分層開采氣井動態優化配產方法

姜 杰，熊 鈺，王建君，夏亞文，朱 琴

(1.中海油服股份有限公司，天津 300450;2.西南石油大學，四川 成都 610500; 3.中油浙江油田公司，浙江 杭州 310023;4.中油冀東油田分公司，河北 唐山 063004; 5.中油西南油氣田分公司，四川 成都 610500)

分層開采氣井動態優化配產方法

姜 杰1，熊 鈺2，王建君3，夏亞文4，朱 琴5

(1.中海油服股份有限公司，天津 300450;2.西南石油大學，四川 成都 610500; 3.中油浙江油田公司，浙江 杭州 310023;4.中油冀東油田分公司，河北 唐山 063004; 5.中油西南油氣田分公司，四川 成都 610500)

針對分層開采井生產特點，建立考慮層間干擾的分層優化配產模型。該模型的特點為:將天然氣從地層到井底的流動看作多壓力系統(相當于多井生產)，從井底到井口的流動認為是單壓力系統(相當于單井生產)，通過優化井下氣嘴和考慮合理產量影響因素配產使各分采層段的產能達到最大。對該模型求解并編制軟件，利用該軟件可確定分層開采氣井的合理產量，優化相關工藝參數，從而使分層開采時各層達到最優的產能貢獻。

分層開采;氣井;優化配產;方法;層間干擾

引言

針對單層的產量不能充分發揮的問題，通過分層采氣工藝來降低層間差異［1］，以減小干擾。傳統單井合理產量最優化數學模型［2］是多層合采井的優化配產，最重要的假設條件是單井的生產系統為一個壓力系統，無法反映層間干擾對氣井產能的影響。針對分層開采井的生產特點，建立分層開采氣優化配產模型，通過優化井下氣嘴來達到不同分采層段產量的最大貢獻，使整個長井段井的總配產達到最優，從而為長井段分層采氣井的合理配產提供指導和理論依據。

1 分層優化配產模型的建立

根據分層采氣工藝的特點和分層配產模型的建模思想，可將每個分采層段看作是一個單層，流動過程為氣層到配產器到油管到井口的優化過程(圖1)。各過程壓降表示如下:

分采層段n處地層到儲層中部壓降Δpdn:

井下氣嘴n處壓降Δpen:

井筒內壓降Δp'n:

圖1 分采井生產系統各部分壓降分析

氣嘴n－1和氣嘴n間井筒流體壓降

式中:prdn、pwfn、pwfdn分別為分層產段n處的地層壓力、井底壓力、儲層中部壓力，MPa;pe2n、ptf分別為井下氣嘴n處的出口處壓力、地面井口壓力，MPa，pwf(n－1)為分層產段n－1處的井筒壓力，MPa。

分層開采工藝參數的優化主要包括分采層段優化、分層優化配產和對應分層配產最優工藝參數3個方面，分別由3個子模型表示，構成分層采氣優化配產綜合模型。其中，分采層段優化可根據各層產能、壓力及物性關系來確定分采界限，如式(5);分層優化配產是在分采層段確定后，根據分采井生產系統各段壓降分析和氣流約束條件建立分層采氣優化配產模型，該模型的優化目標為:保證氣體順利流動的情況下單井產氣量最大，同時要考慮產量約束條件，如臨界攜液流量［3－4］、臨界出砂流量［5］、穩產時間、計劃產量以及氣嘴間合理壓力降［6］等，從防止出水、出砂、穩產角度分析，前3個約束條件占主要影響因素，如式(6);對應分層配產最優工藝參數主要包括井下氣嘴大小和分層生產壓差，其中前者是在分層最優產量確定的基礎上，根據分采層段處流入流出壓力差、氣體嘴流等熵原理和氣嘴間合理壓力降確定，后者可由分層最優產量和分層產能方程確定，如式(7)。

模型為:

因此，根據以上分析可建立分層采氣優化配產綜合模型，模型和模型目標函數如下:

式中:pe1n為第n個氣嘴的入口壓力，MPa;QnAOF為第n層段理論產能，104m3/d;qnAOF為第n層段實際產能，104m3/d;Qscn為第n層段合理產量，104m3/d;qgen為第n層段臨界出砂流量，104m3/d;qcn為第n層段臨界攜液流量，104m3/d;qh為第n層段單井計劃產量，104m3/d;den為第n層段氣嘴直徑，mm; Δpi為第n層段生產壓差，MPa;T1n為第n個氣嘴處的氣體溫度，K;Z1n為第n個氣嘴處的偏差系數;K為滲透率，10－3μm2;h為有效厚度，m;p上為上層的壓力系數;p下為下層的壓力系數;an、bn為產能公式系數。

2 模型的求解

分層優化配產模型是1個復雜的非線性動態優化模型。這種模型從本質上說是由構成的一系列函數及約束對產量進行尋優。針對這種模型，通常采用迭代法求最優解［7－8］，求解步驟如下。

