深井泵與氣舉組合舉升管柱的設(shè)計

深井泵與氣舉組合舉升管柱的設(shè)計

舉升工藝單一隨著塔里木等深部氣田的開發(fā)，地層能量在中后期逐漸降低，標(biāo)準(zhǔn)高度超過5000m的生產(chǎn)技術(shù)逐漸成為現(xiàn)實。在現(xiàn)有單項人工舉升工藝中,只有水力活塞泵、有桿泵、氣舉的下泵深度接近或超過了5000m。常見深抽工藝的下泵深度與排量見表1所示。隨著油井舉升高度的增加,單一的舉升方式往往表現(xiàn)出一定的局限性和低效性。如有桿泵工況變差、事故增多、免修期縮短;水力泵和氣舉需要的地面增壓設(shè)備壓力等級升高,設(shè)備投資增大。目前在單項深抽工藝沒有取得革命性突破的條件下,組合接替工藝用于深抽成為必然選擇。1提升工藝組合的可能性和組合原則1.1電潛泵+有桿泵、噴射泵+有桿泵從舉升工藝原理與工藝管柱結(jié)構(gòu)看,可能構(gòu)成組合接替舉升的工藝和組合方式有:水力泵(包括水力活塞泵和水力噴射泵)(下)+有桿泵(上)、電潛泵(下)+有桿泵(上)、水力泵(下)+電潛泵(上)、電潛泵(下)+氣舉(上)、有桿泵(下)+氣舉(上)、水力泵(下)+氣舉(上)等。國內(nèi)已經(jīng)開展過電潛泵+有桿泵、噴射泵+有桿泵的相應(yīng)試驗;國外也進行過有桿泵+氣舉、電潛泵+氣舉的試驗,目的在于通過氣舉來提高有桿泵或電潛泵的產(chǎn)量,以適應(yīng)油藏條件的變化。1.2工藝特點的選取為了發(fā)揮組合工藝的優(yōu)勢、提高其效率,選擇組合工藝時建議遵循以下原則:(1)組合接力舉升時兩單項工藝的排量差異盡量小;(2)組合工藝管串結(jié)構(gòu)盡量簡便以提高其可靠性;(3)上部接力工藝的排量可調(diào)節(jié)性能好,能適應(yīng)下部工藝的排量變化;(4)組合工藝的免修期應(yīng)不低于其單項舉升工藝;(5)組合后有利于增加下泵深度或排量;(6)組合后具有良好的經(jīng)濟效益。2組合預(yù)防的問題上述方案中,水力活塞泵自身能夠滿足深抽需要,故沒有與有桿泵組合的必要。水力噴射泵自身下泵深度有限,其動力液和地層產(chǎn)液的總流量與有桿泵的排量差異較大,且有桿泵的排液不連續(xù),使得這兩種工藝的組合效果不佳,不宜采用;雖驗證了水里噴射泵和有桿泵組合的技術(shù)可行性,但其組合后的下泵深度較淺、產(chǎn)量較低,組合工藝的優(yōu)勢并未得到體現(xiàn)。小排量電潛泵與有桿泵的排量差異小,但有桿泵的排液不連續(xù),組合后的免修期或檢泵周期可能大大降低,盡管在塔河油田的成功應(yīng)用驗證了二者組合的技術(shù)可行性,但投資高、風(fēng)險大,推廣價值不大。水力泵與電潛泵的組合排量可以匹配,但依然存在投資大、免修期降低的風(fēng)險。有桿泵+氣舉、電潛泵+氣舉、水力泵+氣舉可以概況為深井泵+氣舉。由于氣舉的免修期較長、排量調(diào)節(jié)靈活,上部氣舉能較好地適應(yīng)下部深井泵的排量變化,且組合后的管柱結(jié)構(gòu)簡單,工藝上很容易實現(xiàn)。其中,有桿泵排量較小且排液不連續(xù),與氣舉的排量范圍差異較大,對上部氣舉的穩(wěn)定工作有一定的不利影響,不能很好地滿足深井大排量采油的需要;電潛泵排量較大且排液連續(xù),其排量范圍與氣舉的排液范圍適應(yīng)性較好,且電潛泵、氣舉工藝基本不受井眼彎曲程度等的影響,其免修期基本由電潛泵決定,是較理想的組合方式;水力泵與氣舉的排量范圍可較好匹配,但需要在地面氣體增壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加高壓動力液系統(tǒng),使得地面系統(tǒng)復(fù)雜、占地面積大、投資增加、經(jīng)濟效益較低。