基于生產(chǎn)-注入雙控制間歇?dú)馀e研究及礦場試驗(yàn)*

張 鵬 蒲春生 王 偉 方志剛

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 2.中國石油大學(xué)(華東) 非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中國石油吐哈氣舉技術(shù)中心)

0 引 言

氣舉采油是全球第二大人工舉升方式，按照生產(chǎn)方式的不同，可分為連續(xù)氣舉和間歇?dú)馀e兩種基本類型[1-2]。連續(xù)氣舉中地層壓力下降或含水升高會(huì)導(dǎo)致滑脫損失的增加，進(jìn)而使注入氣液比升高，舉升效率變差[3-6]。以哈薩克斯坦A油田為例，經(jīng)過20 a連續(xù)氣舉開發(fā)，平均注入氣液比已達(dá)到1 219 m3/m3，為正常氣液比的2倍[7]，連續(xù)氣舉舉升效率大幅下降。間歇?dú)馀e是指周期性短時(shí)向井筒內(nèi)注入大量氣體，通過氣體膨脹能將液體以液柱段塞形式舉升至井口。相比于連續(xù)氣舉，間歇?dú)馀e充分利用氣體膨脹能，提高了氣體利用率，從而有效減少井筒內(nèi)滑脫損失，能夠有效降低注入氣液比并提高舉升效率。

本文基于生產(chǎn)-注氣雙控制間歇?dú)馀e采油模型，分別從間歇?dú)馀e適應(yīng)性判斷方法、設(shè)計(jì)方法、配套軟硬件設(shè)備及現(xiàn)場制度優(yōu)化4個(gè)方面開展研究和礦場試驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，運(yùn)用智能裝置和控制軟件，在提高低產(chǎn)低壓氣舉井的舉升效率方面取得了明顯效果。所得結(jié)果對(duì)提升管理水平和氣舉井的整體效益開發(fā)具有示范作用。

1 間歇?dú)馀e適應(yīng)性判斷方法

針對(duì)連續(xù)氣舉井轉(zhuǎn)間歇?dú)馀e井的問題，首先需要判斷間歇?dú)馀e對(duì)該井是否適應(yīng)，為此，建立了以載荷系數(shù)為基礎(chǔ)的適應(yīng)性判斷方法。

圖1 載荷系數(shù)判斷方法流程示意圖Fig.1 Process of load coefficient determination

載荷系數(shù)判斷方法流程如圖1所示。該方法以連續(xù)氣舉時(shí)實(shí)測井底流壓作為基準(zhǔn)，根據(jù)載荷系數(shù)計(jì)算單循環(huán)液量，進(jìn)而確定單循環(huán)注氣量與注氣壓力，求得間歇?dú)馀e生產(chǎn)時(shí)的注入氣液比及井底流壓。因此，可由注入氣液比及井底流壓作為判斷條件。

具體判斷方法如下：若間歇?dú)馀e注入氣液比小于連續(xù)氣舉注入氣液比，則視為間歇?dú)馀e有效，此時(shí)間歇?dú)馀e以節(jié)約注氣量為主；若計(jì)算間歇?dú)馀e井底流壓小于連續(xù)氣舉實(shí)測井底流壓，則視為間歇?dú)馀e有效，此時(shí)間歇?dú)馀e以增產(chǎn)為主。

2 間歇?dú)馀e設(shè)計(jì)方法研究

2.1 間歇?dú)馀e舉升過程

單循環(huán)液量舉升過程分為液量平衡、舉升及能量積蓄3個(gè)過程，如圖2所示。圖2中：Q為單循環(huán)舉升液量，Q1為舉升開始時(shí)液柱總量，Q2為液面恢復(fù)量，Q3為舉升過程中的滑脫液量，pwf為井底流壓。其中，舉升過程伴隨一定漏落液量和能量積蓄的開始，各過程之間相互同步發(fā)生。

圖2 間歇單循環(huán)液量舉升過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of intermittent lifting process of single-cycle liquid volume

2.2 注氣端控制工藝設(shè)計(jì)

