正確評價排砂采油射流泵井百米噸液耗電及系統效率

冷仁春，劉振浩，冷　冰

1.中國石油長城鉆探公司地質研究院 （遼寧 盤錦 124010）

2.中國石化勝利油田隆迪石油技術（裝備）有限責任公司 （山東 濱州 256600）

3.中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院 （遼寧 盤錦 124010）

射流泵是含砂較高油井的最有效舉升方法[1-3]。傳統意義上認為，射流泵井百米噸液耗電較高、系統效率較低，因此，其應用受到了限制。多數應用表明，通過射流泵排砂后，不僅產量增加，而且往往動液面也會升高。其原因就是排砂后油井表皮系數可以變成一個絕對值較大的負值，從而導致油藏驅油能耗降低。傳統評價油井百米噸液耗電和系統效率的方法因沒有考慮排砂所引起的油藏能耗降低，不能正確反映排砂采油射流泵井的百米噸液耗電和系統效率。將考慮油藏驅油能耗降低因素在內的百米噸液耗電及系統效率分別稱作折算百米噸液耗電及折算系統效率。射流泵舉升一般可分為單管舉升和雙管舉升，同心雙管舉升應用效果比較好。

1　排砂采油射流泵井折算百米噸液耗電

同心雙管射流泵[4]的完井管柱如圖1所示。

圖1　同心雙管射流泵完井管柱示意圖

地面電機的輸入動力源為三相交流電，則百米噸液耗電為[5]：

式中：X為百米噸液耗電，kW·h/（100m·t）；U為供給地面電機的三相交流電源線電壓，V；I為供給地面電機的電流強度，A；cosΦ為功率因素，無因次；L1為動液面深度，m；q為油井產液量，m3/d；γ為井液平均重度，t/m3。

對于排砂采油，砂子的排出不僅可使表皮系數減小、動液面增高，產量增大。即排砂采油油藏能量利用效率因兩個因素而增加:①生產壓差的減小；②產量的升高。從而百米噸液油藏耗能降低值為:

式中：ΔX為排砂采油比不排砂采油百米噸液油藏耗能降低值，kW·h/（100m·t）；q1、q2分別為同一口井不排砂與排砂采油的產量，m3/d；ΔL為同一口井當不排砂與排砂采油產量分別為q1、q2時，后者比前者動液面升高值，m。

考慮到油藏能耗降低因素后的百米噸液耗電稱為折算百米噸液耗電。由式（1）和式（2），有:

式中：Xa為考慮油藏能耗降低因素時排砂采油射流泵的折算百米噸液耗電，kW·h/（100m·t）。

式（3）即為考慮油藏因素的折算百米噸液耗電?？梢?，排砂后，若考慮油藏能耗降低因素，則排砂采油射流泵百米噸液耗電會比傳統意義上的百米噸液耗電小一個可觀的數值（表1）。

由表1可見，在沒有考慮射流泵排砂而使得油藏驅油能耗降低時，射流泵百米噸液耗電略高于有桿抽油泵百米噸液耗電。

2　排砂采油射流泵井折算系統效率

2.1　油井系統效率

油井系統效率可以寫成[6]：

式中：η為不排砂井系統效率，%。

射流泵井能量消耗由地面電機、地面泵、地面管線、動力液油管、井下射流泵、動力液油管與外層油管環空混合物和地面回壓的能耗所組成：系統效率=地面電機效率×地面泵效×地面管線效率×動力液油管效率×井下射流泵效率×動力液油管與外層油管環空混合物流動效率×地面回壓造成的效率。

表1　百米噸液耗電統計表

2.2　排砂采油射流泵折算系統效率

常規意義上油井系統效率是不考慮采油過程中油藏能耗的變化，其與排砂采油的采液指數分別為：

式中：J1、J2分別為不排砂采油和排砂采油的采液指數，m3/(d·MPa)；ps為地層靜壓，Pa；pwf1、pwf2分別為不排砂采油和排砂采油的井底流壓，MPa。

排砂后，J2＞J1，即說明排砂后油藏驅動效率增高，其值為:

式中：Δη為排砂采油比不排砂采油油藏能量效率的增加值，%。

由式（8）可以看出，pwf2越大（即動液面升高的越大）及q2越大，油藏效率的增加越大?？梢哉f油藏效率的增加相當于給油藏額外注水保持油藏能量了。

考慮排砂采油油藏效率增加的油井系統效率稱為折算系統效率，即為式（4）和式（8）右邊的和：

式中：ηα為考慮油藏因素在內的排砂采油射流泵井的折算系統效率，%。

由達西方程[7]，有:

