電潛泵井生產動態(tài)分析

1、作者簡介:石在虹,女,1963年4月生,1985年畢業(yè)于大慶石油學院采油工程專業(yè),并于1990年獲碩士學位,現在中國科學院力學研究所攻讀博士學位,副教授。文章編號:02532697(200301010005電潛泵井生產動態(tài)分析石在虹1李波2崔斌1吳應湘1(11中國科學院力學研究所北京100080;21中海石油(中國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,其結果與PV T 曲線具有良好的相關性。給出了電潛泵內流體溫升及井筒中流體溫度梯度的計算方法。通過引入井眼軌跡的描述與計算技術,成功地解決了彎曲井段的多相流計算問題,從而可以計算出任意井眼形狀中的參數分布規(guī)律。在此

2、基礎上,借助于毛細管、動液面或泵特性測試資料,實現了對電潛泵井生產動態(tài)的模擬和分析,并在現場應用中收到了良好的效果。關鍵詞:電潛泵;多相流;生產動態(tài);模型;測試;模擬中圖分類號:TE833文獻標識碼: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備,是提高采液速度、實現油井繼續(xù)穩(wěn)產的有效途徑。它具有排量范圍大、揚程范圍大、泵效高、自動化程度高等特點1。在電潛泵井的生產管理過程中,合理的生產措施將直接關系到電潛泵的抽油效率和運行壽命,進而對電潛泵抽油的經濟效益產生直接影響。然而,在電潛泵機械

7、采油時,對油井資料的測試有一定的困難。而且,直接測試對電潛泵壽命及原油產量均有一定影響。本文將采用間接計算方法來分析、模擬油井的生產動態(tài),得出壓力、密度、粘度等參數沿井筒的分布規(guī)律。這種方法可以節(jié)約大量的人力和操作費用,延長電潛泵的壽命,進而可以提高油田的采收率和經濟效益。1基本理論111流體的流動型態(tài)在石油開采過程中,井筒中有油、氣、水三相流體流動,而流動型態(tài)是影響這種多相流動能量損失的重要因素,也影響到多相流動的力學關系及傳熱和傳質性質。只有充分認識了井筒內的多相流動規(guī)律,才能正確地分析油井的生產動態(tài)2。112原油物性模擬在井筒多相流計算中,須知道原油、天然氣和水的物性參數。盡管這些參數可

8、以在室內測定,但現場一般只測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與壓力和溫度的相關規(guī)律。通過油、氣、水物性參數的計算很難找到完善的理第24卷第1期2003年1月石油學報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)計的方法給出經驗公式或曲線。在實際應用中,對于1口具體的油井,往往須對這些經驗公式做進一步的修正。目前,計算溶解油氣比普遍采用Vazquez和Beggs 的研究結果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, kPa;t為溫度,;gs為68915kPa表壓下天然氣的相對密度;APIo為標準狀況下原油的API密度;C i為系數。在實際應用中,可采用以下方法進行修正:C k i=K i C i(2式中K i為修正系數;C k i為修正后的系數值; i=1,2,3。油田應用的統(tǒng)計結果表明,系數C1對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B o的典型計算方法是Standing公式和Vazquez-Beggs公式2。研究表明:當壓力pp b時,這兩個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;當壓力p>p b時,由于

10、Vazquez-Beggs公式中考慮了飽和壓力p b的影響,在p b處曲線出現轉折,而Standing曲線不存在轉折點。同時,還發(fā)現B o與p b具有相關性。綜合Standing公式和Vazquez-Beggs公式,考慮飽和壓力的影響,我國某油田原油體積系數B o的模擬計算公式可表示為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公式計算出的原油體積系數,m3/m3。在井筒多相流計算中,原油粘度是一個很重要的參數。其典型的計算方法是Chew-Connaly公式和Beggs-Robinso

11、n公式。與溶解油氣比和原油體積系數類似,在實際應用時也須進行修正。但是,原油粘度隨壓力、溫度的變化較大,而現場往往只測試它隨壓力的變化。換句話說,通過對PV T粘度曲線的修正,往往無法反映出溫度的影響。研究表明,壓力、溫度等因素對原油粘度的影響可以通過溶解油氣比來體現,一般通過擬合原油粘度與溶解油氣比的相關規(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規(guī)律,必須建立體現質量守恒的連續(xù)性方程和體現運動守恒的動量方程式與能量方程式。但多相流動比單相流動要復雜得多,這與多相的存在及其分布狀況有關。即使是同樣份額的氣液比,如果分布狀況不同,其流體力學特性也不同。在采油過程中,人

12、們非常關心井筒中的壓力分布,因為壓力與產量是密切相關的。近40年來,雖然人們對于多相管流進行了廣泛的研究,并且在壓降和持液率的計算上取得了一些良好的相關規(guī)律,但是大多數的研究都是集中在水平流動或垂直流動上。對于偏斜不大的定向井,人們以前多是使用垂直多相流動的相關規(guī)律進行計算,只是在計算中把實際的傾斜井深改用了相應的垂直深度。據統(tǒng)計,這在某些情況下被證明是成功的。但是應該指出,定向井與直井至少有兩方面的區(qū)別。首先,對于同樣的垂深來說,定向井有著更長的井筒,因而摩擦阻力會大些。其次,定向井的井斜角一般都大于15°,所以兩者的持液率是不同的。近年來,由于定向井數量的日益增多,對傾斜多相管流

