油氣井人工舉升生產分析優化決策系統軟件Well Lift

李靜嘉*，彭振華，闞唱軒，余丹，宋健，高照敏

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油氣井人工舉升生產分析優化決策系統軟件Well Lift

李靜嘉1*，彭振華2，闞唱軒3，余丹3，宋健1，高照敏1

（1.北京雅丹石油技術開發公司，北京昌平，102200；2.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院,新疆烏魯木齊，830011；3.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京昌平，102249）

針對油氣人工舉升井生產參數設計的要求和特點，本文通過對油層流入動態、井筒多相流動、舉升工藝的運動學及動力學特征以及相互之間的耦合作用關系研究，研發了Well Lift油氣井人工舉升生產分析優化決策系統。該軟件具備采油方式評價、產能預測、高壓物性計算、流動保障計算、單舉升及組合舉升生產參數設計、智能調參、經濟評價等功能。軟件采用模塊化設計，用戶可以根據實際需要進行配置，靈活多變，可擴展性強。既可用來進行單井生產工程分析設計，也可滿足開采工程方案編制的需要。

人工舉升；方式評價；優化設計； 決策系統；Well Lift

引言

隨著油田開發的不斷深入，油層能量的降低和含水的升高，絕大多數油井在經過短暫的自噴采油期后便轉入機械采油階段。經過多年的發展，多種人工舉升方式已經相對成熟，國內外現有的舉升方式有有桿泵、氣舉、電潛泵、螺桿泵、水力活塞泵和水力噴射泵等[1]。當前的機械采油發展水平而言，利用單一的人工舉升方式難以適應4000m以深的油井舉升的要求，組合舉升工藝技術是將兩種舉升方式組合起來接替舉升，與采用單一舉升方式相比，應用組合接替舉升方法可以大大增加舉升能力，發揮油井產能，增加油井產量[2] [3]。各種采油方式具有不同的特點和適應性，考慮油藏流體的性質復雜性，需要科學定量地人工舉升方式做出評價優選，對油氣井具體生產參數進行優化設計。因此，開展了對油層流入動態、井筒多相流動、舉升工藝的運動學及動力學特征以及相互之間的耦合作用關系進行研究，研發了油氣井人工舉升生產分析優化決策系統Well Lift，針對單舉升（抽油機、電潛泵、螺桿泵、射流泵、氣舉等）和組合舉升（氣舉-電泵、電泵-電泵、抽油機-射流泵等）工藝形成了舉升方式評價優選、流動保障預測、舉升設計、生產分析、智能調控等功能。

1 人工舉升井的流入動態與井筒舉升耦合模型

油氣井流入動態是確定油氣井合理工作方式的依據，產量不同，對應的井底流壓也不同；而井底流壓是井筒管流分析的起點，井筒管流分析中又同時存在壓力和溫度的相互耦合關系。與此同時，人工舉升方式的選取以及工作參數的確定勢必會影響到井筒管流的壓力和溫度分布，并對油氣井產量或者井底流壓產生影響[4]。因此，深入研究油氣井流入動態與舉升井筒管流的耦合模型是整個設計的基礎。

（1）舉升耦合模型

式中，wf為井底流壓，MPa；1為油井流入動態關系式；為產量m3/d；為壓力MPa；為斷面到參考水平面的高度，m；為流體密度，m3/kg；g為重力加速度，m/s2；為井筒傾斜角；為流體斷面流速，m/s；為流體流動時的摩擦阻力系數；為管徑，m；為井下泵提供的能量，J；2為井下泵做功與揚程、泵深及其他參數的函數關系；揚i(i=1,2)為泵揚程；泵深i為泵下入深度，m，i=1表示上泵，i=2為下泵；out為泵出口壓力，MPa；in為泵入口壓力，MPa；out為泵出口流速，m/s；in為泵入口流速，m/s；out為泵出口處高度，m；in為泵入口處高度，m。

1）油井流入動態

上述耦合模型中1表示的油井流入動態IPR計算方法眾多，包括單相流、油氣兩相、油氣水三相等各類計算模型[7]，具體的，應當根據設計研究的實際情況選擇合適的產能計算方法。

2）井筒舉升能量方程

對于井筒流動系統可根據能量守恒定律得出兩個流動斷面間的能量平衡關系：

將式（2）用壓力梯度的形式進行表達：

采用人工舉升生產的原因一般在于地層能量等現有條件無法滿足生產的需要，因此需要一種或多種舉升方式補充能量來保證油井正常生產，具體地體現為能量守恒方程中的，即壓力梯度中的·，是抽油泵工藝生產參數的函數：