根據(jù)本文確立的舉升工藝組合原則,電潛泵(ESP)+氣舉(GL)的組合方式優(yōu)點突出、潛力較大,尤其適合大排量深抽。3esp-gl的替代措施和工藝管柱結(jié)構(gòu)3.1低油管內(nèi)注氣點到小口壓降機理ESP–GL組合接替生產(chǎn)系統(tǒng)通過在電潛泵出口以上一定位置作為氣舉注氣點,將氣體注入油管來接替電潛泵的舉升。氣體注入油管后,將大大降低油管內(nèi)注氣點到井口間的壓降,在井口壓力一定的條件下,最終必將降低電泵出口壓力,其機理如圖1所示。圖1中,ABC′′是地層靜壓分布線,ABC′E為電泵單獨舉升時的壓力分布線,D為注氣點,DF為注氣壓力分布線,ABCDE為ESP–GL組合接替舉升的壓力分布線。氣舉后,電泵出口壓力由C′降至C點,在電泵舉升壓頭一定的情況下可進一步增加電潛泵的下入深度;而在下泵深度不變的條件下其排量必然增加。3.2氣舉時環(huán)空資氣管柱結(jié)構(gòu)根據(jù)組合生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)及氣舉氣源情況,ESP-GL組合接替舉升可分為4種方式,如圖2所示。(1)安裝封隔器、通過環(huán)空氣舉,如圖2a所示。在此條件下環(huán)空注氣氣舉對動液面、下部電潛泵等沒有直接影響,但不利于地層產(chǎn)出流體中分離出的伴生氣的排出,因此主要用于高含水井或氣液比很低、不需要實施氣液分離的井。(2)不安裝封隔器、外來高壓氣通過環(huán)空氣舉,如圖2b所示。該管柱結(jié)構(gòu)有利于下部深井泵工作時的氣液分離,因此適用于氣液比較高的井,但由于氣舉時環(huán)空套壓較單獨電泵舉升時顯著升高,必然使得動液面被“下壓”加深,影響下部電潛泵的工作。(3)不安裝封隔器、通過自產(chǎn)伴生氣氣舉,如圖2c所示。該結(jié)構(gòu)需要首先啟動電潛泵生產(chǎn),在關(guān)閉套管閥門條件下,環(huán)空積聚的伴生氣最終被引入油管中輔助電泵舉升,其伴生氣引入油管后的生產(chǎn)規(guī)律與圖2b基本相同。該管柱結(jié)構(gòu)一般用于氣液比較高、伴生氣量大的井,其特點是氣舉氣源來自本井伴生氣,因此可稱為自力式氣舉。同圖2b一樣,由于套壓升高、環(huán)空液面加深,下部電潛泵的工作將受到影響。(4)不安裝封隔器、外來高壓氣通過單獨的氣舉管線實施氣舉,如圖2d所示。利用專門研制的可與注氣管線直接相連的氣舉閥,通過環(huán)空注氣管線實施氣舉,避免了從環(huán)空直接氣舉對動液面深度的影響。其中,注氣管線與電纜可通過專用卡箍固定在油管上。以上4種ESP–GL生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)中,a、d兩種結(jié)構(gòu)氣舉時對環(huán)空液面沒有直接影響;b、c兩種結(jié)構(gòu)氣舉時將使液面加深,組合工藝中的電泵下泵深度必須比單獨電泵時的下泵深度更大;c的氣舉氣源來自本井,因此,電潛泵首先必須滿足能獨立工作,不適宜用于大排量深抽,但可充分利用本井伴生氣的舉升功能;d兼有a的特點,氣舉對環(huán)空液面沒有影響,同時還能有效解決含CO2等酸性氣體氣舉時對上部套管的腐蝕問題,具有良好的應(yīng)用前景。4esp-gl的設(shè)計方法根據(jù)ESP–GL可能的組合工藝管柱結(jié)構(gòu)型式,ESP–GL的組合設(shè)計可以分為兩類。