深井泵與氣舉組合舉升管柱的設(shè)計(jì)

深井泵與氣舉組合舉升管柱的設(shè)計(jì)

舉升工藝單一隨著塔里木等深部氣田的開(kāi)發(fā)，地層能量在中后期逐漸降低，標(biāo)準(zhǔn)高度超過(guò)5000m的生產(chǎn)技術(shù)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。在現(xiàn)有單項(xiàng)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(guò)了5000m。常見(jiàn)深抽工藝的下泵深度與排量見(jiàn)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(jí)升高,設(shè)備投資增大。目前在單項(xiàng)深抽工藝沒(méi)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(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展過(guò)電潛泵+有桿泵、噴射泵+有桿泵的相應(yīng)試驗(yàn);國(guó)外也進(jìn)行過(guò)有桿泵+氣舉、電潛泵+氣舉的試驗(yàn),目的在于通過(guò)氣舉來(lái)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(diǎn)的選取為了發(fā)揮組合工藝的優(yōu)勢(shì)、提高其效率,選擇組合工藝時(shí)建議遵循以下原則:(1)組合接力舉升時(shí)兩單項(xiàng)工藝的排量差異盡量小;(2)組合工藝管串結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)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(xiàng)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(jì)效益。2組合預(yù)防的問(wèn)題上述方案中,水力活塞泵自身能夠滿足深抽需要,故沒(méi)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(dòng)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(yàn)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(shì)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(yàn)證了二者組合的技術(shù)可行性,但投資高、風(fēng)險(xiǎn)大,推廣價(jià)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(xiǎn)。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(zhǎng)、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(jiǎn)單,工藝上很容易實(shí)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(duì)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(dòng)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)到小口壓降機(jī)理ESP–GL組合接替生產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)在電潛泵出口以上一定位置作為氣舉注氣點(diǎn),將氣體注入油管來(lái)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(diǎn)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(jī)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(dú)舉升時(shí)的壓力分布線,D為注氣點(diǎn),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(diǎn),在電泵舉升壓頭一定的情況下可進(jìn)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(shí)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(guò)環(huán)空氣舉,如圖2a所示。在此條件下環(huán)空注氣氣舉對(duì)動(dòng)液面、下部電潛泵等沒(méi)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(shí)施氣液分離的井。(2)不安裝封隔器、外來(lái)高壓氣通過(guò)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(shí)的氣液分離,因此適用于氣液比較高的井,但由于氣舉時(shí)環(huán)空套壓較單獨(dú)電泵舉升時(shí)顯著升高,必然使得動(dòng)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(guò)自產(chǎn)伴生氣氣舉,如圖2c所示。該結(jié)構(gòu)需要首先啟動(dòng)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(diǎn)是氣舉氣源來(lái)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(lái)高壓氣通過(guò)單獨(dú)的氣舉管線實(shí)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(guò)環(huán)空注氣管線實(shí)施氣舉,避免了從環(huán)空直接氣舉對(duì)動(dòng)液面深度的影響。其中,注氣管線與電纜可通過(guò)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(shí)對(duì)環(huán)空液面沒(méi)有直接影響;b、c兩種結(jié)構(gòu)氣舉時(shí)將使液面加深,組合工藝中的電泵下泵深度必須比單獨(dú)電泵時(shí)的下泵深度更大;c的氣舉氣源來(lái)自本井,因此,電潛泵首先必須滿足能獨(dú)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(diǎn),氣舉對(duì)環(huán)空液面沒(méi)有影響,同時(shí)還能有效解決含CO2等酸性氣體氣舉時(shí)對(duì)上部套管的腐蝕問(wèn)題,具有良好的應(yīng)用前景。4esp-gl的設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)環(huán)空液面沒(méi)有直接影響,可按照以下設(shè)計(jì)方法與步驟進(jìn)行:(1)根據(jù)油層測(cè)試參數(shù)計(jì)算、繪制IPR曲線,并確定油井產(chǎn)量Q及對(duì)應(yīng)的井底流壓pwf。