同心雙管水力噴射攜砂采油工藝診斷與優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計及在孔店油田的應(yīng)用

陳 銳

(中國石油大港油田公司采油工藝研究院，天津大港 300280)

同心雙管水力噴射攜砂采油工藝診斷與優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計及在孔店油田的應(yīng)用

陳 銳

(中國石油大港油田公司采油工藝研究院，天津大港 300280)

為提高出砂油井同心雙管水力噴射攜砂采油工藝方案設(shè)計的合理性，有效防止出砂油井砂粒沉積，提高油井開發(fā)效率，對同心雙管水力噴射攜砂采油工藝診斷與優(yōu)化系統(tǒng)進行了探討，通過對出砂油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝設(shè)計參數(shù)進行處理分析，對油井生產(chǎn)工況進行診斷分析和優(yōu)化設(shè)計。主要介紹了該工藝診斷與優(yōu)化系統(tǒng)的工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)，并對其在孔店油田的應(yīng)用進行了介紹。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)以實現(xiàn)工況診斷分析和工藝參數(shù)優(yōu)化的目的。

同心雙管水力噴射；攜砂采油；工況診斷；優(yōu)化設(shè)計；孔店油田

由于疏松砂巖油藏出砂嚴重，水平井、大斜度井及小井眼側(cè)鉆井的防砂效果不穩(wěn)定，致使油井砂卡、砂埋頻繁發(fā)生，開發(fā)效率受到嚴重影響。高蘭[1-3]等研究的水力噴射泵排砂采油技術(shù)能在一定程度上緩解油井出砂問題，但該技術(shù)僅采用單管生產(chǎn)，在井筒液流上升速度和攜砂能力提高幅度方面具有一定的局限性，無法滿足大直徑砂粒和含砂量高的出砂油井的正常生產(chǎn)。

同心雙管水力噴射攜砂采油工藝優(yōu)化與診斷系統(tǒng)以出砂油井實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為分析依據(jù)，針對同心雙管管柱結(jié)構(gòu)，優(yōu)選合適的油井出砂量預測模型，建立砂粒自由沉降速度分析模型，同時結(jié)合井筒多相流理論，對生產(chǎn)工況進行診斷分析，并根據(jù)診斷結(jié)果優(yōu)化設(shè)計生產(chǎn)參數(shù)，能夠滿足攜砂采油的生產(chǎn)需要。

1 工藝流程及參數(shù)分析

依據(jù)油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝設(shè)計數(shù)據(jù)，結(jié)合優(yōu)選的油井出砂量預測模型、砂粒自由沉降速度計算模型及井筒多相流計算模型，對油井攜砂能力、水力泵噴喉比、泵效等工況指標進行診斷分析；并依據(jù)油井診斷結(jié)果對管柱結(jié)構(gòu)、噴喉比、泵掛深度、地面動力系統(tǒng)等工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計(圖1)。

1.1 油井出砂量預測分析[4-5]

通過對比Papamichos E及羅艷艷等建立的油井出砂量與生產(chǎn)時間關(guān)系模型，結(jié)合孔店油田油井出砂量擬合情況，優(yōu)選Papamichos E建立的出砂量預測公式作為該系統(tǒng)出砂量預測模型。

初始出砂量預測公式為：

(1)

穩(wěn)定期出砂量預測公式為：

(2)

1.2 砂粒自由沉降速度分析

通過篩析實驗，對出砂油井砂粒粒徑進行統(tǒng)計分析，建立了等價水動力粒徑與篩析粒徑、砂粒自由沉降速度關(guān)系式，確定了砂粒自由沉降速度計算公式，為同心雙管水力噴射攜砂采油工藝參數(shù)的診斷分析和優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，保證井筒液體上升速度大于砂粒自由沉降速度，以順利將砂粒攜至地面。

1.2.1 等價水動力粒徑分析

通過可視化恒溫沉降實驗裝置，對不同粒徑砂粒沉降速度進行測量，從而求解等價水動力粒徑。在恒定室溫(25 ℃)下，將不同篩析粒徑的砂粒置于垂直管道液面以下，使其在管道中心自由沉降，分析砂粒的沉降速度；然后由砂粒在牛頓流體中沉降時的等價水動力粒徑計算公式求解砂粒等價水動力粒徑。

圖1 工藝設(shè)計流程

de=0.7926d篩+0.0952

(3)

式中：d篩——砂粒篩析粒徑，mm。

1.2.2 砂粒自由沉降速度的確定[6-8]

砂粒開始下沉時，固體顆粒的運動速度較小，其沉降的動力大于阻力，固體顆粒以加速度下沉，隨固體顆粒下降速度增加，所受的阻力也不斷加大。經(jīng)過一定距離后，阻力與動力相平衡，此后固體顆粒以勻速向下沉降。根據(jù)固體顆粒在牛頓流體中的自由沉降規(guī)律及砂粒在紊流區(qū)沉降過程中顆粒阻力系數(shù)與雷諾數(shù)相關(guān)圖版，得出等價水動力粒徑與砂粒自由沉降速度關(guān)系：