4.1氣舉組合及接力舉升方法在圖2a、圖2d的管柱結(jié)構(gòu)條件下,氣舉對環(huán)空液面沒有直接影響,可按照以下設(shè)計方法與步驟進行:(1)根據(jù)油層測試參數(shù)計算、繪制IPR曲線,并確定油井產(chǎn)量Q及對應(yīng)的井底流壓pwf。(2)計算并繪制進泵氣液比與壓力的關(guān)系曲線,取氣液比為20%～25%時的壓力為泵吸入口壓力ps。(3)以產(chǎn)層中部深度處的深度H、壓力pwf為起點,向井口方向計算產(chǎn)量Q及地層氣液比條件下套管內(nèi)的壓力分布(如圖1中的ABC′′),沉沒壓力ps對應(yīng)的深度即為電潛泵下泵深度。(4)根據(jù)Q、套管直徑等選擇電潛泵、電機、電纜等。當(dāng)下泵深度或舉升高度不大、按常規(guī)電潛泵設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)Q、井口流壓pt、油管尺寸等參數(shù),從井口開始按單相或多相管流方法計算得到泵掛深度處的壓力即電泵排出壓力pd,然后根據(jù)電泵吸、排出壓力差確定電潛泵級數(shù),進而選擇電機、電纜等。當(dāng)深井中動液面很深、下泵深度很大、超過電潛泵允許的舉升高度時,按常規(guī)方法無法選擇得到合適的電泵型號,此時應(yīng)采用氣舉組合、接力舉升。在此情況下,可根據(jù)排量Q、套管直徑、地層溫度等約束因素首先選擇常規(guī)電泵型號、級數(shù)。(5)根據(jù)所選型號的電泵揚程–排量曲線,可得出其排出口壓力pd。(6)根據(jù)Q、pd計算油管內(nèi)的壓力分布(如圖1中的CD)。(7)根據(jù)井口注氣壓力計算環(huán)空或注氣管柱內(nèi)的壓力分布(如圖1中的FD)。(8)CD與FD的交點為氣舉接力舉升時的注氣點深度。(9)利用常規(guī)氣舉設(shè)計方法完成氣舉參數(shù)設(shè)計。由以上組合設(shè)計可以看出,在氣舉對環(huán)空液面沒有影響的條件下,ESP–GL的設(shè)計較簡單,可以直接借用常規(guī)ESP–GL的設(shè)計方法。4.2環(huán)空壓力較低以圖2c的自力式氣舉為例,由于油管內(nèi)的液壓梯度高于環(huán)空或注氣管線內(nèi)的氣壓梯度,要使環(huán)空內(nèi)的伴生氣進入油管輔助氣舉,必須提高環(huán)空壓力即井口套壓,以保證在注氣點深度處環(huán)空壓力高于油管壓力。而要提高環(huán)空壓力,必然帶來環(huán)空液面的降低,常規(guī)電潛泵設(shè)計時確定的泵掛深度不能滿足。因此,需要重新設(shè)計電泵泵掛深度、井口套壓、注氣點深度、氣舉閥型號及參數(shù)等。4.2.1電潛泵泵掛深度的確定隨著井口套壓上升,環(huán)空液面逐漸下降,極限情況是,環(huán)空液面降至泵吸入口處時,井口套壓達到最高,若忽略氣柱壓力的影響,有在井底壓力一定的條件下,井口套壓直接決定了動液面的位置:井口套壓越高,注氣點越深,有利于提高氣舉的組合舉升效率,但環(huán)空動液面變深,在保證電潛泵合理沉沒度條件下的泵掛深度必然增加,電纜及電泵系統(tǒng)能耗則有所增加。根據(jù)高氣液比井設(shè)計與生產(chǎn)經(jīng)驗,沉沒深度hs一般在300～500m以上以便于環(huán)空氣液的分離,在一定井口套壓pc對應(yīng)的環(huán)空動液面Lf條件下,氣舉組合舉升時的電潛泵泵掛深度Lp為式中,Lf—動液面深度,m;hs—沉沒深度,m。4.2.2泵hp無論是外來氣源還是本井伴生氣,其井口套壓的高低決定了動液面深度及注氣點深度。