油井氣舉-電泵組合舉升運行參數的聯調優化

劉義剛 闞唱軒 張偉 檀朝東 張華 余丹

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司；2.北京市燃氣集團有限責任公司第三分公司；3.中國石油大學（北京）石油工程學院

氣舉-電泵組合舉升是綜合了氣舉和電泵舉升的優勢，將氣體通過注氣管線注入油管，與上部液體混合，降低井筒壓降和電泵出口壓力，從而減小下部電泵負荷的舉升工藝［1-6］。氣舉-電泵系統運行過程中可能面臨以下問題：油井由于儲層損害、地層出砂、增產措施等發生產量變化，造成運行參數和產量不匹配、生產不協調；生產一段時間后舉升設備出現低效工況的情況，比如電泵磨損、氣影響、泵漏失、氣舉閥堵塞等。為適應氣舉-電泵組合舉升生產動態的變化，保證系統協調生產，需要不斷進行運行參數的調整。在不動管柱作業情況下，電泵深度和注氣點深度一般不會改變，氣舉-電泵組合舉升井中可調參數主要為電泵頻率、注氣量、注氣壓力、井口油壓。其中，為滿足集輸的需要，油壓一般不作調整，而關于電泵變頻的研究通常假設電泵處于正常狀態，很少對電泵的低效工況進行分析［7-12］。

因此，利用采集的生產動態數據進行生產系統工況分析，建立一個基于當前工況分析的氣舉-電泵組合舉升優化調參方法及應用系統，在不動管柱作業的情況下實現組合舉升油井的高效運行。

1 聯調優化模型建立

油井氣舉-電泵組合舉升生產系統由地層、井筒和舉升設備構成，其中舉升設備又包括氣舉系統和電泵系統，二者彼此獨立工作同時又相互影響［13］。典型氣舉-電泵組合舉升設計系統如圖1所示。

通過研究油井流入動態、井筒多相流動特性、舉升工藝的運動學及動力學特征，以及相互之間的能量作用關系，在氣舉-電泵耦合舉升參數優化設計模型的基礎上，建立了如式(1)～(4)所示的以協調生產為目標的氣舉-電泵組合舉升運行參數聯調模型［14］。

油井生產系統為

圖1 氣舉-電泵組合舉升采油裝置Fig.1 Oil production system of gas lift-electric submersible pump combined lifting

變頻時電潛泵特性為

實際生產電泵揚程表征為

實際生產注氣量表征為

式中，pwf為井底流壓，MPa；Q為產量，m3/d；pout為電潛泵額定出口壓力，MPa；po為油壓，MPa；Gfa為注氣點以上的平均壓力梯度，Pa/m；Hg為注氣點深度，m；Gfb為注氣點以下電泵以上的平均壓力梯度，Pa/m；Hp為電泵深度，m；Gfc為電泵以下的平均壓力梯度，Pa/m；Hres為油層深度，m；ρ為流體密度，kg/m3；H為電泵揚程，m；kH為電泵揚程系數；a0，a1，a2，···，an為回歸系數；Qg,e為有效注氣量，104m3/d；Qg為實際注氣量，104m3/d；kg為注氣量修正系數；f2為調節后的頻率，Hz；f1為調節前的頻率，Hz；Q2為調節后排量，m3/d；Q1為調節前排量，m3/d；H2為調節后電潛泵揚程，m；H1為調節前電潛泵揚程，m；N2為調節后軸功率，kW；N1為調節前軸功率為電潛泵出口壓力實際值為電潛泵吸入口壓力實際值，MPa；pin為電潛泵額定入口壓力，MPa；為理論注氣量，104m3/d。

(1)油井生產系統。將油井生產系統分為儲層段、電泵段、氣舉段。儲層中產量決定了井底流壓，是壓力計算的起點；氣舉段為電泵出口到井口（包含氣舉子系統），氣舉的設計和電泵出口壓力密切相關，注氣量的大小決定了注氣點以上的壓力梯度；電泵段為井底到電泵出口（包含電泵子系統），電泵的出口壓力取決于電泵位置和揚程，同時電泵揚程和產量密切相關。

(2)變頻時電潛泵特性。油井產量發生變化時，運行參數需要適應產量變化而進行調整。電潛泵的特性說明電潛泵的排量正比于電機轉速，揚程與電機轉速的平方成正比，軸功率與電機轉速的三次方成正比［15］。由此，可以得到產量變化后的電泵頻率為

式中，fgoal為目標產量下的電泵頻率，Hz；fcur為當前產量下的電泵頻率，Hz；Qgoal為目標產量，m3/d；Qcur為當前產量，m3/d。

(3)實際生產電泵揚程表征。kH為電泵揚程系數，定義為實際揚程和理論揚程的比值。實際揚程指的是生產系統工作過程中，通過采集當前產量下電泵出入口壓力計算的電泵揚程。理論揚程指的是當前產量在電泵特性曲線上對應的揚程。在實際過程中，電泵由于機械磨損、泄漏等原因導致實際揚程小于理論揚程，出現低效工況。進行參數計算時，由于電泵揚程和產量之間的函數關系，不同產量下的電泵揚程系數不盡相同，因此需要不斷利用采集參數計算其具體數值，通過kH量化電泵低效程度，在工況分析的基礎上進行計算，才可以保證結果的科學準確。

