同心雙管水力噴射攜砂采油工藝診斷與優化系統設計及在孔店油田的應用

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化系統設計及在孔店油田的應用

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計的合理性，有效防止出砂油井砂粒沉積，提高油井開發效率，對同心雙管水力噴射攜砂采油工藝診斷與優化系統進行了探討，通過對出砂油井生產數據、工藝設計參數進行處理分析，對油井生產工況進行診斷分析和優化設計。主要介紹了該工藝診斷與優化系統的工藝流程和關鍵技術，并對其在孔店油田的應用進行了介紹。應用結果表明，該系統以實現工況診斷分析和工藝參數優化的目的。

同心雙管水力噴射；攜砂采油；工況診斷；優化設計；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鉆井的防砂效果不穩定，致使油井砂卡、砂埋頻繁發生，開發效率受到嚴重影響。高蘭[1-3]等研究的水力噴射泵排砂采油技術能在一定程度上緩解油井出砂問題，但該技術僅采用單管生產，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。

同心雙管水力噴射攜砂采油工藝優化與診斷系統以出砂油井實際生產數據為分析依據，針對同心雙管管柱結構，優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，同時結合井筒多相流理論，對生產工況進行診斷分析，并根據診斷結果優化設計生產參數，能夠滿足攜砂采油的生產需要。

1 工藝流程及參數分析

依據油井生產數據、工藝設計數據，結合優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；并依據油井診斷結果對管柱結構、噴喉比、泵掛深度、地面動力系統等工藝參數進行優化設計(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時間關系模型，結合孔店油田油井出砂量擬合情況，優選Papamichos E建立的出砂量預測公式作為該系統出砂量預測模型。

初始出砂量預測公式為：

(1)

穩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的診斷分析和優化設計提供理論依據，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。根據固體顆粒在牛頓流體中的自由沉降規律及砂粒在紊流區沉降過程中顆粒阻力系數與雷諾數相關圖版，得出等價水動力粒徑與砂粒自由沉降速度關系：

(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。

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，由地面測試數據(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工況所需要的井筒臨界攜砂速度及噴喉比、無量綱質量流量比、無量綱壓力比、泵效等工況參數。

1.4 生產參數優化設計

依據油井工況診斷分析結果，結合地層產液量和不同粒徑砂粒自由沉降速度，對管柱結構、噴嘴與喉管直徑組合、泵掛深度、地面動力系統等工藝參數進行優化設計[11-12]。

生產參數優化設計的主要方法是根據地層產液量、泵掛深度、動力液參數(壓力、溫度、密度)、井口回壓以及攜砂界限參數(粒徑中值、最大砂粒粒徑、泵下最小流速、環空最小流速)，選擇多種噴嘴、喉管直徑及內外管柱直徑組合，計算分析多種組合條件下對應的最大產液量和泵效；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液量的條件下，優選出最大泵效時的工藝參數組合作為油井生產參數。

2 應用實例

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

孔59-17井產能較低，采用內外管76 mm/89 mm油管生產，噴嘴喉管面積比為0.434，動力液量為65 m3/d。工況診斷分析發現，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，基于油井產液量，利用該系統對給出的三種方案進行了優化設計分析(表1)。

(1)降低動力液量，采用與目前相同的內外管直徑和噴喉比射流泵；

表1 優化設計分析結果

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

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

根據工藝參數優化設計結果，優選內外管柱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化設計生產參數。

3 結論

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

(2)同心雙管水力噴射攜砂采油工藝生產參數設計不合理，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年畢業于西南石油大學油氣井工程專業，現從事機械采油新工藝技術研究工作。

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

TE355.9

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