(2)計(jì)算并繪制進(jìn)泵氣液比與壓力的關(guān)系曲線,取氣液比為20%～25%時(shí)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(diǎn),向井口方向計(jì)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(méi)壓力ps對(duì)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(jī)、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(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)Q、井口流壓pt、油管尺寸等參數(shù),從井口開(kāi)始按單相或多相管流方法計(jì)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(jí)數(shù),進(jìn)而選擇電機(jī)、電纜等。當(dāng)深井中動(dòng)液面很深、下泵深度很大、超過(guò)電潛泵允許的舉升高度時(shí),按常規(guī)方法無(wú)法選擇得到合適的電泵型號(hào),此時(shí)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(hào)、級(jí)數(shù)。(5)根據(jù)所選型號(hào)的電泵揚(yáng)程–排量曲線,可得出其排出口壓力pd。(6)根據(jù)Q、pd計(jì)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(jì)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(diǎn)為氣舉接力舉升時(shí)的注氣點(diǎn)深度。(9)利用常規(guī)氣舉設(shè)計(jì)方法完成氣舉參數(shù)設(shè)計(jì)。由以上組合設(shè)計(jì)可以看出,在氣舉對(duì)環(huán)空液面沒(méi)有影響的條件下,ESP–GL的設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單,可以直接借用常規(guī)ESP–GL的設(shè)計(jì)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(jìn)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(diǎn)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(lái)環(huán)空液面的降低,常規(guī)電潛泵設(shè)計(jì)時(shí)確定的泵掛深度不能滿足。因此,需要重新設(shè)計(jì)電泵泵掛深度、井口套壓、注氣點(diǎn)深度、氣舉閥型號(hào)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(shí),井口套壓達(dá)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(dòng)液面的位置:井口套壓越高,注氣點(diǎn)越深,有利于提高氣舉的組合舉升效率,但環(huán)空動(dòng)液面變深,在保證電潛泵合理沉沒(méi)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(jì)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),沉沒(méi)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(duì)應(yīng)的環(huán)空動(dòng)液面Lf條件下,氣舉組合舉升時(shí)的電潛泵泵掛深度Lp為式中,Lf—?jiǎng)右好嫔疃?m;hs—沉沒(méi)深度,m。4.2.2泵hp無(wú)論是外來(lái)氣源還是本井伴生氣,其井口套壓的高低決定了動(dòng)液面深度及注氣點(diǎn)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(jì)算得到泵吸入口壓力ps。于是,井口套壓表示為式中,ps—沉沒(méi)壓力,MPa;?p1—泵吸入口到動(dòng)液面間平均壓力梯度,MPa/m;?pg—井口到動(dòng)液面間平均壓力梯度,MPa/m;hs—沉沒(méi)深度,m。4.2.3過(guò)閥壓差p為保證氣舉的順利進(jìn)行,需要克服氣舉閥的過(guò)閥壓差△p。在計(jì)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(duì)應(yīng)深度x即為實(shí)際注氣深度點(diǎn)。4.2.4自力式ac–gl系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)方法。與常規(guī)氣舉設(shè)計(jì)不同的是,當(dāng)利用本井伴生氣組合氣舉時(shí),其注氣量基本確定,為經(jīng)井下氣液分離器分離后進(jìn)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(jì)流程圖,如圖3。根據(jù)圖3的組合優(yōu)化設(shè)計(jì)流程,可計(jì)算得到設(shè)定沉沒(méi)度條件下不同電潛泵泵掛深度對(duì)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(diǎn)深度、氣舉閥技術(shù)參數(shù)等。5實(shí)例分析5.1注氣點(diǎn)注壓方面取直徑為287英寸的油管,產(chǎn)液量100m3/d,原油相對(duì)密度0.85,含水率50%,天然氣相對(duì)密度0.65。電泵舉升能力按有效揚(yáng)程4000m(泵出口壓力約30.0MPa)考慮。氣舉組合接力舉升時(shí)取注氣點(diǎn)深度4000m,注氣量5×104m3/d,按兩相垂直管流理論計(jì)算得注氣點(diǎn)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(duì)下泵深度的限制,在電潛泵額定揚(yáng)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(dá)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(shí)產(chǎn)液量達(dá)450m3/d左右。常規(guī)電潛泵優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。利用自力式ESP–GL設(shè)計(jì)方法和圖3的設(shè)計(jì)流程,可得電潛泵–氣舉組合采油設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,不同泵掛深度將有不同的設(shè)計(jì)結(jié)果,最終方案的選取根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)井的限制條件決定。根據(jù)V3井的實(shí)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(duì)應(yīng)的電潛泵設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。由表2與表4的對(duì)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(dú)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(zhǎng)、電纜能耗略有增加外,井下電泵機(jī)組可保持不變,組合生產(chǎn)系統(tǒng)較單獨(dú)的ESP的排出口壓力降低了17.5%。該井的對(duì)比生產(chǎn)表明,自力式ESP–GL生產(chǎn)系統(tǒng)較單獨(dú)的ESP增產(chǎn)84m3/d,產(chǎn)量提高了23.5%。6