(4)

其中：

式中：de——砂粒的等價水動力粒徑，mm；ds——砂粒粒徑，mm；ρs——砂粒密度，g/cm3；ρl——流體密度，g/cm3；v——砂粒自由沉降速度，m/s；Cd——拖拽力系數(shù)。

1.3 工況診斷分析

工況診斷分析是對同心雙管水力噴射攜砂采油工藝生產(chǎn)工況進行分析。通過油井水力噴射泵特性曲線，計算出井筒流體攜砂能力及泵效、無因次質(zhì)量流量比、無因次壓力比等工況指標，判斷油井工況的合理性及工況調(diào)整的必要性[9-10]。

工況診斷的主要方法是通過分析水力噴射泵特性曲線，結(jié)合油井下泵深度確定動力液排量，再采用多相垂直管流的計算方法，由地面測試數(shù)據(jù)(動力液和混合液的壓力、流量、溫度等)得到井下動力液泵入口處和混合液泵出口處的流量、壓力和溫度，從而分析診斷出同心雙管水力噴射攜砂采油技術(shù)工況所需要的井筒臨界攜砂速度及噴喉比、無量綱質(zhì)量流量比、無量綱壓力比、泵效等工況參數(shù)。

1.4 生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)油井工況診斷分析結(jié)果，結(jié)合地層產(chǎn)液量和不同粒徑砂粒自由沉降速度，對管柱結(jié)構(gòu)、噴嘴與喉管直徑組合、泵掛深度、地面動力系統(tǒng)等工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計[11-12]。

生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的主要方法是根據(jù)地層產(chǎn)液量、泵掛深度、動力液參數(shù)(壓力、溫度、密度)、井口回壓以及攜砂界限參數(shù)(粒徑中值、最大砂粒粒徑、泵下最小流速、環(huán)空最小流速)，選擇多種噴嘴、喉管直徑及內(nèi)外管柱直徑組合，計算分析多種組合條件下對應(yīng)的最大產(chǎn)液量和泵效；然后在保證井筒不同粒徑砂粒被順利攜帶至地面和滿足油井產(chǎn)液量的條件下，優(yōu)選出最大泵效時的工藝參數(shù)組合作為油井生產(chǎn)參數(shù)。

2 應(yīng)用實例

利用該系統(tǒng)對孔店油田孔59-17等10余口油井的生產(chǎn)工況進行了診斷分析和優(yōu)化設(shè)計。通過油井工況診斷分析，掌握油井的當前工作狀況，并對產(chǎn)量或泵效有提高潛力的油井進行了優(yōu)化設(shè)計。現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)能夠很好地進行工況診斷及生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化分析，可滿足同心雙管水力噴射攜砂采油工藝方案設(shè)計的需求。

孔59-17井產(chǎn)能較低，采用內(nèi)外管76 mm/89 mm油管生產(chǎn)，噴嘴喉管面積比為0.434，動力液量為65 m3/d。工況診斷分析發(fā)現(xiàn)，由于油井所采用的同心雙管管柱組合直徑大，動力液排量較高，導致噴射泵無因次質(zhì)量流量比偏小(0.33)，油井特性曲線泵效偏低(20.54%)。

為提高泵效，基于油井產(chǎn)液量，利用該系統(tǒng)對給出的三種方案進行了優(yōu)化設(shè)計分析(表1)。

(1)降低動力液量，采用與目前相同的內(nèi)外管直徑和噴喉比射流泵；

表1 優(yōu)化設(shè)計分析結(jié)果

(2)降低動力液量，采用相同噴喉比的射流泵，換用較小的內(nèi)外管柱組合62 mm/73 mm油管；

(3)降低動力液量，換用較小內(nèi)外管柱62 mm/73 mm油管，同時采用噴喉比更小的射流泵。

根據(jù)工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，優(yōu)選內(nèi)外管柱62 mm/73 mm油管，噴嘴、喉管直徑2.06 mm/3.9 mm的射流泵作為該井的優(yōu)化設(shè)計生產(chǎn)參數(shù)。

3 結(jié)論

(1)同心雙管水力噴射攜砂采油工藝診斷與優(yōu)化系統(tǒng)集工況診斷與優(yōu)化為一體，能實現(xiàn)對水力噴射泵油井生產(chǎn)工況進行診斷和優(yōu)化，滿足油井生產(chǎn)需要。

(2)同心雙管水力噴射攜砂采油工藝生產(chǎn)參數(shù)設(shè)計不合理，將導致水力噴射泵實際工況與最佳效率點存在偏差，影響油井泵效。

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編輯：張 凡

1673-8217(2017)01-0124-03

2016-10-08

陳銳，碩士，工程師，1987年生，2013年畢業(yè)于西南石油大學油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事機械采油新工藝技術(shù)研究工作。

中國石油大港油田基金項目“油井舉升配套工藝技術(shù)研究與應(yīng)用”(20160308)。

TE355.9

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