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算中,貝格斯和布里爾方法表現出了較好的計算精度。其壓力梯度的表達式為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,Pa;z為軸向流動的距離,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,(°為兩相流動的沿程阻力系數,無因次;G為混合物的質量流量, 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。這是因為井筒中流動的流體不能及時地與地層進行熱交換,況且當流經電潛泵時還會使其升溫。因此,不應忽視泵內流體的溫升對液體流動特性的影響。根據泵的工作特性及相關參數的定義,可得泵內溫升為t=2.34×10-3(-1e-1p-1H/c(5式中t為泵內溫升,;e為電動機的效率;p為101第1期石在虹等:電潛泵井生產動態(tài)分析泵的效率;H為泵的揚程,m;c為油、氣、水混合物的比熱,4119kJ/(kg。由于各相的質量流量保持不變,所以油、氣、水混合物的比熱c可用下式計算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、水相的質量流量, kg/s;G為混合物的質量流量,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,天然氣的主要成分是甲烷,而甲烷的比熱為c g= 2.227kJ/(kg?？紤]泵內溫升后,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算中占有十分重要的地位。通常認為,水的壓縮性很小,所以可以認為其密

16、度是不變的。但是,對于原油、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,水對于井筒中油、氣流動的總影響還不甚清楚,所以絕大多數的研究還只能把注意力集中在氣、液兩相流動上,并按照油、水混合物的體積含水率來處理水的影響,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,不過也有多種計算平均值的方法。117井眼軌跡計算彎曲井筒內的壓降計算是以壓力梯度方程式為基礎的。在該式中,涉及到了管道與水平方向的夾角。在計算壓降時,可以把彎曲井段分成若干個斜直段,而每段的傾斜角是不同的。要得到各段的平均井斜角,就須計算出該井段兩端點處的井斜角。此外,由于流體的溫度是與垂深相聯系的,所以還須有計算井眼軌跡垂深的方法。如果將井眼軌跡假設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為計算點的井深,m;為計算點的井斜角,°H為計算點與上測點間的垂深增量,m。2測試資料處理方法2

18、11毛細管測試根據原油物性模擬以及井筒內的溫度、密度和粘度分布規(guī)律,可以求解壓力梯度方程式。因此,通過井口油壓可以計算出泵排出口壓力,而利用毛細管壓力可以求得泵吸入口壓力,進而可以計算出泵的揚程及泵內溫升等。但是,上述計算過程是在已知井筒內溫度梯度的前提下進行的,而溫度梯度又與泵內溫升有關,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溫升之后,便可以從毛細管處開始沿井筒向下計算,直到油層為止,從而得到各參數沿井筒的分布規(guī)律。212動液面測試在油井正常生產時,井底流壓的高低不僅決定著地層供液量的大小,也決定著抽油設備工作狀況的好壞。因此,井底流壓是影響抽油設備能否

19、與地層協調工作的重要參數。井底壓力是井口套壓與井筒中流體聯合作用的結果。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為生產套壓, MPa;g為氣體的相對密度;o為原油的相對密度;H f為動液面垂深,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。W.E.G ilbert是壓力梯度修正系數的早期研究者。他認為影響壓力梯度修正系數的主要因素是通過油柱的氣體流量、過流斷面面積以及壓力。在一定條件下,套

20、管產氣量越大,則油柱中含的氣量越多,因而201石油學報2003年第24卷油氣混合物的密度越小,壓力梯度修正系數也應越小;當產氣量一定時,油氣混合物中的氣體體積是壓力的函數,壓力增大,則氣體的體積減小,油氣混合物的密度增大,壓力梯度修正系數也應相應地增大 。圖1井筒中的物性分布Fig 11Distribution of physical property in w ell bore根據實驗數據,W.E.G ilbert 得到了呈“S ”形的壓力梯度修正系數曲線,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 為產氣量,m 3/s 。顯然,要計算泵吸入口壓力,上式中的壓力應取從動液面到泵吸入口的平均壓力,產氣量應取套管的產氣量,過流斷面的面積為環(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 次迭代計算的p i 值。213泵特性測試電潛泵的工作特性是用泵特性曲線來表述的。但是,標準的泵特性曲線是

22、用清水做出的,而井下電潛泵的工作介質是由油、氣、水組成的多相流體。毫無疑問,粘度對排量、揚程、泵效等都將產生影響。因此,電潛泵的實際工作特性須在標準的泵特性曲線上根據多相流體的粘度進行修正。根據上述的壓力分布等關系式,如果已知井口油壓,則可以從井口向下計算出泵排出口壓力;然后基于修正后的泵特性曲線,求得泵吸入口壓力;再從泵吸入口向下計算,進而得到井底流壓。如果已知井底流壓,則可以從下向上計算,最后得到井口油壓。如果井口油壓和井底流壓都是已知的,則可以通過計算出的泵吸入口壓力和泵排出口壓力,對電潛泵的實際工作特性進行分析?？傊?通過泵特性曲線也可以得到各參數沿井筒的分布規(guī)律。3應用實例基于上述理

23、論,研制開發(fā)了油井測試資料處理系統(tǒng),并在現場進行了50余井次的實驗和應用,收到了良好的效果。現以某油田的一口定向井B13井為例進行計算,其基礎數據見表1。經環(huán)空測試,生產套壓為0130MPa ,動液面深度為420100m ,計算結果如圖2圖6所示。而該井的毛 細管測壓值為7196MPa ,可見兩者是基本吻合的。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:電潛泵井生產動態(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井的基礎數據T able 1B asic d ata of Well B 13井筒參數油層深度/m1627143泵吸入口深度/m 1329163泵排出口深度/m 1306125套管內徑/mm 157110油管外徑/mm 88190油管內徑/mm 76100毛細管下深/m1336191物性參數原油相對密度019576天然氣相對密度016300脫氣原油粘度/(mPa s 437190原油飽和壓力/MPa 13100飽和體積系數/(m 3/m 3110470含氣狀況濕氣生產參數產液量/(m 3/d 354100產水量/(m 3/