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。現(xiàn)有分離技術(shù)主要機理有重力沉降式、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]人為給出如何進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)協(xié)調(diào)分析，方可保證井下工具處于高效區(qū)間運轉(zhuǎn)工作，保證整個工藝高可靠性運轉(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

分層開采裝置實現(xiàn)了地層產(chǎn)出液的混合采集，混合產(chǎn)出液進入高效氣液分離器，分離裝置實現(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

1）所設(shè)計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)實施方案成熟，大大降低了作業(yè)及運行風(fēng)險。

3）建立液體/氣體獨立流動通道，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。

2 井下高效氣液分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計及理論分析

2.1 結(jié)構(gòu)原理設(shè)計

采用軸向式入口結(jié)構(gòu)，流體通過軸向式入口進入環(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動，最終從出液口流出。密度小的氣體向上運動并向管道中心區(qū)域運動，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，可減少從入口沿壁面運動到出氣口的液體，進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 分離器性能評價方法的建立

為有效評價氣液分離器的分離性能，引入運行分流比和最優(yōu)分流比概念。一般認為，在通過分離器瞬間氣體和液體可認為在同一系統(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)常壓實驗評價規(guī)律性的認識，將氣液分離器出氣口含率和出液口含率計算方法定義如下：

按上述高效氣液分離器出口含率理論計算方法，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)計算公式，包括嘴流壓力計算、管流壓力計算、井筒溫度場計算及潛油電泵特性計算等多種方法有機相結(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：給定目標產(chǎn)液量Qil，目標產(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)目標產(chǎn)液量Qil，目標產(chǎn)氣量Qig，油藏靜壓Pi計算井底流壓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)計的采氣油管和速度油管是否滿足攜液要求，判斷標準為：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；進一步將氣路壓力計算值井口壓力值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，計算得到電泵機組入口的液路流量Ql3、液路壓力Pl3和液路溫度Tl3。

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

根據(jù)電泵機組入口的液氣兩相總流量Ql3、液路壓力Pl3和液路溫度Tl3，計算電泵機組出口的液路流量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；進一步將氣路壓力計算值井口壓力值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，計算結(jié)束，選型完成。

15）步驟十五：若Pt-Pc＞0不成立，令電泵機組運轉(zhuǎn)頻率fm=fm+△f，進一步判斷是否30Hz≤fm≤60Hz；若是，則重復(fù)執(zhí)行步驟十二；若否，計算結(jié)束（電泵選型不合理，重新計算）。

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

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。

分流比通過調(diào)整△P氣和△P液的比值實現(xiàn)，步驟四中嘴后氣路壓力P3計算方法如式（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 計算實例分析

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。

計算不同運轉(zhuǎn)頻率沿程井筒液路壓力計算35Hz運轉(zhuǎn)時井口壓力0.52MPa，40Hz運轉(zhuǎn)時井口壓力1.33MPa，45Hz運轉(zhuǎn)時井口壓力2.75MPa，50Hz運轉(zhuǎn)時井口壓力4.91MPa，如圖6。計算結(jié)果表明，通過調(diào)整電泵運轉(zhuǎn)頻率，優(yōu)選電泵排量和揚程參數(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%計算，不同速度管柱內(nèi)徑沿程井筒氣路壓力計算，采用內(nèi)徑60mm管柱進行氣路舉升，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管柱進行氣路舉升，井口壓力為1.15MPa；采用內(nèi)徑28mm管柱進行氣路舉升，井口壓力為1.71MPa，如圖7。計算結(jié)果表明，通過優(yōu)化速度管柱內(nèi)徑尺寸可實現(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算，出氣口含氣率75%時，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，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，氣路舉升至井口壓力為0.93MPa；出氣口含氣率90%時，氣路舉升至井口壓力為1.58MPa；出氣口含氣率95%時，氣路舉升至井口壓力為2.49MPa，如圖8。計算結(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、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)間運轉(zhuǎn)工作。