，，，，

(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)

在已投入開(kāi)發(fā)的海上油氣田中，存在著大量與油共生的天然氣藏。以渤中29-4油氣田為例，探明儲(chǔ)量1392.8×104m3，占總儲(chǔ)量91.3%，動(dòng)用儲(chǔ)量1039.9×104m3，占開(kāi)發(fā)區(qū)塊總探明儲(chǔ)量的75%。主要采用定向井穿多層的方式開(kāi)發(fā)氣層,在生產(chǎn)的過(guò)程中，受目前開(kāi)采技術(shù)水平的限制，通常先期暫時(shí)不射開(kāi)這些氣層，或關(guān)閉氣層生產(chǎn)滑套，僅生產(chǎn)油層；即使打開(kāi)氣層的生產(chǎn)井，也受限于初期天然氣產(chǎn)量高，對(duì)油層存在干擾，而采取先采氣待地層壓力釋放到一定水平后再油氣同采[1-2]。由于現(xiàn)階段的采油工藝技術(shù)難以控制油氣層同采時(shí)二者的產(chǎn)量和壓力達(dá)到平衡，高效釋放產(chǎn)能，故采取分階段分層開(kāi)采的方式，未能充分利用氣層的能量采出油層的原油，造成了浪費(fèi)和損失。針對(duì)油氣層同時(shí)鉆穿的情況，借鑒國(guó)外氣舉電泵技術(shù)組合開(kāi)采的先例[3-4],提出電泵與氣舉智能耦合工藝技術(shù)，既能增加生產(chǎn)井產(chǎn)出，又能減少后期投入。

1 電泵氣舉智能耦合舉升工藝方法

海上油田由于作業(yè)環(huán)境，要求設(shè)備具有體積小、操作簡(jiǎn)單、免修期長(zhǎng)、易管理和更換等特點(diǎn)。氣舉工藝具有排液范圍大、適應(yīng)范圍廣、容易調(diào)節(jié)等特點(diǎn)；電潛泵工藝具有易操作、排量大、易控制等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于海上油藏開(kāi)采[5-6]。

電泵與氣舉智能耦合舉升工藝是將氣舉工藝與電潛泵工藝的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，是一種通過(guò)在電潛泵出口以上位置設(shè)置氣舉注氣點(diǎn)，將氣層產(chǎn)氣注入油管來(lái)耦合電潛泵舉升的工藝。耦合舉升整個(gè)流動(dòng)過(guò)程包括從油層到井底(油井流入動(dòng)態(tài))、從井底到電泵、從泵出口到井口、 從井口到分離器、從分離器到地面管線5部分。從油層到泵出口完成的單泵段的設(shè)計(jì)，從泵出口到井口完成的是氣舉段的設(shè)計(jì)。以單井生產(chǎn)的系統(tǒng)效率最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)，給定一組泵的級(jí)數(shù)，根據(jù)泵的單級(jí)揚(yáng)程計(jì)算出電泵的總揚(yáng)程和泵的出口壓力，在井口油壓已知的條件下進(jìn)行氣舉設(shè)計(jì)。完成對(duì)舉升總揚(yáng)程在氣舉段和電泵段的合理分配，并計(jì)算不同分配結(jié)果下的系統(tǒng)效率，優(yōu)選出系統(tǒng)效率最高的分配方案。

1.1 海上耦合舉升模型

電泵與氣舉耦合舉升模型假設(shè)條件：①流體采用連續(xù)介質(zhì)模型。將井筒內(nèi)的流動(dòng)看作均勻的連續(xù)垂直多相管流，假設(shè)流體在井筒中做一維穩(wěn)定流動(dòng)；②在井筒中的任一橫截面上，流體的所有PVT參數(shù)是均一穩(wěn)定的；③流體速度、密度是空間坐標(biāo)的連續(xù)、可微函數(shù)；④建立模型時(shí)，將坐標(biāo)原點(diǎn)取在井底，以向上為正方向，第1控制面為井底，第2控制面為井口。

對(duì)氣舉電泵組合舉升系統(tǒng)進(jìn)行分段建模。

從井底到電泵吸入口處為

(1)

