深井泵与气举组合举升管柱的设计

深井泵与气举组合举升管柱的设计

举升工艺单一随着塔里木等深部气田的开发，地层能量在中后期逐渐降低，标准高度超过5000m的生产技术逐渐成为现实。在现有单项人工举升工艺中,只有水力活塞泵、有杆泵、气举的下泵深度接近或超过了5000m。常见深抽工艺的下泵深度与排量见表1所示。随着油井举升高度的增加,单一的举升方式往往表现出一定的局限性和低效性。如有杆泵工况变差、事故增多、免修期缩短;水力泵和气举需要的地面增压设备压力等级升高,设备投资增大。目前在单项深抽工艺没有取得革命性突破的条件下,组合接替工艺用于深抽成为必然选择。1提升工艺组合的可能性和组合原则1.1电潜泵+有杆泵、喷射泵+有杆泵从举升工艺原理与工艺管柱结构看,可能构成组合接替举升的工艺和组合方式有:水力泵(包括水力活塞泵和水力喷射泵)(下)+有杆泵(上)、电潜泵(下)+有杆泵(上)、水力泵(下)+电潜泵(上)、电潜泵(下)+气举(上)、有杆泵(下)+气举(上)、水力泵(下)+气举(上)等。国内已经开展过电潜泵+有杆泵、喷射泵+有杆泵的相应试验;国外也进行过有杆泵+气举、电潜泵+气举的试验,目的在于通过气举来提高有杆泵或电潜泵的产量,以适应油藏条件的变化。1.2工艺特点的选取为了发挥组合工艺的优势、提高其效率,选择组合工艺时建议遵循以下原则:(1)组合接力举升时两单项工艺的排量差异尽量小;(2)组合工艺管串结构尽量简便以提高其可靠性;(3)上部接力工艺的排量可调节性能好,能适应下部工艺的排量变化;(4)组合工艺的免修期应不低于其单项举升工艺;(5)组合后有利于增加下泵深度或排量;(6)组合后具有良好的经济效益。2组合预防的问题上述方案中,水力活塞泵自身能够满足深抽需要,故没有与有杆泵组合的必要。水力喷射泵自身下泵深度有限,其动力液和地层产液的总流量与有杆泵的排量差异较大,且有杆泵的排液不连续,使得这两种工艺的组合效果不佳,不宜采用;虽验证了水里喷射泵和有杆泵组合的技术可行性,但其组合后的下泵深度较浅、产量较低,组合工艺的优势并未得到体现。小排量电潜泵与有杆泵的排量差异小,但有杆泵的排液不连续,组合后的免修期或检泵周期可能大大降低,尽管在塔河油田的成功应用验证了二者组合的技术可行性,但投资高、风险大,推广价值不大。水力泵与电潜泵的组合排量可以匹配,但依然存在投资大、免修期降低的风险。有杆泵+气举、电潜泵+气举、水力泵+气举可以概况为深井泵+气举。由于气举的免修期较长、排量调节灵活,上部气举能较好地适应下部深井泵的排量变化,且组合后的管柱结构简单,工艺上很容易实现。其中,有杆泵排量较小且排液不连续,与气举的排量范围差异较大,对上部气举的稳定工作有一定的不利影响,不能很好地满足深井大排量采油的需要;电潜泵排量较大且排液连续,其排量范围与气举的排液范围适应性较好,且电潜泵、气举工艺基本不受井眼弯曲程度等的影响,其免修期基本由电潜泵决定,是较理想的组合方式;水力泵与气举的排量范围可较好匹配,但需要在地面气体增压系统基础上增加高压动力液系统,使得地面系统复杂、占地面积大、投资增加、经济效益较低。根据本文确立的举升工艺组合原则,电潜泵(ESP)+气举(GL)的组合方式优点突出、潜力较大,尤其适合大排量深抽。3esp-gl的替代措施和工艺管柱结构3.1低油管内注气点到小口压降机理ESP–GL组合接替生产系统通过在电潜泵出口以上一定位置作为气举注气点,将气体注入油管来接替电潜泵的举升。气体注入油管后,将大大降低油管内注气点到井口间的压降,在井口压力一定的条件下,最终必将降低电泵出口压力,其机理如图1所示。图1中,ABC′′是地层静压分布线,ABC′E为电泵单独举升时的压力分布线,D为注气点,DF为注气压力分布线,ABCDE为ESP–GL组合接替举升的压力分布线。