李軍亮，廖銳全 （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

郭新 （中石油大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠，黑龍江 大慶 163514）

氣舉是目前僅次于有桿泵的一種采油方式，其原理是通過環(huán)空向井筒中注入高壓氣體，借助氣體的膨脹作用，降低油管中的流體密度，從而將流體舉升到地面［1］。氣舉方式包括連續(xù)氣舉和間歇氣舉。目前對連續(xù)氣舉的研究主要包括井筒壓力梯度和溫度梯度計算方法研究［2，3］、氣舉效率計算研究［4，5］、氣舉卸載模擬研究［6，7］以及工況診斷研究［8］。對連續(xù)氣舉設(shè)計研究還停留在20世紀(jì)八九十年代。等壓降氣舉設(shè)計是連續(xù)氣舉中最常用的設(shè)計方法，設(shè)計原理是通過降低環(huán)空注氣壓力來保證下級閥卸載時上級閥安全關(guān)閉。等壓降氣舉設(shè)計需選用套壓控制閥，根據(jù)閥的工作原理，閥深度處的油壓和套壓同時控制閥的開關(guān)，其中套壓更為敏感。以往的設(shè)計中，最多的情況是通過等壓降低注氣壓力來控制閥的開關(guān)，也有的在壓降設(shè)計過程中考慮了由于油管壓力波動所產(chǎn)生的油管效應(yīng)，但是這些方法都將置閥深度處的油壓選擇在生產(chǎn)壓力梯度線上，即和正常生產(chǎn)時的油壓相同①氣舉手冊 （鉆采工藝增刊），四川石油管理局鉆采工藝編輯部，1985.。轉(zhuǎn)移油壓［9］的提出是將油壓對氣舉閥開關(guān)的影響考慮在內(nèi)，使每級卸載閥更安全的關(guān)閉。并且在以往的設(shè)計中，都是先確定注氣點深度，然后再進行布閥設(shè)計。確定注氣點深度的方法主要有兩種，一種是根據(jù)工作閥的生產(chǎn)注氣壓力線和注氣點以下的油管壓力梯度曲線的交點作為平衡點，然后取一定的過閥壓差，從而確定注氣點；另一種是根據(jù)注氣點以上壓力梯度線和注氣點以下壓力梯度線的交點來確定注氣點。但是在實際設(shè)計過程中，由于卸載閥的數(shù)量和深度還未確定，根據(jù)等壓降設(shè)計原理，工作閥的注氣壓力以及產(chǎn)液量也就不能確定，所以用以上方法確定注氣點都是不合理的。筆者針對以上問題進行了研究，提出了更為合理的等壓降連續(xù)氣舉優(yōu)化設(shè)計方法。

1 轉(zhuǎn)移油壓

轉(zhuǎn)移油壓可以理解為下一級閥進氣瞬間上一級閥深度處對應(yīng)的油壓，如圖1。轉(zhuǎn)移油壓的合理選擇不但決定了該級閥的卸載液量和所需注氣量，還決定了下一級閥的深度。根據(jù)套壓氣舉閥的工作原理，隨著卸載閥逐個打開，每級閥深度處的油壓逐漸減小，這樣就可以保證上級閥的安全關(guān)閉，防止多點注氣。

圖1 氣舉卸載及氣舉卸載壓力分布圖

轉(zhuǎn)移油壓的確定帶有很大的主觀性，轉(zhuǎn)移油壓越大，卸載液量和所需注氣量越小，閥間距也會越小。如圖1（b）中1、2、3點都可以作為轉(zhuǎn)移油壓點。為了編程方便，設(shè)定轉(zhuǎn)移油壓的計算方法為：

式中：pti為轉(zhuǎn)移油壓，MPa；ptsi為生產(chǎn)時對應(yīng)閥深處的油壓，MPa；pci為閥深處注氣壓力，MPa；α為轉(zhuǎn)移系數(shù)，取0和1之間的數(shù)。當(dāng)α＝0時，轉(zhuǎn)移油壓取在生產(chǎn)壓力梯度線上，這也是目前大多設(shè)計所采用的方法。

2 卸載液量和所需注氣量

每級閥的卸載液量是由閥以下的供液量決定的。當(dāng)閥進氣后，閥深度處油壓從接近注氣壓力降低到轉(zhuǎn)移油壓，從而引起井底流壓相應(yīng)地降低。令閥進氣前后閥深度處油壓降低量為Δp，如果假設(shè)閥深度以下仍按靜液柱計算，則井底壓降也為Δp，則閥的卸載液量為：

式中：qli為第i級閥的卸載液量，m3/d；Δp為井底壓降，MPa；J為采液指數(shù)，m3/（d·MPa）。

圖2 不同卸載液量對應(yīng)的流壓

圖3 確定合理卸載液量和流壓

圖4 不同注氣量和對應(yīng)的油壓

圖5 確定合理注氣量

如果考慮地層原始?xì)庖罕?，則閥深度以下應(yīng)按多相流計算。設(shè)定一組產(chǎn)液量qli1，qli2，…，qlin，從閥 深度處油壓向下按多相流計算至井底，得到一組井底流壓，如圖2。繪制卸載液量和井底流壓關(guān)系曲線，即流出曲線，同時繪制地層的IPR曲線，二者的交點即為卸載液量qli和相應(yīng)的井底流壓pwfi。如圖3。

對于卸載注氣量qgi的確定，仍可采用相同的方法。假設(shè)一組注氣 量qgi1，qgi2，…，qgin，從井口卸載油壓按多相管流計算至閥深度處，從而得到不同注氣量對應(yīng)的閥深度處的油壓pt1、pt2、…、ptn，如圖4。然后繪制注氣量和閥深度處油壓的關(guān)系曲線，找出與設(shè)定轉(zhuǎn)移油壓pti相對應(yīng)的注氣量即為所求卸載注氣量qgi，如圖5。