式中：q1、q2分別為不排砂與排砂采油時油井產液量，m3/d；ps、pwf1、pwf2分別為油層靜壓、不排砂采油井底流壓及排砂采油井底流壓，MPa；π為圓周率，無因次；k為油層滲透率，μm2；h為油層有效厚度，m；Re、rw為油井控制的油藏半徑和井半徑，m；μ為井液黏度，mPa·s；S1、S2分別為不排砂與排砂采油時表皮系數，無因次；α為單位換算系數，86.4。

式（10）與（11）相除后，有：

由式（13）可以看出，排砂后系統效率由兩部分組成：一個是傳統意義上的系統效率；另一個是油藏能耗降低而引起的油井系統效率的提高。而后者全取決于排砂后油井表皮系數的降低大小。實際上，排砂后，S2≤S1。一般地，S2＜0 。S1和S2可以通過壓力恢復試井或生產測井而獲得。

將式（1）代入式（13），有：

式（14）說明了排砂采油系統效率與百米噸液耗電之間具有減函數關系。

對式（14），若Xa=7.97 kW·h/(100 m·t)、Re=60 m、rw=0.106 m，則折算系統效率與排砂前后表皮系數的關系可以做出曲線，如圖2所示。

圖2　折算系統效率與排砂前后表皮系數的關系曲線

（X2=7.97 kW·h/(100 m·t)、Re=60 m、rw=0.106 m）

由圖2可以看出：①排砂前油井表皮系數S2越大，折算系統效率ηα越大；②排砂后油井表皮系數絕對值越大，折算系統效率ηα越大；③∣S2∣較大時，表皮系數對ηα敏感性較大。所以，對于排砂采油，排砂前污染越嚴重，排砂后表皮系數絕對值越大，折算系統效率越高。

3　計算實例

中國石化勝利油田分公司和中國石油大港油田分公司應用同心雙管射流泵排砂采油276口井（截至2015年底），經統計，折算百米噸液耗電一般不高于不排砂有桿泵的百米噸液耗電，折算系統效率不低于不排砂有桿泵的系統效率。其中鄭408-8井先后下有桿泵和射流泵生產。為了評價不排砂采油的百米噸液耗電及系統效率，測取了該井的產量、動液面及表皮系數等數據并計算了排砂射流泵的百米噸液耗電及系統效率，見表2。

表2　不排砂有桿泵及排砂射流泵的部分生產數據和排砂射流泵的百米噸液耗電及系統效率

由表2可見，排砂射流泵的百米噸液耗電及系統效率都是比較理想的值。射流泵在出砂等特殊井層的有效應用，加上其較低的折算百米噸液耗電及較高的折算系統效率，應該在適應井層得到廣泛應用。

4　結論

1）只有用折算百米噸液耗電和折算系統效率才能正確評價排砂采油射流泵井的百米噸液耗電和系統效率。

2）射流泵排砂采油因大大降低了表皮系數而增加了油藏能量利用效率，從而，排砂采油射流泵井折算百米噸液耗電減小了一個可觀的數值，折算系統效率增加了一個可觀的數值。

3）對于排砂采油，排砂前污染越嚴重以及排砂后表皮系數負值越大，折算系統效率越高。

參考文獻：

[1]王德偉.水力噴射泵負壓沖砂技術在錦州油田的應用[J].石油礦場機械,2009,38(2):89-91.

[2]白 鵬,牛永亮,王炎明,等.孤島油田水力噴射泵在開采零散稠油井區的應用[J].石油鉆采工藝,2002,24(6):57-59.

[3]高 蘭.水力噴射泵強制排砂采油技術[J].石油鉆采工藝,2004,26(增):36-38.

[4]欒新星.雙管同心管柱水力射流工藝在塔河油田應用的可行性分析[J].中國石油和化工標準與質量,2017,37(1):116-117.

[5]李 鑫,耿玉廣,楊小平,等.以噸液百米舉升耗電量為目標的大數據分析應用[J].石油鉆采工藝，2015,37(4):76-79.

[6]Gabor Takacs.Electrical Submersible Pumps Manual-Design,Operations ans Maintenance[M].Gulf Professional Publishing,2009:291-293.

[7]王鴻勛,張 琪.采油工藝原理[M].北京:石油工業出版社,1989.