海上油田連續(xù)油管氣舉工藝參數(shù)設(shè)計方法

蘇作飛，張成富

（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）

在海上油氣田開發(fā)中，連續(xù)油管氣舉是油氣井井筒排液的重要措施，在油氣井投產(chǎn)誘噴以及氣井后期排液復(fù)產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[1]。目前，現(xiàn)場常用的作業(yè)方式為逐級增加注氣深度，進行不同深度處的定點氣舉排液。下入深度及注氣量等參數(shù)將直接影響連續(xù)油管氣舉的效果，現(xiàn)場施工過程中常常根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定這些參數(shù)，缺乏理論依據(jù)。為了指導(dǎo)現(xiàn)場操作并保證作業(yè)效果，需要對注氣深度、注氣壓力與注氣量等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 連續(xù)油管氣舉工藝

1.1 工藝原理

將連續(xù)油管通過井口防噴器下入生產(chǎn)管柱后，通過連續(xù)油管向井筒中注入高壓氣，注入氣與井筒流體混合，使氣液混合以降低管柱內(nèi)液柱的密度，提高舉升液體能力。當(dāng)井底壓力降至足以形成生產(chǎn)壓差時，就造成類似于自噴排液的情況，使井底產(chǎn)出液體通過井筒排出地面。

圖1 作業(yè)過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of operation process

1.2 作業(yè)設(shè)備

連續(xù)油管氣舉作業(yè)設(shè)備主要包括膜制氮設(shè)備、連續(xù)油管設(shè)備（動力撬、操作間及滾筒）、注入頭、鵝頸管、防噴盒、防噴器。膜制氮設(shè)備有1800m3/h、1200m3/h、900m3/h、600m3/h幾種排量規(guī)格，最大供氣壓力一般為35MPa；海上常用連續(xù)油管外徑尺寸有50.8mm、44.5mm、38.1mm、25.4mm，同時還有9.5mm和19.1mm兩種小尺寸型號。

1.3 基本作業(yè)過程

利用連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備將連續(xù)油管經(jīng)過井口防噴裝置從生產(chǎn)油管內(nèi)下入，在到達預(yù)定位置后，由膜制氮設(shè)備通過連續(xù)油管將高壓氮氣（N2）注入到預(yù)定深度，完成相關(guān)作業(yè)要求[2]。

1.4 工藝設(shè)計內(nèi)容

連續(xù)油管氣舉的工藝設(shè)計內(nèi)容包括：①作業(yè)設(shè)備選型，具體包括氣源類型、氣源設(shè)備以及連續(xù)油管尺寸等；②最深注氣點深度及在最深注氣點處的注氣量設(shè)計、注氣壓力預(yù)測及排液量預(yù)測；③各級卸載注氣點連續(xù)油管下深設(shè)計。

2 連續(xù)油管出口壓力與下入深度的關(guān)系

要進行連續(xù)油管氣舉排液的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，需要確定連續(xù)油管出口的壓力隨下入深度的變化情況。連續(xù)油管氣舉作業(yè)時一般維持地面注氣壓力穩(wěn)定，這樣在恒定的連續(xù)油管地面入口壓力條件下，計算連續(xù)油管不同下入深度時的井下出口的壓力即可。

無論連續(xù)油管下入到什么位置，氮氣在連續(xù)油管內(nèi)流動的沿程長度一致，但隨著連續(xù)油管下深增大，重力導(dǎo)致的壓力梯度會逐漸增大，所以隨著下入深度的增加，井下出口壓力會逐漸增大。在已知地面入口壓力及注氣量的條件下，可以利用平均溫度和平均氣體偏差系數(shù)計算方法或者Cullender和Smith計算方法以及Aziz計算方法，通過計算機程序計算得到[3,4]。以44.5mm連續(xù)油管為例，在相同的地面注氣壓力（15MPa）條件下，計算得到注氣量分別為10000m3/d、20000m3/d、30000m3/d時的連續(xù)油管在不同下深時的出口壓力，畫出連續(xù)油管出口壓力隨下入深度的變化曲線，如圖2。從圖2可以直觀地看出，在正常的注氣量范圍內(nèi)，連續(xù)油管出口的壓力與下入的垂深的關(guān)系曲線基本為一條直線。