控制按照注氣端和生產(chǎn)端分為單控制和雙控制方式[8-11]，如圖3所示。

圖3 間歇?dú)馀e控制方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of control method for intermittent gas lift

注氣端控制目的是優(yōu)化注氣量和注氣時(shí)間，提高油井舉升綜合效率。間歇?dú)馀e的產(chǎn)量與注氣深度成正比，隨著注氣深度的增加，所能舉升出的液柱段塞越長，產(chǎn)量越高，對(duì)于大多數(shù)間歇?dú)馀e井，采用管腳注氣的開式管柱效果更好。由于間歇?dú)馀e井需要液柱段塞的穩(wěn)定形成和氣體在油套環(huán)空內(nèi)穩(wěn)定儲(chǔ)集，所以本文建立了一種雙控制方式，即同時(shí)控制注氣端和生產(chǎn)端。

2.3 雙控制數(shù)學(xué)模型建立

雙控制數(shù)學(xué)模型是根據(jù)液柱段塞運(yùn)行到達(dá)井口時(shí)，液柱段塞的體積與漏落量所建立的產(chǎn)量模型，如圖4所示。

圖4 注入-生產(chǎn)雙控制數(shù)學(xué)模型圖Fig.4 Mathematic model of injection-production dual-control

建立日產(chǎn)液量與循環(huán)時(shí)間及液柱體積之間的關(guān)系式，即有：

(1)

V1=V2+V3

(2)

式中：V2為液段在舉升過程中滑脫的體積，V3為關(guān)井過程中地層所產(chǎn)的液段體積，V1為開井時(shí)需要舉升的液段體積，qf為日產(chǎn)液量，cm為滑脫系數(shù)，T為每個(gè)循環(huán)所需時(shí)間。

井下地質(zhì)情況特殊，在煤礦開采的過程中，煤礦的煤層很容易因?yàn)橥笟庑孕Ч?，達(dá)不到預(yù)期的抽采效果導(dǎo)致瓦斯聚集量增多，增加煤礦開采過程中的危險(xiǎn)。煤層越深瓦斯?jié)舛染驮礁撸o煤礦開采帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)，因此，必須抽取瓦斯來控制煤礦開采的安全事故。在煤礦開采過程中利用水力壓裂技術(shù)能夠提高煤層的透氣性，延長瓦斯的抽取時(shí)間，有效地降低瓦斯含量，減少安全事故的發(fā)生率，使煤礦的開采工作能夠安全順利進(jìn)行。

對(duì)于雙控制數(shù)學(xué)模型，由于液柱段塞上升到井口后，井底流壓降低，從而存在一定時(shí)間的自噴期。所以建立的日產(chǎn)液量與時(shí)間關(guān)系修正式如式(3)所示。

qf=1 440[V1(1-cm)+PI/1 440(pr-pwf)tg]/T

(3)

式中：PI為油井的產(chǎn)液指數(shù)，pr為地層壓力，tg為自噴期開井時(shí)間。

式(3)即為基于雙控制方式的智能間歇?dú)馀e數(shù)學(xué)模型。

2.4 平均產(chǎn)液指數(shù)設(shè)計(jì)方法

當(dāng)油井井底壓力降低至地層靜壓的40%以下時(shí)，開始間歇?dú)馀e，假設(shè)此時(shí)產(chǎn)液指數(shù)PI值為常數(shù)，稱為平均PI，在此基礎(chǔ)上，基于雙控制數(shù)學(xué)模型，本文建立了智能間歇?dú)馀e平均PI設(shè)計(jì)方法，該方法可求得間歇?dú)馀e最優(yōu)循環(huán)時(shí)間。

平均PI可表示地層的供液能力，代表日產(chǎn)液量與生產(chǎn)壓差的比值，將每天的產(chǎn)液量換算至每分鐘的產(chǎn)液量，因管徑大小一定，設(shè)其橫截面積為Bt，所以通過平均PI可以計(jì)算每分鐘生產(chǎn)的液柱高度。

令每分鐘生產(chǎn)的液柱高度為α，則有：

α=PI/(1 440Bt)

(4)

