電潛泵井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析

1、作者簡(jiǎn)介:石在虹,女,1963年4月生,1985年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院采油工程專(zhuān)業(yè),并于1990年獲碩士學(xué)位,現(xiàn)在中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所攻讀博士學(xué)位,副教授。文章編號(hào):02532697(200301010005電潛泵井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析石在虹1李波2崔斌1吳應(yīng)湘1(11中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所北京100080;21中海石油(中國(guó)有限公司天津分公司天津300452摘要:提出了原油物性模擬的修正模型,其結(jié)果與PV T 曲線具有良好的相關(guān)性。給出了電潛泵內(nèi)流體溫升及井筒中流體溫度梯度的計(jì)算方法。通過(guò)引入井眼軌跡的描述與計(jì)算技術(shù),成功地解決了彎曲井段的多相流計(jì)算問(wèn)題,從而可以計(jì)算出任意井眼形狀中的參數(shù)分布規(guī)律。在此

2、基礎(chǔ)上,借助于毛細(xì)管、動(dòng)液面或泵特性測(cè)試資料,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電潛泵井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的模擬和分析,并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中收到了良好的效果。關(guān)鍵詞:電潛泵;多相流;生產(chǎn)動(dòng)態(tài);模型;測(cè)試;模擬中圖分類(lèi)號(hào):TE833文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AProduction performance analysis of oil w ell with submersible electric pumpSHI Zai-hong 1L I Bo 2CU I Bin 1WU Y ing-xang 1(1.Institute of Mechanics ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100080China ;

3、2.CN OOC Tianjin Oilf ield B ranch ,Tianjin 300452,China Abstract :A modified model to simulate the crude properties is presented ,and its results correlate well to the PV T curve.The calculation methods for the fluid temperature increment in the submersible electric pump and the temperature gradien

4、t along the well bore are also developed.By introducing the techniques for describing and calculating the trajectory of a well bore to the multiphase flow calculation ,the problems appeared in calculation for the curved well bore sections were successfully solved.As a result ,the distribution of eve

5、ry parameter along the well bore with any shape can be found.On the basis of these ,the simulation and analysis on production performance for a well with submersible electric pump were achieved by means of the test data from capillary ,producing fluid level and pump characteristic curves.This method

6、 has brought a good effect when used in oil fields.K ey w ords :submersible electric pump ;multiphase flow ;production performance ;model ;testing ;simulation電潛泵是一種最早用于采油的人工舉升設(shè)備,是提高采液速度、實(shí)現(xiàn)油井繼續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的有效途徑。它具有排量范圍大、揚(yáng)程范圍大、泵效高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)1。在電潛泵井的生產(chǎn)管理過(guò)程中,合理的生產(chǎn)措施將直接關(guān)系到電潛泵的抽油效率和運(yùn)行壽命,進(jìn)而對(duì)電潛泵抽油的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生直接影響。然而,在電潛泵機(jī)械

7、采油時(shí),對(duì)油井資料的測(cè)試有一定的困難。而且,直接測(cè)試對(duì)電潛泵壽命及原油產(chǎn)量均有一定影響。本文將采用間接計(jì)算方法來(lái)分析、模擬油井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài),得出壓力、密度、粘度等參數(shù)沿井筒的分布規(guī)律。這種方法可以節(jié)約大量的人力和操作費(fèi)用,延長(zhǎng)電潛泵的壽命,進(jìn)而可以提高油田的采收率和經(jīng)濟(jì)效益。1基本理論111流體的流動(dòng)型態(tài)在石油開(kāi)采過(guò)程中,井筒中有油、氣、水三相流體流動(dòng),而流動(dòng)型態(tài)是影響這種多相流動(dòng)能量損失的重要因素,也影響到多相流動(dòng)的力學(xué)關(guān)系及傳熱和傳質(zhì)性質(zhì)。只有充分認(rèn)識(shí)了井筒內(nèi)的多相流動(dòng)規(guī)律,才能正確地分析油井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)2。112原油物性模擬在井筒多相流計(jì)算中,須知道原油、天然氣和水的物性參數(shù)。盡管這些參數(shù)可