圖2 連續(xù)油管（外徑44.5mm）出口壓力隨深度的變化曲線Fig.2 The outlet pressure curve of coiled tubing (1.75in.) with depth

3 連續(xù)油管氣舉工藝設(shè)計方法

連續(xù)油管氣舉作業(yè)設(shè)備一般根據(jù)海上平臺空間、平臺吊車能力、油氣井工況條件（井深、生產(chǎn)管柱尺寸、設(shè)計配產(chǎn)）、連續(xù)油管設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)（占用/空閑）進行選擇，下面主要討論各級注氣深度、地面注氣壓力、注氣量、排液量的優(yōu)化計算方法。

1）最大注氣深度的確定

最大注氣深度取下面3個深度的最小值：

① 連續(xù)油管的最大下深?？紤]連續(xù)油管的長度以及連續(xù)油管設(shè)備作業(yè)能力允許的最大下深確定的連續(xù)油管最大下深，可以根據(jù)目標(biāo)井的具體井眼軌跡及生產(chǎn)管柱通過下入模擬分析得到確定的最大下深。

② 目標(biāo)井井筒所允許的最大下深。如果目標(biāo)井生產(chǎn)管柱中的井下工具存在縮徑，可能會限制連續(xù)油管工具串通過；另外，為了避免注入氣進入地層，最深注氣點一般在儲層垂深100m以上。

③ 地面氣源允許的工作壓力所能達到的最大下入深度。隨著注氣深度的增加，井筒流壓逐漸增大，所需的地面入口壓力也相應(yīng)增大，計算在恒定地面注氣壓力下不同下深時連續(xù)油管出口壓力與油管中流壓曲線的交點，即為該地面注氣壓力下的連續(xù)油管最大下深。

2）地面注氣壓力、注氣量以及排液量的確定

特定注氣壓力與注氣量下的排液量可按照文獻[5]所述方法進行計算，需要注意的是注氣點以上的流動通道為連續(xù)油管與生產(chǎn)油管的環(huán)空，從而計算得到在連續(xù)油管最大下深限制條件下，不同地面注氣壓力時理論排液量隨注氣量的變化曲線。

典型的不同注氣壓力下排液量隨著注氣量的變化曲線如圖3。在一定地面注氣壓力下，隨著注氣量的增加，排液量也逐漸增大（此時注氣深度也隨之增加），但是增長的趨勢放緩；注氣量一定時，注氣壓力越大，排液量越大；當(dāng)注氣壓力增大到一定程度時，再增大注氣壓力，排液量也不會增加（此時注氣深度已達最大值）。

圖3 不同注氣壓力下排液量隨注氣量的變化曲線Fig.3 The curve of liquid production rate with gas injection rate under different gas injection pressures

一般來講，誘噴氣舉設(shè)計應(yīng)盡量提高理論排液量。根據(jù)圖3所示排液量隨注氣壓力與注氣量的變化關(guān)系，在地面氣源可滿足的條件下，選擇可實現(xiàn)最大注氣深度的注氣壓力，注氣量選擇排液上升放緩的階段。

3）各級注氣點位置的確定

① 第一級注氣點位置計算：

第一級注氣深度分兩種情況計算。

第一種情況：氣舉過程中，氣體進入油管前，井口有產(chǎn)液流出。此時第一級注氣深度（垂深）計算公式為：

式（1）中：L1為第一級注氣深度，m；Pko為氣舉時井口最大注氣壓力，MPa；Pwh為氣舉井口油壓，MPa；Gl為連續(xù)油管與生產(chǎn)油管環(huán)空中液體壓力梯度，MPa/m；Gg為連續(xù)油管中氣體壓力梯度，MPa/m。

