井下氣液分離舉升系統(tǒng)分析方法可指導(dǎo)該工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制和系統(tǒng)協(xié)調(diào)分析，保證井下工具處于高效區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)工作。