3 布閥優(yōu)化設(shè)計方法

布閥設(shè)計需要已知注氣參數(shù)，包括啟動壓力pso、目標(biāo)注氣量qg、注氣操作壓力pc等；井深結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，包括井深、油管和套管直徑、封隔器下入深度等；地層和流體參數(shù)，包括地層壓力、地溫梯度、滲透率、地層供液能力、流體物性等。為了更好理解設(shè)計過程，建立深度－壓力－溫度坐標(biāo)圖，如圖6所示，并繪制流動溫度曲線Ti、壓井液壓力梯度線Gi以及啟動壓力梯度線Gs。假設(shè)一產(chǎn)液量q，根據(jù)目標(biāo)注氣量繪制注氣點以上的生產(chǎn)壓力梯度線Gp。

式中：H1為頂閥的下入深度，m；hs為靜液面深度，m；d為油管外徑，m；D為套管內(nèi)徑，m；Δpf1為氣體通過第1個氣舉閥的壓力損失；pwh為井口油壓，MPa；ρl為壓井液密度，kg/m3；pc1為頂閥的地下注氣壓力，MPa。

過此點做水平線，交生產(chǎn)壓力梯度線得到頂閥深度處生產(chǎn)時對應(yīng)的油壓pts1，然后根據(jù)式 （1）得到頂閥的轉(zhuǎn)移油壓pt1。

2）第2級閥深度設(shè)計 將注氣操作壓力作為第2級閥的地面注氣壓力，做第2級閥的注氣壓力線。從頂閥轉(zhuǎn)移油壓做壓井液梯度線的水平線，向下延伸至比第2級閥注氣壓力線低Δpf2，此點深度即為第2級閥的置閥深度；也可以用下式計算：

過此點做水平線，交生產(chǎn)壓力梯度線得到第2級閥深度處生產(chǎn)時對應(yīng)的油壓pts2，然后根據(jù)式 （1）計算第2級閥的轉(zhuǎn)移油壓pt2。

3）其他各級閥深度設(shè)計 其他各級閥置閥深度設(shè)計與第2級閥設(shè)計方法相似，僅需要將地面注氣壓力依次降低Δp，保證下一級閥進氣時上一級閥關(guān)閉。

圖6 氣舉閥分布圖

按該設(shè)計方法，閥的間距會越來越小。為了防止閥間距過小，在設(shè)計過程中，當(dāng)Hn＋1－Hn＜ΔH，則取第n級閥作為工作閥。工作閥的轉(zhuǎn)移油壓取正常生產(chǎn)時對應(yīng)的油壓。

以上各級閥的深度是在已知井筒產(chǎn)液量q的情況下確定的。油井作為一個系統(tǒng)，井筒中的產(chǎn)液量應(yīng)等于地層向井底的供液量，因此可采用系統(tǒng)分析的原理確定合理的產(chǎn)液量。假設(shè)一組產(chǎn)液量，按照以上方法進行布閥設(shè)計，然后從工作閥生產(chǎn)油壓開始，考慮地層原始生產(chǎn)油氣比，利用多相流計算方法算至井底，得到一組井底流壓，繪制產(chǎn)液量和流壓關(guān)系曲線，同時繪制地層的IPR曲線，二者的交點即為合理產(chǎn)液量和相應(yīng)的井底流壓。根據(jù)合理產(chǎn)液量進行布閥設(shè)計，并計算每級閥的卸載液量和注氣量。

4 實例計算

已知某油井井深2850m，封隔器下入深度2750m，地層壓力26.5MPa，地層產(chǎn)液指數(shù)為10.5m3/ （d·MPa），注氣啟動壓力為12MPa。地面壓降取0.5MPa，井口油壓為1MPa。

在進行設(shè)計之前，要確定最優(yōu)的注氣量。注氣量可以看作是產(chǎn)液量的函數(shù)，二者之間的關(guān)系曲線稱為動態(tài)曲線。假設(shè)一組注氣量，通過上述設(shè)計方法可以得到一組產(chǎn)液量，根據(jù)二者之間的關(guān)系曲線可以確定最優(yōu)注氣量。通過計算，二者相互關(guān)系如圖7。

由圖7可知，隨著注氣量增加，產(chǎn)液量也逐漸增加，增加幅度逐漸減小。根據(jù)曲線形狀，最優(yōu)的注氣量大概在15000m3/d左右，所以確定目標(biāo)注氣量為15000m3/d。根據(jù)目標(biāo)注氣量進行氣舉設(shè)計，結(jié)果見表1。

圖7 氣舉井動態(tài)曲線

表1 氣舉設(shè)計結(jié)果

5 結(jié)論

等壓降連續(xù)氣舉設(shè)計最重要的就是保證每級卸載閥可以正常關(guān)閉以及在正常生產(chǎn)時不會出現(xiàn)多點注氣，其關(guān)鍵是置閥深度處的注氣壓力和油壓的大小。在設(shè)計過程中，通過選擇合理的轉(zhuǎn)移油壓，保證每級閥打開時，其上一級閥正常關(guān)閉。在確定合理轉(zhuǎn)移油壓的基礎(chǔ)上，計算了每級閥卸載液量和注氣量。同時根據(jù)系統(tǒng)分析的原理，確定合理的產(chǎn)液量以及注氣深度，克服以往先確定注氣深度再進行布閥設(shè)計存在的缺點。最后的實例證明該方法更科學(xué)。

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［編輯］ 黃鸝