8、以在室內(nèi)測(cè)定,但現(xiàn)場(chǎng)一般只測(cè)它們隨壓力的變化值,而溫度取為油層溫度。因此,必須找出這些物性參數(shù)與壓力和溫度的相關(guān)規(guī)律。通過(guò)油、氣、水物性參數(shù)的計(jì)算很難找到完善的理第24卷第1期2003年1月石油學(xué)報(bào)ACTA PETROL EI SIN ICA Vol.24No.1Jan.2003論模型,目前的研究成果多是利用統(tǒng)計(jì)的方法給出經(jīng)驗(yàn)公式或曲線。在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于1口具體的油井,往往須對(duì)這些經(jīng)驗(yàn)公式做進(jìn)一步的修正。目前,計(jì)算溶解油氣比普遍采用Vazquez和Beggs 的研究結(jié)果2,即S s=011781C1gs(0.1450pc2expC3APIo/(1.8t+492(1式中S s為溶解油氣比,m3

9、/m3;p為壓力(絕對(duì), kPa;t為溫度,;gs為68915kPa表壓下天然氣的相對(duì)密度;APIo為標(biāo)準(zhǔn)狀況下原油的API密度;C i為系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中,可采用以下方法進(jìn)行修正:C k i=K i C i(2式中K i為修正系數(shù);C k i為修正后的系數(shù)值; i=1,2,3。油田應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,系數(shù)C1對(duì)S s的影響較顯著。通常,只修正C1便可得到與PV T較相符的模擬曲線。原油體積系數(shù)B o的典型計(jì)算方法是Standing公式和Vazquez-Beggs公式2。研究表明:當(dāng)壓力pp b時(shí),這兩個(gè)公式所得到的模擬曲線具有相似的變化規(guī)律,但近似相差某一常數(shù);當(dāng)壓力p>p b時(shí),由于

10、Vazquez-Beggs公式中考慮了飽和壓力p b的影響,在p b處曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,而Standing曲線不存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。同時(shí),還發(fā)現(xiàn)B o與p b具有相關(guān)性。綜合Standing公式和Vazquez-Beggs公式,考慮飽和壓力的影響,我國(guó)某油田原油體積系數(shù)B o的模擬計(jì)算公式可表示為B o=B S o+B V o2+0.08921-p b12-0.0035(3式中B S o和B V o分別為Standing和Vazquez-Beggs公式計(jì)算出的原油體積系數(shù),m3/m3。在井筒多相流計(jì)算中,原油粘度是一個(gè)很重要的參數(shù)。其典型的計(jì)算方法是Chew-Connaly公式和Beggs-Robinso

11、n公式。與溶解油氣比和原油體積系數(shù)類(lèi)似,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也須進(jìn)行修正。但是,原油粘度隨壓力、溫度的變化較大,而現(xiàn)場(chǎng)往往只測(cè)試它隨壓力的變化。換句話說(shuō),通過(guò)對(duì)PV T粘度曲線的修正,往往無(wú)法反映出溫度的影響。研究表明,壓力、溫度等因素對(duì)原油粘度的影響可以通過(guò)溶解油氣比來(lái)體現(xiàn),一般通過(guò)擬合原油粘度與溶解油氣比的相關(guān)規(guī)律,便可以得到較好的粘度曲線。113壓力分布規(guī)律研究井筒中的多相流動(dòng)規(guī)律,必須建立體現(xiàn)質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程和體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)守恒的動(dòng)量方程式與能量方程式。但多相流動(dòng)比單相流動(dòng)要復(fù)雜得多,這與多相的存在及其分布狀況有關(guān)。即使是同樣份額的氣液比,如果分布狀況不同,其流體力學(xué)特性也不同。在采油過(guò)程中,人