上、下泵提供的能量體現為揚程的大小，根據伯努力方程可知：

式中，i(i=1,2)為流體內能，J；位能sin；i(i=1,2)為流動端面距離參考水平面的距離，m；壓縮、膨脹能（）i(i=1,2)，i=1表示下端面，i=2表示上斷面；為流體質量，kg；為流體體積m3；為熱量交換，J。

（2）耦合連接條件與約束條件

求解計算過程以節點壓力為連接點，在已知設計產液量的條件下，根據IPR關系曲線可以確定對應的井底流壓wf，該井底流壓即為多相管流計算的壓力起點。

泵處的壓力變化關系為：

井底流壓和井口油壓、抽油泵的極限耐溫、極限下泵深度、極限級數為求解計算的約束條件：

式中，(H=H井深)為井深處從壓力，MPa；(H=H井深)為井口處的壓力，MPa；wh為設計井口油壓，MPa；極限揚程為泵的最大舉升揚程，m；為泵所在位置處的溫度，℃；極限為泵的最高耐溫，℃；為泵下深，m；極限下深為泵的最大下入深度，m。

3 Welllift軟件研發

通過對油層流入動態、井筒多相流動、舉升工藝的運動學及動力學特征以及相互之間的耦合作用關系研究，建立一個雙電泵抽油耦合數學模型，并以系統效率和產量最大為目標，利用節點分析的方法求解油井供排協調下的雙電泵生產工作參數。在此基礎上，研發了油氣井人工舉升生產分析優化決策系統軟件Well Lift。主要功能模塊見圖1、圖2.

圖1 Welllift軟件功能模塊組成

圖2 Welllift軟件界面

（1）采油方式評價

軟件將機械采油方式的適應性評價視為多層次的模糊決策問題，采用層次分析方法和模糊分析方法進行評價，為采油方式優選提供一種定量化和最優化的科學方法[5][6]。如圖3所示。

圖3 采油方式評價模塊界面

（2）產能預測

軟件提供了常用的油氣井產能分析計算模型，包括：適用于油井的采液指數PI法、Vogel法、Petrobras法、Fetkovich法、Cheng方法、Giger方法、Joshi方法、Borisov方法，適用于氣井的二項式法、指數式法。如圖4所示。

圖4 產能預測模塊界面

（3）高壓物性計算

包括飽和壓力、溶解氣油比、原油體積系數、原油脫氣原油粘度、地層原油粘度、氣體粘度、混合物粘度等高壓物性計算，既可以進行流體物性單點的校核，也可以進行多點的擬合校正。如圖5所示。

圖5 高壓物性模塊

（4）流動保障

建立了油氣開發的陸上和海上油氣井筒溫度壓力場計算模型，其中溫度場計算考慮了海水段和空氣段的傳熱特性；模擬了石油天然氣水合物、段塞流、蠟、瀝青質、垢等的生成、發育、沉積等的生成過程，實現了對影響油氣井流動的因素和程度進行預測。如圖6所示。

圖6 流動保障井筒溫壓計算

（5）優化設計

包含單舉升方式生產設計和組合舉升方式的生產設計。軟件中的常規單舉升方式生產設計包括氣舉、電潛螺桿泵、抽油機、射流泵等舉升方式，基本可以滿足大部分的生產設計任務。

在單舉升方式無法滿足油田深井開發、大排量生產需求時，油田提出了組合舉升的開采思路。該軟件提供了包括電泵+電泵、氣舉+電泵舉升組合舉升在內的生產優化設計功能。如圖7所示。

（6）智能調參

包括工況分析和智能調參兩大功能。工況分析旨在通過對當前生產系統的動態采集參數進行分析，判斷當前的生產狀況是否正常。智能調參是建立在工況分析的基礎之上，根據目標產量進行生產參數的調整，保證舉升系統的安全高效運行。如圖8所示。

圖8 智能調參模塊

（7）經濟評價

對不同舉升方式下的投入、成本、利潤及收益進行分析評價，為采油工程的開發決策提供支持。

圖9 經濟評價模塊

4 WellLift特色

Welllift軟件具備采油方式評價、產能預測、高壓物性計算、流動保障計算、優化設計、智能調參、經濟評價等功能。軟件采用模塊化設計，用戶可以根據實際需要進行配置，靈活多變，可擴展性強。既可用來進行單井生產工程分析設計，也可滿足開采工程方案編制的需要。