定義沒有液柱下的生產(chǎn)壓差為Δp，則有：

Δp=pr-(Hpt-Hov)ρf-pwhfg

(5)

式中：Hpt為射孔段中深，Hov為工作閥深度，fg為氣體壓力修正系數(shù)，ρf為油管中的流體密度梯度，pwh為井口油壓。

(6)

式中：pf為井底流壓。

根據(jù)雙控制數(shù)學(xué)模型，聯(lián)立式(1)和式(6)可得到日產(chǎn)液量qf與時(shí)間T的關(guān)系式，此時(shí)日產(chǎn)液量完全與時(shí)間相關(guān)，因此通過對(duì)時(shí)間求偏導(dǎo)可得，導(dǎo)數(shù)值為0的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量即為最大產(chǎn)量，對(duì)應(yīng)時(shí)間即為間歇?dú)馀e工作的最優(yōu)循環(huán)時(shí)間，并通過最優(yōu)時(shí)間可反推單循環(huán)液量等參數(shù)，以確定間歇?dú)馀e工作制度。平均PI設(shè)計(jì)方法流程圖如圖5所示。

圖5 平均PI設(shè)計(jì)算法流程示意圖Fig.5 Process of design algorithm of average PI

循環(huán)注氣量按照在井筒平均壓力值和平均溫度條件下需要充滿油管體積(液面所在位置到井口的距離與油管內(nèi)截面的乘積)所需的氣量來計(jì)算。

3 雙控制間歇?dú)馀e設(shè)備研究

3.1 間歇?dú)馀e配套硬件

雙控制間歇?dú)馀e地面設(shè)備包括控制器、電動(dòng)球閥、壓力變送器及數(shù)據(jù)傳輸裝置等[12-14]，其主要參數(shù)及功能如表1所示。

表1 雙控制間歇?dú)馀e地面設(shè)備參數(shù)及功能Table 1 Ground facility of dual-control intermittent gas lift and functions

本文在常規(guī)間歇?dú)馀e地面設(shè)備的基礎(chǔ)上，研發(fā)了雙控制智能控制器。該控制器可實(shí)現(xiàn)注氣端和生產(chǎn)端的異步雙控制，在降低成本的同時(shí)，圍繞該控制器建立了壓力-時(shí)間控制模式，可實(shí)現(xiàn)注氣壓力-生產(chǎn)壓力、注氣壓力-生產(chǎn)時(shí)間等多種控制模式，大大提高了控制精度。由于氣動(dòng)薄膜閥的S形過流通道存在冬季節(jié)流造成的凍堵問題，所以研制了電動(dòng)球閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)代替氣動(dòng)薄膜閥。該電動(dòng)球閥通徑與外輸管通徑一致，有效解決了凍堵問題。智能間歇?dú)馀e配套硬件設(shè)備利用Modbus通信協(xié)議，通過RS485有線通信方式將信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)傳輸裝置，該裝置將數(shù)據(jù)整合后通過4G傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至專用服務(wù)器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，利用TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至電腦或手機(jī)客戶端。

3.2 間歇?dú)馀e配套軟件

雙控制間歇?dú)馀e軟件作為氣舉采油物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)軟件的一部分，其遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷系統(tǒng)界面如圖6所示。通過共享平臺(tái)數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)對(duì)間歇?dú)馀e井的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警、在線優(yōu)化及遠(yuǎn)程控制等功能，有效提高了間歇?dú)馀e井的管理效率。

圖6 雙控制間歇?dú)馀e遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷系統(tǒng)界面Fig.6 Schematic diagram of interface of gas lift remote monitoring and diagnosis system

4 礦場試驗(yàn)

2020年，采用雙控制間歇?dú)馀e技術(shù)在A油田試驗(yàn)了2口井，其目的是試驗(yàn)雙控制工作制度和軟硬件功能，調(diào)節(jié)原則是先讓液段舉升正常，再提高產(chǎn)量，最終達(dá)到節(jié)氣的目的。

4.1 軟硬件測試及制度調(diào)整試驗(yàn)