(1)輸入氣藏的基礎數據(氣藏壓力、氣藏溫度、天然氣組成等)、氣井的測試數據(產能二項式中的a、b系數值)和井口壓力ptf。

(3)給分層段優化配產氣量Qsci賦于初值，取值范圍為［0，qAOFi］。優值的搜索可采取常用的一些優化方法，比如“黃金分割法”［9］等。

(5)利用上面各種情況下的數學模型，即氣井分層優化配產數學模型，計算出的數值。

(6)將和給定的ptf值進行比較，如果＞0，則轉向下一步驟;如果不滿足精度，則轉向步驟(3)，搜索下一個產氣量繼續迭代計算。

(7)利用上述數學模型計算出分層最大產量，再結合井口壓力、分層產能方程以及氣嘴間的出口壓降約束條件pe21－pe22=Δp11，求出分層最大產量下的最優氣嘴大小及分層合理生產壓差。

3 實例計算

在以上分析方法的基礎上，應用VB語言［10］編制的分層優化配產軟件對柴達木盆地某口長井段氣井(X－1)進行分層配產，計算相關工藝參數，分析實施分采后的開發效果(表1)。該井于2009年進行2層分采，分采前實際產量為4×104m3/d，利用分采設計進行配產，分采后實際產量達到7.2 ×104m3/d，提高80%，與設計預測的結果接近，效果較好。

表1 X－1井分層優化配產設計及施工后實際生產效果

4 結論

(1)長井段氣井多層合采易產生層間干擾，使各層產量不能充分的發揮，通過分層采氣工藝可降低層間差異，減小層間干擾。

(2)建立分層優化配產模型，真實反映了分采井從地層到井筒到地面的流動特征，同時考慮層間干擾影響因素及各約束條件，進行相應求解。

(3)建立的分層優化配產方法通過現場實際資料驗證，效果較好，利用該方法可以確定分采井的單井最優總產量及對應最優工藝參數，達到充分發揮分層供氣能力。

(4)在建立的模型和求解方法基礎上，編制了氣井分層優化配產軟件。該方法和軟件能較好地優化分層合理產量，適用于長井段多層分采氣井的初期配產和階段優化配產。

［1］劉文東，等.雙管分層采氣工藝技術的可行性分析［J］.石油礦場機械，2004，33(S1):114－117.

［2］鐘兵，等.砂巖多層氣藏多層合采合理配產方法研究［J］.天然氣工業，2005，25(增刊A):104－106.

［3］李閩，郭平，譚光天.氣井攜液新觀點［J］.石油勘探與開發，2001，28(5):105－106.

［4］楊帆.氣井多相垂直管流段壓力損失敏感性分析［J］.特種油氣藏，2008，15(5):63－65.

［5］鄧紹強，胡明，肖莉，等.出砂氣井攜砂產能研究［J］.特種油氣藏，2008，15(3):87－89.

［6］范新文，等.澀北氣田氣井合理配產的綜合技術對策［J］.天然氣工業，2009，29(7):61－63.

［7］楊繼盛，劉建儀.采氣實用計算［M］.北京:石油工業出版社，1994:114－116.

［8］唐海，黃炳光，劉志斌，等.氣井(藏)動態優化配產方法研究［J］.天然氣工業，1998，18(3):57－60.

［9］黃炳光，劉蜀知，等.氣藏工程與動態分析方法［M］.北京:石油工業出版社，2004:78－90.

［10］萬耀青，梁庚榮，等.最優化計算方法常用程序匯編［M］.北京:工人出版社，1983:56－78.

Study on optimal production allocation for separate zone producing gas wells

JIANG Jie1，XIONG Yu2，WANG Jian－jun3，XIA Ya－wen4，ZHU Qin5
(1.China Oilfield Services Limited，Tianjin300450，China; 2.Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan610500，China; 3.Zhejiang Oilfield Company，PetroChina，Hangzhou，Zhejiang310023，China; 4.Jidong Oilfield Company，PetroChina，Tangshan，Hebei063004，China; 5.Southwest Oilfield Company，PetroChina，Chengdu，Sichuan610500，China)

An optimization model of separate production allocation is established with consideration of interlayer interference in accordance with the production characteristics of separate zone production wells.This model regards gas flow from reservoir to bottom hole as a multi－pressure system(equivalent to multi－well production)and from bottom hole to wellhead as a single pressure system(equivalent to single well production).It optimizes downhole gas nipple and allocates production amid different layers by taking account of influencing factors to achieve maximum production.The model is solved and its software is developed.This software can determine the reasonable production of a gas well producing from separate zones and optimize relative technical parameters，thus realizing optimal production contribution from each layer.

separate zone production;gas well;optimal production allocation;interlayer interference

TE328

A

1006－6535(2012)03－0067－03

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.016

20110801;改回日期:20120316

中石化股份有限公司項目“注氣開發有水氣藏基于分形理論氣水兩相滲流機理及應用研究”(07E1016)

姜杰(1986－)，男，助理工程師，2007年畢業于長江大學石油工程學院，2010年碩士畢業于西南石油大學油氣田開發專業，現從事油藏工程及稠油熱采數值模擬研究。

編輯姜 嶺