在確定了泵掛深度后,可根據(jù)井底流壓、利用多相管流理論計算得到泵吸入口壓力ps。于是,井口套壓表示為式中,ps—沉沒壓力,MPa;?p1—泵吸入口到動液面間平均壓力梯度,MPa/m;?pg—井口到動液面間平均壓力梯度,MPa/m;hs—沉沒深度,m。4.2.3過閥壓差p為保證氣舉的順利進行,需要克服氣舉閥的過閥壓差△p。在計算得出油管內(nèi)壓力分布pt(x)與環(huán)空內(nèi)的壓力分布pc(x)后,滿足下式的對應(yīng)深度x即為實際注氣深度點。4.2.4自力式ac–gl系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計流程氣舉閥技術(shù)參數(shù)的確定可借用連續(xù)氣舉設(shè)計方法。與常規(guī)氣舉設(shè)計不同的是,當(dāng)利用本井伴生氣組合氣舉時,其注氣量基本確定,為經(jīng)井下氣液分離器分離后進入環(huán)空的伴生氣量。根據(jù)以上分析,可得到自力式ESP–GL系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計流程圖,如圖3。根據(jù)圖3的組合優(yōu)化設(shè)計流程,可計算得到設(shè)定沉沒度條件下不同電潛泵泵掛深度對應(yīng)的ESP–GL系統(tǒng)的泵吸入口與排出口壓力、井口套壓、注氣點深度、氣舉閥技術(shù)參數(shù)等。5實例分析5.1注氣點注壓方面取直徑為287英寸的油管,產(chǎn)液量100m3/d,原油相對密度0.85,含水率50%,天然氣相對密度0.65。電泵舉升能力按有效揚程4000m(泵出口壓力約30.0MPa)考慮。氣舉組合接力舉升時取注氣點深度4000m,注氣量5×104m3/d,按兩相垂直管流理論計算得注氣點處壓力為10.8MPa,即氣舉接力后相當(dāng)于電潛泵出口壓力下降了19.2MPa左右。圖2d的結(jié)構(gòu)方案,若不考慮井筒溫度等對下泵深度的限制,在電潛泵額定揚程不變的條件下,氣舉組合接力舉升后使泵出口壓力下降的19.2MPa將可使下部電泵再下深2000m以上,即電泵–氣舉組合接替舉升后,電泵的下泵深度可達6000m以上。5.2電潛泵–gl組合舉升方案V3井油層中深3600m,油層壓力25.4MPa,井口流壓3.0MPa,其生產(chǎn)氣油比290m3/m3,含水60%,井底流壓15.2MPa時產(chǎn)液量達450m3/d左右。常規(guī)電潛泵優(yōu)化設(shè)計結(jié)果見表2。利用自力式ESP–GL設(shè)計方法和圖3的設(shè)計流程,可得電潛泵–氣舉組合采油設(shè)計結(jié)果見表3。由表3可知,不同泵掛深度將有不同的設(shè)計結(jié)果,最終方案的選取根據(jù)實際生產(chǎn)井的限制條件決定。根據(jù)V3井的實際生產(chǎn)情況,最終選擇泵掛深度為2500m的ESP–GL組合舉升方案,對應(yīng)的電潛泵設(shè)計結(jié)果見表4。由表2與表4的對比結(jié)果可以看出,采用自力式ESP–GL組合舉升后,雖然工藝較單獨的電泵舉升其泵掛深度有所增加,但電潛泵排出口與吸入口壓差變化不大,因此,除電纜增長、電纜能耗略有增加外,井下電泵機組可保持不變,組合生產(chǎn)系統(tǒng)較單獨的ESP的排出口壓力降低了17.5%。該井的對比生產(chǎn)表明,自力式ESP–GL生產(chǎn)系統(tǒng)較單獨的ESP增產(chǎn)84m3/d,產(chǎn)量提高了23.5%。6