12、們非常關(guān)心井筒中的壓力分布,因?yàn)閴毫εc產(chǎn)量是密切相關(guān)的。近40年來(lái),雖然人們對(duì)于多相管流進(jìn)行了廣泛的研究,并且在壓降和持液率的計(jì)算上取得了一些良好的相關(guān)規(guī)律,但是大多數(shù)的研究都是集中在水平流動(dòng)或垂直流動(dòng)上。對(duì)于偏斜不大的定向井,人們以前多是使用垂直多相流動(dòng)的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算,只是在計(jì)算中把實(shí)際的傾斜井深改用了相應(yīng)的垂直深度。據(jù)統(tǒng)計(jì),這在某些情況下被證明是成功的。但是應(yīng)該指出,定向井與直井至少有兩方面的區(qū)別。首先,對(duì)于同樣的垂深來(lái)說(shuō),定向井有著更長(zhǎng)的井筒,因而摩擦阻力會(huì)大些。其次,定向井的井斜角一般都大于15°,所以?xún)烧叩某忠郝适遣煌摹＝陙?lái),由于定向井?dāng)?shù)量的日益增多,對(duì)傾斜多相管流

13、的研究正引起人們的普遍重視。研究表明,在定向井多相管流計(jì)算中,貝格斯和布里爾方法表現(xiàn)出了較好的計(jì)算精度。其壓力梯度的表達(dá)式為2d pd z=-1H1+g(1-H1g sin+Gv/2DA1-1H1+g(1-H1v v sg/p(4式中p為混合物的壓力(絕對(duì),Pa;z為軸向流動(dòng)的距離,m;1為液相密度,kg/m3;g為氣相密度, kg/m3;H1為持液率,m3/m3;g為重力加速度, m2/s;為管道與水平方向的夾角,(°為兩相流動(dòng)的沿程阻力系數(shù),無(wú)因次;G為混合物的質(zhì)量流量, kg/s;v為混合物的流速,m/s;v sg為氣相的折算速度,m/s;D為管道直徑,m;A為管道截面積,m2

14、。114溫度分布規(guī)律井筒中的溫度梯度與地溫梯度一般是不同的。這是因?yàn)榫仓辛鲃?dòng)的流體不能及時(shí)地與地層進(jìn)行熱交換,況且當(dāng)流經(jīng)電潛泵時(shí)還會(huì)使其升溫。因此,不應(yīng)忽視泵內(nèi)流體的溫升對(duì)液體流動(dòng)特性的影響。根據(jù)泵的工作特性及相關(guān)參數(shù)的定義,可得泵內(nèi)溫升為t=2.34×10-3(-1e-1p-1H/c(5式中t為泵內(nèi)溫升,;e為電動(dòng)機(jī)的效率;p為101第1期石在虹等:電潛泵井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析泵的效率;H為泵的揚(yáng)程,m;c為油、氣、水混合物的比熱,4119kJ/(kg。由于各相的質(zhì)量流量保持不變,所以油、氣、水混合物的比熱c可用下式計(jì)算c=(G o c o+G g c g+G w c wG-1(6式中G

15、 o、G g和G w分別為油、氣、水相的質(zhì)量流量, kg/s;G為混合物的質(zhì)量流量,kg/s;c o、c g、c w分別為油、氣、水的比熱,4119kJ/(kg。通常,原油和水的比熱分別為c o=1.88kJ/(kg和c w=4.18kJ/(kg。天然氣的比熱與其組分有關(guān),天然氣的主要成分是甲烷,而甲烷的比熱為c g= 2.227kJ/(kg。考慮泵內(nèi)溫升后,井筒中的溫度梯度為K=(t m-t h+tH-1m(7式中t h為井口溫度,;t m為油層溫度,;H m為油層垂深,m。115密度分布規(guī)律油、氣、水混合物的密度在壓力分布計(jì)算中占有十分重要的地位。通常認(rèn)為,水的壓縮性很小,所以可以認(rèn)為其密

16、度是不變的。但是,對(duì)于原油、氣體、液相以及混合物的密度,則必須考慮其隨壓力、溫度等的變化規(guī)律。氣相、液相及油、氣、水混合物的密度可分別按如下公式計(jì)算:g=( p T st(Zp st T-1ng(8l=(o+ng S s+w V w(B o+V w-1(9=l H1+g(1-H1(10 116粘度分布規(guī)律目前,水對(duì)于井筒中油、氣流動(dòng)的總影響還不甚清楚,所以絕大多數(shù)的研究還只能把注意力集中在氣、液兩相流動(dòng)上,并按照油、水混合物的體積含水率來(lái)處理水的影響,即1=f ww+(1-f wo(11式中1為液相粘度;w為水的粘度;o為油的粘度;f w為體積含水率。兩相介質(zhì)的粘度通常取為氣相粘度g和液相粘度