電泵入口到出口為

pout-pin=Δp泵

(2)

電泵出口到注氣點(diǎn)深度處為

(3)

注氣點(diǎn)深度到井口為

(4)

式中：H泵為泵掛深度，m；Hinj為注氣點(diǎn)深度，m；pwf為井底流壓，MPa；pwh為井口壓力，MPa；pin為泵入口壓力，MPa；pout為泵出口壓力，MPa；pinj為注氣點(diǎn)深度處的油管壓力，MPa；Δp舉高、Δp加速度、Δp摩擦分別為各模型段舉升液柱壓力損失、液體動(dòng)能變化引起的壓力損失、流體在管柱內(nèi)摩擦壓力損失。

在上述模型的基礎(chǔ)上，若已知油井產(chǎn)量、井口壓力和相關(guān)井筒、流體參數(shù)，可計(jì)算出組合舉升系統(tǒng)井筒壓力分布。

1.2 氣舉-電泵組合舉升計(jì)算方法

耦合舉升工藝參數(shù)計(jì)算比常規(guī)電泵工藝參數(shù)計(jì)算和氣舉工藝參數(shù)計(jì)算更復(fù)雜，計(jì)算時(shí)不僅要確保電泵與氣舉系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，不能干擾，同時(shí)整個(gè)耦合系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率最大化且能耗最低[7-11]。

電泵與氣舉耦合舉升計(jì)算方法主要包括定產(chǎn)量和井口壓力、定注氣量和井口壓力2種類型。在注氣壓力和油層流入動(dòng)態(tài)已知條件下，給定產(chǎn)量和井口壓力，確定注氣點(diǎn)深度和注氣量，如圖1a所示；在注氣壓力和油層流入動(dòng)態(tài)已知的條件下，給定注氣量和井口壓力，確定注氣點(diǎn)深度和最大產(chǎn)量，如圖1b所示[12]。

a 定產(chǎn)量和井口壓力

b 定注氣量和井口壓力

2 電泵氣舉智能耦合舉升工藝管柱

2.1 工藝管柱

電泵與氣舉智能耦合舉升工藝管柱如圖2所示。下井時(shí)不帶井下頂部封隔器，最初地層能量充足時(shí)，關(guān)閉電泵與氣舉，進(jìn)行自噴生產(chǎn)；待儲(chǔ)層能量下降后，利用氣舉閥將環(huán)空聚集的地層氣引入油管中進(jìn)行氣舉舉升生產(chǎn)；若儲(chǔ)層能量繼續(xù)下降，氣舉無(wú)法維持，則關(guān)閉氣舉閥，開(kāi)啟電泵進(jìn)行單電泵舉升生產(chǎn)；當(dāng)電泵舉升無(wú)法提液時(shí)，開(kāi)啟氣舉閥進(jìn)行電泵與氣舉耦合舉升生產(chǎn)。整個(gè)工藝配置實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，根據(jù)不同生產(chǎn)情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，選擇合適的舉升方式，實(shí)現(xiàn)整井生命周期的工藝匹配。

該工藝管柱具有排量范圍大、適應(yīng)性好、不受井眼彎曲程度影響、免修期長(zhǎng)等特點(diǎn)。最重要的是含氣層油井可充分利用氣層能量，實(shí)現(xiàn)油氣層同采，提高開(kāi)采效率。

1—井下安全閥；2—放氣閥；3—9過(guò)電纜封隔器；4—座落接頭；5—滑套(關(guān)閉)； 6—智能氣舉閥；7—罐裝泵系統(tǒng)；8—定位旁通；9—插入密封；10—帶孔管；11—絲堵； a—液控管線；b—控制器電纜；c—電泵電纜；d—地面控制器；e—地面智能控制器。

2.2 作用方式

油井完井時(shí)，同時(shí)射開(kāi)油層和氣層。在防砂完井后，通過(guò)插入密封將油層和氣層分開(kāi)，通過(guò)定位旁通實(shí)現(xiàn)分層生產(chǎn)管柱和分層防砂管柱的定位。地層油通過(guò)帶孔管進(jìn)入管柱內(nèi)，地層氣通過(guò)篩管進(jìn)入油套環(huán)空。通過(guò)有效控制氣舉流量控制器的開(kāi)度與電潛泵的頻率，該管柱可實(shí)現(xiàn)4種方式的舉升工藝。