（1）涵蓋油氣井主流開采方式：氣舉、電泵、抽油機、螺桿泵（地面）、螺桿泵（電潛）、柱塞氣舉、射流泵；電泵+電泵、地面氣舉+電泵、自然氣舉+電泵等。

（2）舉升設計一體化；通過該決策系統化配置實現對油氣生產所需的舉升方式進行一體化的分析設計與評價管理。

（3）計算模型多樣性：從高壓物性的計算、油氣井產能的計算、多相流的計算為用戶提供多種模型來選擇計算。

（4）井筒流動計算全面：不僅包括壓力場、溫度場的計算，還包括井筒蠟預測、結垢預測以及水合物生成預測的計算，模擬分析在不同舉升方式下溫度、壓力、蠟、垢、水合物在井筒內的分布。

（5）適用于各類油氣井：直井、斜井、水平井；陸上油氣井、海上油氣井。

（6）各庫相互協作：統一的數據庫、模型庫、方法庫、知識庫等標準，用戶可以靈活調度，達到多庫協同求解。

（7）系統性和獨立性：各子系統和模塊即可以整體集成應用，也可以單獨成軟件使用，各個部分使用統一的基礎數據和靈活數據接口配置。

[1] 石峻, 閆學峰, 宋亞培, 等. 油井人工舉升方式評價及優化設計軟件的研制和應用, 中國石油和化工[J]. 2008, (1).

[2] 程心平, 檀朝東, 闞唱軒, 等. 雙電潛泵抽油耦合模型及參數優化, 石油鉆采工藝[J]. 2017, (09).

[3] 孫殿新, 檀朝東, 闞唱軒, 等. 海上油井的氣舉-電泵組合舉升耦合模型研究, 石油機械[J]. 2017, (09).

[4] 沈瓊, 余丹, 李昂, 等. 海上電潛泵井溫度場計算及影響因素研究, 數碼設計[J]. 2017, (08).

[5] 閆學峰, 李平, 關成堯. 用層次分析法確定采油方式評價中的權敬[J]. 中國石油和化工, 2007, (10).

[6] 藎壚. 編著. 實用模糊數學[M]. 北京石油工業出版社.

[7] 張琪主編. 采油工程原理與設計[M]. 山東: 石油大學出版社.

The Production Analysis and Optimization Decision Software （WELLLIFT）for Artificial lift System of Oil and Gas Well

LI Jingjia1*, PENG Zhenhua2, KAN Chagnxuan3, YU Dan3, SONG Jian1, GAO Zhaomin1

(1.Beijing Yandan Petroleum Technology Development Co, Ltd, Beijing Changping 102200, China; 2.Research Institute of Petroleum Engineering, Sinopec Northwest Branch, Urumqi xinjiang, 830011, China; 3.College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing Changping 102249, China;)

For requirements and characteristics of production parameter design in single-lifting and combination-lifting of oil and gas Wells, this article study the reservoir inflow performance, wellbore multiphase flow, the kinematics and dynamics characteristics of lifting process and coupling relationship among them, and developed the WellLift production analysis and optimization decision system for oil and gas well artificial lift . The software have functions including offshore evaluation, productivity prediction and high pressure physical property calculation, flow calculation, single-lifting and combination-lifting optimization design, intelligent adjusting parameter, economic evaluation, etc. This software adopts modular design, and users can configure according to actual needs. What’s more, it is flexible and has strong extensibility. It can be used for single well production engineering analysis and design, and also can meet the needs of the mining engineering solution preparation.

artificial lift; method evaluation; Optimization design; Decision system; Well Lift

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.020

TE355

A

1672-9129(2018)01-0050-04

李靜嘉, 彭振華, 闞唱軒, 等. 油氣井人工舉升生產分析優化決策系統軟件Well Lift[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 50-53.

LI Jingjia, PENG Zhenhua, KAN Chagnxuan, et al. The Production Analysis and Optimization Decision Software （WELLLIFT）for Artificial lift System of Oil and Gas Well[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 50-53.

2017-11-12；

2017-12-23。

李靜嘉（1985.4-），女，碩士，現任石油工程研發部經理，主要從事石油工程類軟件的研發工作。E-mail:492686983@qq.com