17、1的平均值,不過(guò)也有多種計(jì)算平均值的方法。117井眼軌跡計(jì)算彎曲井筒內(nèi)的壓降計(jì)算是以壓力梯度方程式為基礎(chǔ)的。在該式中,涉及到了管道與水平方向的夾角。在計(jì)算壓降時(shí),可以把彎曲井段分成若干個(gè)斜直段,而每段的傾斜角是不同的。要得到各段的平均井斜角,就須計(jì)算出該井段兩端點(diǎn)處的井斜角。此外,由于流體的溫度是與垂深相聯(lián)系的,所以還須有計(jì)算井眼軌跡垂深的方法。如果將井眼軌跡假設(shè)為空間螺旋線或自然曲線,則有3。=A+B-AL B-L A(L-LA(12H=L B-L AB-A(sin-sinA(13式中L為計(jì)算點(diǎn)的井深,m;為計(jì)算點(diǎn)的井斜角,°H為計(jì)算點(diǎn)與上測(cè)點(diǎn)間的垂深增量,m。2測(cè)試資料處理方法2

18、11毛細(xì)管測(cè)試根據(jù)原油物性模擬以及井筒內(nèi)的溫度、密度和粘度分布規(guī)律,可以求解壓力梯度方程式。因此,通過(guò)井口油壓可以計(jì)算出泵排出口壓力,而利用毛細(xì)管壓力可以求得泵吸入口壓力,進(jìn)而可以計(jì)算出泵的揚(yáng)程及泵內(nèi)溫升等。但是,上述計(jì)算過(guò)程是在已知井筒內(nèi)溫度梯度的前提下進(jìn)行的,而溫度梯度又與泵內(nèi)溫升有關(guān),所以還須使用迭代法求解。在確定出泵排出口壓力、泵吸入口壓力以及溫度梯度或泵內(nèi)溫升之后,便可以從毛細(xì)管處開(kāi)始沿井筒向下計(jì)算,直到油層為止,從而得到各參數(shù)沿井筒的分布規(guī)律。212動(dòng)液面測(cè)試在油井正常生產(chǎn)時(shí),井底流壓的高低不僅決定著地層供液量的大小,也決定著抽油設(shè)備工作狀況的好壞。因此,井底流壓是影響抽油設(shè)備能否

19、與地層協(xié)調(diào)工作的重要參數(shù)。井底壓力是井口套壓與井筒中流體聯(lián)合作用的結(jié)果。井筒中的物性分布如圖1所示。泵吸入口的壓力為p i=p cp exp(0.000111549g H f+g w(H i-H fo GCF(14式中p i為泵吸入口壓力,MPa;p cp為生產(chǎn)套壓, MPa;g為氣體的相對(duì)密度;o為原油的相對(duì)密度;H f為動(dòng)液面垂深,m;H i為泵吸入口垂深,m;g w為水的壓力梯度,通常g w=0.01MPa/m;GCF為壓力梯度修正系數(shù)。W.E.G ilbert是壓力梯度修正系數(shù)的早期研究者。他認(rèn)為影響壓力梯度修正系數(shù)的主要因素是通過(guò)油柱的氣體流量、過(guò)流斷面面積以及壓力。在一定條件下,套

20、管產(chǎn)氣量越大,則油柱中含的氣量越多,因而201石油學(xué)報(bào)2003年第24卷油氣混合物的密度越小,壓力梯度修正系數(shù)也應(yīng)越小;當(dāng)產(chǎn)氣量一定時(shí),油氣混合物中的氣體體積是壓力的函數(shù),壓力增大,則氣體的體積減小,油氣混合物的密度增大,壓力梯度修正系數(shù)也應(yīng)相應(yīng)地增大 。圖1井筒中的物性分布Fig 11Distribution of physical property in w ell bore根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),W.E.G ilbert 得到了呈“S ”形的壓力梯度修正系數(shù)曲線,該曲線可回歸為如下形式:GCF =b 0+5i =1biyi(15其中y =lg 67.54Q gA p0.4b 0=0.3200,b