H1井調(diào)整工作制度3次，制度1按照設(shè)計(jì)單循環(huán)時(shí)間運(yùn)行，載荷系數(shù)為0.18～0.19，工況正常，但液段達(dá)到井口后自噴期過長；為充分發(fā)揮間歇作用，提高產(chǎn)量，減少開井時(shí)間，縮短循環(huán)周期，調(diào)整為按制度2運(yùn)行，載荷系數(shù)變?yōu)?.61，液段無法達(dá)到井口，工況不正常；循環(huán)周期不變，縮短開井時(shí)間，減小液注高度，調(diào)整為按制度3運(yùn)行，載荷系數(shù)為0.26～0.35，工況正常，產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定，如表2和圖7所示。

H2井調(diào)整工作制度5次，制度1按照設(shè)計(jì)循環(huán)周期88 min運(yùn)行，間歇后增產(chǎn)明顯；為進(jìn)一步發(fā)揮間歇增產(chǎn)作用，循環(huán)時(shí)間不變，延長注氣時(shí)間10 min，縮短開井時(shí)間，調(diào)整為按制度2運(yùn)行，效果不明顯；調(diào)整循環(huán)周期運(yùn)行，加大頻次，通過加快頻次、降低流壓達(dá)到增產(chǎn)目的，制度3、制度4及制度5注氣時(shí)間不變，不斷縮短開井時(shí)間(主要縮短無效自噴時(shí)間)，產(chǎn)量穩(wěn)定后按制度5運(yùn)行，如表2和圖8所示。表2中，H1和H2井工作制度1的注氣端和生產(chǎn)端的開、關(guān)井時(shí)間為理論設(shè)定循環(huán)時(shí)間。

圖7 H1井間歇前、后及制度優(yōu)化日產(chǎn)量曲線Fig.7 Daily production curve of Well H1 before and after intermission and system optimization

圖8 H2井間歇前、后及制度優(yōu)化日產(chǎn)量曲線Fig.8 Daily production curve of Well H2 before and after intermission and system optimization

表2 間歇?dú)馀e井礦場試驗(yàn)制度優(yōu)化結(jié)果 min

4.2 礦場試驗(yàn)結(jié)果分析

基于生產(chǎn)-注入雙控制間歇?dú)馀e模型和生產(chǎn)制度優(yōu)化后，單井注入氣液比與連續(xù)氣舉相比平均降低1 821 m3/m3，氣舉舉升效率明顯提高。H1井有效運(yùn)行時(shí)間169 d，節(jié)氣42%，增產(chǎn)125%，注入氣液比降低74%，累計(jì)增產(chǎn)247 t；H2井有效運(yùn)行時(shí)間245 d，節(jié)氣33%，增產(chǎn)100%，注入氣液比降低66%，累計(jì)增產(chǎn)760 t，如表3所示。

表3 間歇?dú)馀e井礦場試驗(yàn)效果對(duì)比Table 3 Comparison of field test results of intermittent gas lift wells

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)智能間歇?dú)馀e配套硬件日動(dòng)作頻次為40次以上，運(yùn)行穩(wěn)定，每次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集15 s，斷點(diǎn)率小于1%，執(zhí)行控制響應(yīng)時(shí)間5 s。現(xiàn)場遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及控制良好，驗(yàn)證了軟、硬件傳輸和控制功能的可靠性。

(2)生產(chǎn)-注入雙控制間歇?dú)馀e方式對(duì)低產(chǎn)井在增油量、節(jié)氣量等方面的提效作用明顯，間歇?dú)馀e模型設(shè)計(jì)、管柱選擇、控制制度優(yōu)化以及軟件深度學(xué)習(xí)等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于降本、增效和節(jié)氣都有重要影響，需要持續(xù)研究和試驗(yàn)才能形成較為全面的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。

(3)隨著油氣井的日趨復(fù)雜及氣舉規(guī)模的增大，產(chǎn)氣量和氣舉需氣量的矛盾越來越突出，氣舉油田的開發(fā)面臨更高要求和挑戰(zhàn)，需要不斷提高氣舉井的舉升效率來達(dá)到油氣田持續(xù)開發(fā)的目的，因此智能化間歇?dú)馀e具有廣闊的應(yīng)用前景。