1) 自噴生產(chǎn)。開(kāi)采初期油層能量較大，能實(shí)現(xiàn)自噴生產(chǎn)，此時(shí)關(guān)閉過(guò)電纜封隔器上的放氣閥、電潛泵和氣舉流量控制器，液流換向閥上連通油管與電泵和電泵罐裝殼體環(huán)空的通道打開(kāi)，地層油通過(guò)油管、電潛泵與電泵罐裝殼體之間的環(huán)空再經(jīng)液流換向閥流到地面。

2) 氣舉生產(chǎn)。當(dāng)開(kāi)采一段時(shí)間后油層能量降低，已不能滿足自噴生產(chǎn)的需求。此時(shí)，通過(guò)地面耦合控制系統(tǒng)控制氣舉流量控制器以及封隔器放氣閥，控制已在油套環(huán)空的氣層氣進(jìn)入油管，通過(guò)調(diào)節(jié)氣舉流量控制器的開(kāi)度控制氣體的壓力和流量，以實(shí)現(xiàn)氣舉舉升工藝。

3) 電泵生產(chǎn)。當(dāng)油層壓力繼續(xù)降低，直至氣層氣不足以供油井生產(chǎn)，此時(shí)，首先通過(guò)地面耦合控制系統(tǒng)啟動(dòng)電潛泵，同時(shí)關(guān)閉氣舉流量控制器，液流換向閥也自動(dòng)關(guān)閉油管和電泵罐裝殼體之間的環(huán)空，地層油經(jīng)帶孔管、電潛泵、液流換向閥和油管到地面。如果油中含少量氣，氣體可經(jīng)過(guò)罐裝泵放氣裝置釋放到泵上油管，以保持電潛泵高效運(yùn)行。

4) 電泵與氣舉耦合舉升生產(chǎn)。若油層壓力進(jìn)一步降低，單一電泵舉升已不能滿足生產(chǎn)要求。此時(shí)，通過(guò)地面耦合控制系統(tǒng)打開(kāi)氣舉流量控制器，使在油套環(huán)空的地層氣進(jìn)入油管，降低注氣點(diǎn)以上油管內(nèi)壓力梯度，為電潛泵分擔(dān)一部分舉升揚(yáng)程，逐漸調(diào)節(jié)舉氣流量控制器的開(kāi)度以適應(yīng)不同的產(chǎn)液量，實(shí)現(xiàn)電泵氣舉耦合舉升工藝。

3 電泵氣舉耦合系統(tǒng)

電泵與氣舉智能耦合系統(tǒng)主要包括分析系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)。分析系統(tǒng)主要為耦合分析軟件，是對(duì)當(dāng)前各個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括井口溫度、壓力和流量的監(jiān)測(cè)，氣舉工作筒溫度、壓力以及流量的監(jiān)測(cè)，電泵七項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測(cè)；控制系統(tǒng)包含智能氣舉閥工作筒開(kāi)度的調(diào)控，電泵變頻器的調(diào)控。如圖3所示。

圖3 電泵氣舉耦合控制系統(tǒng)

電泵氣舉智能耦合系統(tǒng)工作流程為：首先動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下電泵參數(shù)、井下氣舉閥參數(shù)以及井口參數(shù)，并將監(jiān)測(cè)的壓力、溫度、流量、氣舉閥開(kāi)度、電泵頻率、振動(dòng)等參數(shù)，上傳至電泵與氣舉耦合分析軟件；根據(jù)預(yù)先設(shè)定的油井生產(chǎn)制度、油氣體物性參數(shù)、管柱參數(shù)等，電泵與氣舉耦合分析軟件對(duì)當(dāng)前的工況進(jìn)行計(jì)算，給出最佳工況時(shí)氣舉閥開(kāi)度以及電泵頻率，并對(duì)實(shí)時(shí)采集的氣舉閥開(kāi)度和電泵頻率進(jìn)行對(duì)比。若目前工況處于容差范圍內(nèi)，則認(rèn)為是最優(yōu)，不需要其他調(diào)節(jié)。繼續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行下輪的分析計(jì)算；若超出預(yù)先設(shè)計(jì)的容差，則耦合控制器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，通過(guò)氣舉閥控制調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)氣舉閥開(kāi)度或通過(guò)電泵變頻器進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)至優(yōu)化數(shù)值后，繼續(xù)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)，進(jìn)行下輪的分析計(jì)算，直至測(cè)試結(jié)果達(dá)到優(yōu)化數(shù)值。