21、1=-0.5169,b 2=0.1107,b 3=0.2218,b 4 =0.05050,b 5=-0.003757式中Q g 為產(chǎn)氣量,m 3/s 。顯然,要計(jì)算泵吸入口壓力,上式中的壓力應(yīng)取從動(dòng)液面到泵吸入口的平均壓力,產(chǎn)氣量應(yīng)取套管的產(chǎn)氣量,過(guò)流斷面的面積為環(huán)空截面積。不難看出,要求得泵吸入口壓力p i 必須知道GCF ,而要計(jì)算GCF 又須知道p i 。因此必須采用迭代法才能求出滿足精度要求|(p (k +1i -p (k i /p (k i |的p i 值(p (k i 表示第k 次迭代計(jì)算的p i 值。213泵特性測(cè)試電潛泵的工作特性是用泵特性曲線來(lái)表述的。但是,標(biāo)準(zhǔn)的泵特性曲線是

22、用清水做出的,而井下電潛泵的工作介質(zhì)是由油、氣、水組成的多相流體。毫無(wú)疑問(wèn),粘度對(duì)排量、揚(yáng)程、泵效等都將產(chǎn)生影響。因此,電潛泵的實(shí)際工作特性須在標(biāo)準(zhǔn)的泵特性曲線上根據(jù)多相流體的粘度進(jìn)行修正。根據(jù)上述的壓力分布等關(guān)系式,如果已知井口油壓,則可以從井口向下計(jì)算出泵排出口壓力;然后基于修正后的泵特性曲線,求得泵吸入口壓力;再?gòu)谋梦肟谙蛳掠?jì)算,進(jìn)而得到井底流壓。如果已知井底流壓,則可以從下向上計(jì)算,最后得到井口油壓。如果井口油壓和井底流壓都是已知的,則可以通過(guò)計(jì)算出的泵吸入口壓力和泵排出口壓力,對(duì)電潛泵的實(shí)際工作特性進(jìn)行分析?？傊?通過(guò)泵特性曲線也可以得到各參數(shù)沿井筒的分布規(guī)律。3應(yīng)用實(shí)例基于上述理

23、論,研制開(kāi)發(fā)了油井測(cè)試資料處理系統(tǒng),并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了50余井次的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用,收到了良好的效果?，F(xiàn)以某油田的一口定向井B13井為例進(jìn)行計(jì)算,其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。經(jīng)環(huán)空測(cè)試,生產(chǎn)套壓為0130MPa ,動(dòng)液面深度為420100m ,計(jì)算結(jié)果如圖2圖6所示。而該井的毛 細(xì)管測(cè)壓值為7196MPa ,可見(jiàn)兩者是基本吻合的。圖2 溶解油氣比曲線Fig.2Curve of dissolved gas -oil ratio圖3原油粘度曲線Fig.3Curve of oil viscosity301第1期石在虹等:電潛泵井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析 圖4密度分布曲線Fig.4Fluid density along the w

24、ell bore圖5粘度分布曲線Fig.5Fluid viscosity along the w ell bore表1B 13井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)T able 1B asic d ata of Well B 13井筒參數(shù)油層深度/m1627143泵吸入口深度/m 1329163泵排出口深度/m 1306125套管內(nèi)徑/mm 157110油管外徑/mm 88190油管內(nèi)徑/mm 76100毛細(xì)管下深/m1336191物性參數(shù)原油相對(duì)密度019576天然氣相對(duì)密度016300脫氣原油粘度/(mPa s 437190原油飽和壓力/MPa 13100飽和體積系數(shù)/(m 3/m 3110470含氣狀況濕氣生產(chǎn)參數(shù)產(chǎn)液量/(m 3/d 354100產(chǎn)水量/(m 3/