在氣舉過程中，氣體從連續(xù)油管進入井筒前，井口未有產(chǎn)液流出，則第一級注氣點位置深度計算公式為：

式（2）中，hs為靜液面深度，m；dti為油管內(nèi)徑，mm；dcto為連續(xù)油管外徑，mm。

② 其他的注氣點位置計算：

第i級注氣點處連續(xù)油管出口壓力Pcti可由式（3）表示：

第i級注氣點處油壓Pti可由式（4）表示：

第i級注氣點處連續(xù)油管出口壓力和油管壓力平衡可得到等式（5）：

整理得到第二級及其以下注氣點連續(xù)油管下深Li的計算公式為：

式（6）中：Li為第i級連續(xù)油管下入深度，m；Li-1為第i-1級連續(xù)油管下入深度，m；Pcti為第i級注氣點處連續(xù)油管出口壓力，MPa；Pt(i-1)為第i-1級注氣點處卸載后油管壓力，MPa。

通過式（1）、式（2）和式（6）可以確定各級注氣點的位置。

4 工藝設(shè)計實例

以海上某油井連續(xù)油管氣舉誘噴工藝設(shè)計為例，說明計算過程。該井為一口定向井，投產(chǎn)時因為井筒中充滿壓井液，需要連續(xù)油管氣舉排液誘噴，實現(xiàn)自噴生產(chǎn)。其主要參數(shù)如下。

①儲層中深（斜深/垂深）：4524.10 m/3856.33m；②儲層靜壓：36.8MPa；③儲層溫度：154℃；④產(chǎn)液指數(shù)：10.4m3/(d·MPa)；⑤油管外徑：88.9mm；⑥產(chǎn)液含水：100%（按返排壓井液考慮）；⑦氣油比：0m3/m3（按返排壓井液考慮）；⑧氣源情況：氮氣，最高供氣壓力35MPa；⑨卸載油壓：3.0MPa；⑩主要的井下工具及內(nèi)徑、下深：油管掛（內(nèi)徑76.2mm，下深20m）、井下安全閥（內(nèi)徑71.45mm，下深235m）、滑套（內(nèi)徑71.45mm，下深3017m）、生產(chǎn)封隔器（內(nèi)徑76mm，下深4496m）、帶孔管（內(nèi)徑76mm，下深4555m）、圓頭引鞋（下深4558m）。

該井完井管柱中沒有影響連續(xù)油管下入的井下工具，同時氣源設(shè)備為氮氣壓縮機，最高壓力可達35MPa，注氣深度可達生產(chǎn)層位，所以連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備的最大下深為主要限制因素。連續(xù)油管長度一般為3500m～4500m，為了安全起見，最大下深定為3000m。

在此深度下，分析不同注氣壓力和注氣量下的返排液量（見圖4），要實現(xiàn)在連續(xù)油管最大下入深度3000m處注氣，地面連續(xù)油管入口注氣壓力需要達到10MPa。考慮膜制氮設(shè)備供氣能力，注氣量設(shè)計為20000m3/d，此時理論排液量約為140m3/d。所以設(shè)計地面注氣壓力10MPa，注氣量20000m3/d，排液量140m3/d。

圖4 不同連續(xù)油管入口壓力下排液量隨注氣量的變化曲線Fig.4 Variation curve of liquid rate with gas injection rate under different inlet pressure of coiled tubing

利用式（1）和式（6）計算各個連續(xù)油管下入位置深度，得到各級注氣點的垂深依次為：865m、1539m、2106m、2594m。

整理得到該井連續(xù)油管氣舉排液誘噴的工藝參數(shù)見表1。

表1 連續(xù)油管氣舉誘噴工藝參數(shù)設(shè)計結(jié)果Table 1 Results of process parameters design for gas lift by coiled tubing

5 結(jié)論

本文提出一種連續(xù)油管氣舉排液的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，分析了在恒定入口壓力條件下連續(xù)油管出口壓力隨連續(xù)油管下入深度的變化規(guī)律，明確了連續(xù)油管氣舉排液工藝方案的設(shè)計內(nèi)容，給出了確定最大注氣深度需要考慮的因素，地面注氣壓力、注氣量以及排液量的確定方法與連續(xù)油管各級下深的計算公式，并以一口井為例演示了設(shè)計過程與結(jié)果。該方法已在國內(nèi)渤海、東海及南海海域多口油氣井誘噴中應(yīng)用，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。