气举后,电泵出口压力由C′降至C点,在电泵举升压头一定的情况下可进一步增加电潜泵的下入深度;而在下泵深度不变的条件下其排量必然增加。3.2气举时环空资气管柱结构根据组合生产管柱结构及气举气源情况,ESP-GL组合接替举升可分为4种方式,如图2所示。(1)安装封隔器、通过环空气举,如图2a所示。在此条件下环空注气气举对动液面、下部电潜泵等没有直接影响,但不利于地层产出流体中分离出的伴生气的排出,因此主要用于高含水井或气液比很低、不需要实施气液分离的井。(2)不安装封隔器、外来高压气通过环空气举,如图2b所示。该管柱结构有利于下部深井泵工作时的气液分离,因此适用于气液比较高的井,但由于气举时环空套压较单独电泵举升时显著升高,必然使得动液面被“下压”加深,影响下部电潜泵的工作。(3)不安装封隔器、通过自产伴生气气举,如图2c所示。该结构需要首先启动电潜泵生产,在关闭套管阀门条件下,环空积聚的伴生气最终被引入油管中辅助电泵举升,其伴生气引入油管后的生产规律与图2b基本相同。该管柱结构一般用于气液比较高、伴生气量大的井,其特点是气举气源来自本井伴生气,因此可称为自力式气举。同图2b一样,由于套压升高、环空液面加深,下部电潜泵的工作将受到影响。(4)不安装封隔器、外来高压气通过单独的气举管线实施气举,如图2d所示。利用专门研制的可与注气管线直接相连的气举阀,通过环空注气管线实施气举,避免了从环空直接气举对动液面深度的影响。其中,注气管线与电缆可通过专用卡箍固定在油管上。以上4种ESP–GL生产管柱结构中,a、d两种结构气举时对环空液面没有直接影响;b、c两种结构气举时将使液面加深,组合工艺中的电泵下泵深度必须比单独电泵时的下泵深度更大;c的气举气源来自本井,因此,电潜泵首先必须满足能独立工作,不适宜用于大排量深抽,但可充分利用本井伴生气的举升功能;d兼有a的特点,气举对环空液面没有影响,同时还能有效解决含CO2等酸性气体气举时对上部套管的腐蚀问题,具有良好的应用前景。4esp-gl的设计方法根据ESP–GL可能的组合工艺管柱结构型式,ESP–GL的组合设计可以分为两类。4.1气举组合及接力举升方法在图2a、图2d的管柱结构条件下,气举对环空液面没有直接影响,可按照以下设计方法与步骤进行:(1)根据油层测试参数计算、绘制IPR曲线,并确定油井产量Q及对应的井底流压pwf。(2)计算并绘制进泵气液比与压力的关系曲线,取气液比为20%∼25%时的压力为泵吸入口压力ps。(3)以产层中部深度处的深度H、压力pwf为起点,向井口方向计算产量Q及地层气液比条件下套管内的压力分布(如图1中的ABC′′),沉没压力ps对应的深度即为电潜泵下泵深度。(4)根据Q、套管直径等选择电潜泵、电机、电缆等。当下泵深度或举升高度不大、按常规电潜泵设计时,应根据Q、井口流压pt、油管尺寸等参数,从井口开始按单相或多相管流方法计算得到泵挂深度处的压力即电泵排出压力pd,然后根据电泵吸、排出压力差确定电潜泵级数,进而选择电机、电缆等。当深井中动液面很深、下泵深度很大、超过电潜泵允许的举升高度时,按常规方法无法选择得到合适的电泵型号,此时应采用气举组合、接力举升。在此情况下,可根据排量Q、套管直径、地层温度等约束因素首先选择常规电泵型号、级数。(5)根据所选型号的电泵扬程–排量曲线,可得出其排出口压力pd。(6)根据Q、pd计算油管内的压力分布(如图1中的CD)。(7)根据井口注气压力计算环空或注气管柱内的压力分布(如图1中的FD)。(8)CD与FD的交点为气举接力举升时的注气点深度。(9)利用常规气举设计方法完成气举参数设计。由以上组合设计可以看出,在气举对环空液面没有影响的条件下,ESP–GL的设计较简单,可以直接借用常规ESP–GL的设计方法。4.2环空压力较低以图2c的自力式气举为例,由于油管内的液压梯度高于环空或注气管线内的气压梯度,要使环空内的伴生气进入油管辅助气举,必须提高环空压力即井口套压,以保证在注气点深度处环空压力高于油管压力。