4 關(guān)鍵配套工具

電泵與氣舉智能耦合舉升系統(tǒng)較單一人工舉升系統(tǒng)復(fù)雜，常規(guī)設(shè)計(jì)軟件及常規(guī)工具已無(wú)法滿足工藝需求，需要研制配套軟件及工具，主要包括電泵與氣舉耦合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件、智能氣舉閥、液流換向閥以及罐裝泵。

4.1 電泵與氣舉耦合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件

基于電泵氣舉耦合舉升工藝特點(diǎn)，以最大限度挖潛地層產(chǎn)能為目標(biāo)。針對(duì)海上平臺(tái)工況，運(yùn)用多相管流進(jìn)行井筒溫度、壓力計(jì)算以尋求下泵深度、泵型號(hào)、注氣壓力、注氣量等耦合參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效舉升。通過(guò)采集電泵氣舉數(shù)據(jù)，可對(duì)當(dāng)前工況進(jìn)行診斷分析，具有監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。電泵與氣舉耦合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件界面如圖4。

圖4 電泵與氣舉耦合設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件界面示意

4.2 智能氣舉閥

常規(guī)氣舉氣嘴通徑無(wú)法調(diào)節(jié)，且不能監(jiān)測(cè)注氣點(diǎn)的溫度、壓力和流量。新開(kāi)發(fā)的智能氣舉閥可根據(jù)需求調(diào)節(jié)氣舉閥開(kāi)啟壓力，并能監(jiān)測(cè)注氣點(diǎn)的溫度、壓力以及流量，同時(shí)根據(jù)軟件優(yōu)化結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)氣舉閥氣嘴的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)注氣量的調(diào)節(jié)。如圖5所示。

圖5 智能氣舉閥

4.3 液流換向閥

電泵與氣舉耦合舉升工藝在整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)電泵屬于選擇性工作。當(dāng)電泵停止運(yùn)行且油井正常生產(chǎn)時(shí)，為了保護(hù)電泵避免井液的沖蝕和磨損，需要在電泵停運(yùn)期間建立一個(gè)不過(guò)泵的產(chǎn)液通道。液流換向閥安裝于電泵上部罐裝系統(tǒng)以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)中心通道和環(huán)空通道的轉(zhuǎn)換，當(dāng)電泵停運(yùn)時(shí)，中心通道關(guān)閉，上部環(huán)空通道開(kāi)啟；當(dāng)電泵正常運(yùn)行時(shí)，上部環(huán)空通道關(guān)閉，中心通道打開(kāi)。2種工況既能維持正常生產(chǎn)，又能有效保護(hù)電泵，液流換向閥如圖6。

圖6 液流換向閥三維圖

5 結(jié)論

1) 電泵與氣舉智能耦合舉升工藝可以有效解決海上存在的油氣同產(chǎn)井分層開(kāi)采周期長(zhǎng)、氣層能量利用率差、開(kāi)采時(shí)效不高等問(wèn)題。

2) 電泵與氣舉智能耦合舉升工藝管柱不僅能滿足油氣同采的要求，充分釋放油層的產(chǎn)能，增加生產(chǎn)井油氣產(chǎn)出，且能根據(jù)生產(chǎn)井不同階段的生產(chǎn)制度，實(shí)現(xiàn)自噴、單電泵、單氣舉以及電泵氣舉耦合4種舉升方式的任意切換，滿足油井整個(gè)生命周期的舉升需求，減少后期人工舉升的成本。