而要提高环空压力,必然带来环空液面的降低,常规电潜泵设计时确定的泵挂深度不能满足。因此,需要重新设计电泵泵挂深度、井口套压、注气点深度、气举阀型号及参数等。4.2.1电潜泵泵挂深度的确定随着井口套压上升,环空液面逐渐下降,极限情况是,环空液面降至泵吸入口处时,井口套压达到最高,若忽略气柱压力的影响,有在井底压力一定的条件下,井口套压直接决定了动液面的位置:井口套压越高,注气点越深,有利于提高气举的组合举升效率,但环空动液面变深,在保证电潜泵合理沉没度条件下的泵挂深度必然增加,电缆及电泵系统能耗则有所增加。根据高气液比井设计与生产经验,沉没深度hs一般在300∼500m以上以便于环空气液的分离,在一定井口套压pc对应的环空动液面Lf条件下,气举组合举升时的电潜泵泵挂深度Lp为式中,Lf—动液面深度,m;hs—沉没深度,m。4.2.2泵hp无论是外来气源还是本井伴生气,其井口套压的高低决定了动液面深度及注气点深度。在确定了泵挂深度后,可根据井底流压、利用多相管流理论计算得到泵吸入口压力ps。于是,井口套压表示为式中,ps—沉没压力,MPa;∆p1—泵吸入口到动液面间平均压力梯度,MPa/m;∆pg—井口到动液面间平均压力梯度,MPa/m;hs—沉没深度,m。4.2.3过阀压差p为保证气举的顺利进行,需要克服气举阀的过阀压差△p。在计算得出油管内压力分布pt(x)与环空内的压力分布pc(x)后,满足下式的对应深度x即为实际注气深度点。4.2.4自力式ac–gl系统优化设计流程气举阀技术参数的确定可借用连续气举设计方法。与常规气举设计不同的是,当利用本井伴生气组合气举时,其注气量基本确定,为经井下气液分离器分离后进入环空的伴生气量。根据以上分析,可得到自力式ESP–GL系统优化设计流程图,如图3。根据图3的组合优化设计流程,可计算得到设定沉没度条件下不同电潜泵泵挂深度对应的ESP–GL系统的泵吸入口与排出口压力、井口套压、注气点深度、气举阀技术参数等。5实例分析5.1注气点注压方面取直径为287英寸的油管,产液量100m3/d,原油相对密度0.85,含水率50%,天然气相对密度0.65。电泵举升能力按有效扬程4000m(泵出口压力约30.0MPa)考虑。气举组合接力举升时取注气点深度4000m,注气量5×104m3/d,按两相垂直管流理论计算得注气点处压力为10.8MPa,即气举接力后相当于电潜泵出口压力下降了19.2MPa左右。图2d的结构方案,若不考虑井筒温度等对下泵深度的限制,在电潜泵额定扬程不变的条件下,气举组合接力举升后使泵出口压力下降的19.2MPa将可使下部电泵再下深2000m以上,即电泵–气举组合接替举升后,电泵的下泵深度可达6000m以上。5.2电潜泵–gl组合举升方案V3井油层中深3600m,油层压力25.4MPa,井口流压3.0MPa,其生产气油比290m3/m3,含水60%,井底流压15.2MPa时产液量达450m3/d左右。常规电潜泵优化设计结果见表2。利用自力式ESP–GL设计方法和图3的设计流程,可得电潜泵–气举组合采油设计结果见表3。由表3可知,不同泵挂深度将有不同的设计结果,最终方案的选取根据实际生产井的限制条件决定。根据V3井的实际生产情况,最终选择泵挂深度为2500m的ESP–GL组合举升方案,对应的电潜泵设计结果见表4。由表2与表4的对比结果可以看出,采用自力式ESP–GL组合举升后,虽然工艺较单独的电泵举升其泵挂深度有所增加,但电潜泵排出口与吸入口压差变化不大,因此,除电缆增长、电缆能耗略有增加外,井下电泵机组可保持不变,组合生产系统较单独的ESP的排出口压力降低了17.5%。该井的对比生产表明,自力式ESP–GL生产系统较单独的ESP增产84m3/d,产量提高了23.5%。6