(4)實際生產注氣量表征。kg為注氣量修正系數，定義為理論注氣量和實際注氣量的比值。實際注氣量指的是生產系統工作過程中，當前產量下采集的注氣量。理論注氣量指的是當前產量下，系統正常運行時所需注氣量。同電泵揚程系數類似，實際過程中，注氣閥由于堵塞、磨損等原因，往往造成注氣系統出現低效工況。同揚程修正系數類似，進行參數計算時，不同生產狀態下注氣系統低效程度可能不同，造成注氣量修正系數也不盡相同，因此需要不斷利用采集參數計算其具體數值，通過注氣量修正系數kg來量化注氣低效程度，對氣舉系統的工作狀況進行分析，進行產量變化后注氣量的準確計算。由于電泵低效可能造成注氣量增加，但這并不意味著注氣系統也出現了低效工況，因此在計算注氣量修正系數時，應該利用電泵揚程系數kH修正后的電泵出口壓力作為氣舉系統的起點計算注氣量。

2 參數聯調優化方法

當油井產量發生變化時，需要利用采集的參數進行工況分析，量化系統的工況低效程度，方可進行氣舉-電泵組合舉升系統運行參數(頻率和注氣參數)的計算。計算時，已知參數包括電泵參數(額定排量、額定揚程、電泵深度、當前頻率等)和氣舉參數(注氣點位置、當前注氣量、當前注氣壓力)以及采集到的產量、井底流壓、井口油壓等，求解步驟如下。

(1)根據采集產量Qcur和采集流壓pcur計算IPR曲線，確定目標產量Qgoal下對應的井底流壓pwf。

(2)計算電泵揚程系數kH以及注氣量修正系數kg。

(3)計算目標產量Qgoal下的電泵頻率fgoal，同時對電泵特性曲線修正，計算變頻后電泵揚程。

(4)從井底流壓pwf向上計算電泵的吸入口壓力pin，根據電泵特性曲線和揚程修正系數kH，計算電泵出口壓力pout。

(5)把電泵出口壓力pout當作氣舉設計擬井底流壓，在要求井口油壓pwh下計算注氣量。

(7)根據計算得到的電泵頻率fgoal和注氣量Qg調節運行參數。

3 計算分析

利用氣舉-電泵參數聯調優化研究成果，編制了相應的軟件系統，以文獻［14］中的油井為例，進行產量變化時氣舉-電泵運行參數調節研究。氣舉-電泵生產時的基礎數據如表1所示。

表1 氣舉-電泵基礎數據Table 1 Basic data of gas lift and electric submersible pump

3.1 氣舉電泵井的工況分析

下面進行該井的生產工況分析，該井產液量為250 m3/d，生產一段時間后產量降為220 m3/d，對應的動態參數如表2所示。

在當前頻率、油壓條件下，計算該井正常工作時日產220 m3/d的電泵出入口壓力和注氣量，并與采集值進行比較，計算結果如表3所示。

表3中，注氣量有2個理論值，Qg=3.94×104m3/d是在電泵系統正常工作時，為滿足井口油壓和產量所需的理論注氣量；Qg=6.59×104m3/d是在電泵出現低效時所需的理論注氣量，由于電泵低效，揚程降低，勢必會造成注氣量的增加。根據表3的電泵出入口壓差以及注氣量對比，可初步判定生產系統出現了低效工況。為了具體分析，計算電泵揚程系數kH和注氣量修正系數kg如式（6）～式（7）。

表2 當前產量為220 m3/d時的生產工作參數Table 2 Production parameters at the current production rate of 220 m3/d

表3 采集參數和正常情況下理論參數對比(定油壓)Table 3 Comparison between the acquired parameters and the theoretical parameters in the normal situation(constant oil pressure)

電泵揚程系數kH和注氣量修正系數kg的計算結果表明，電泵系統和氣舉系統都出現了低效工況，造成揚程降低和注氣效率下降。

3.2 氣舉電泵井的參數聯調

(1)工況效率下降在現場的承受范圍之內，不需要進行檢泵停產作業，若維持產液量250 m3/d，則需要根據工況分析的結果調整電泵運行參數和氣舉運行參數，計算結果如表4所示。

表4中的調參狀態指的是根據文中建立的優化方法調節電泵頻率和注氣量進行生產，不調參狀態指的是保持電泵頻率不變的情況下進行生產。計算結果表明，保持井口油壓不變的情況下，維持產量250 m3/d需要調整電泵頻率為57 Hz，同時調節注氣量為6.67×104m3/d。如果不調節電泵頻率，維持現有頻率50 Hz生產，則所需注氣量為13.61×104m3/d，而系統最大注氣量為10×104m3/d，顯然無法滿足要求。

表4 產量250 m3/d時的工作參數(定油壓)Table 4 Production parameters at the production rate of 250 m3/d (constant oil pressure)

(2)保持井口油壓不變的情況下，若控制產量為160 m3/d，計算結果如表5所示。

表5 產量160 m3/d的工作參數(定油壓)Table 5 Production parameters at the production rate of 160 m3/d (constant oil pressure)

因為揚程與電機轉速即頻率的平方成正比，當頻率降低后，電泵的揚程也就隨之降低，為滿足井口油壓的需求，相比于電泵50 Hz生產，電泵頻率降低后勢必要增加注氣量來提供足夠的能量。采用調頻措施后，電泵的負載功率和軸向力也會發生很大變化，電泵的負載功率是排量、揚程、泵效的函數，電泵軸向力和揚程成正比［16］。下面以產量為160 m3/d為例進行計算，變頻前后的特性曲線如圖2所示，頻率降低后，電泵的揚程和排量都會降低。若不進行頻率調整，保持電泵頻率為50 Hz時，產量160 m3/d并不在電泵的推薦排量范圍之內，當電泵頻率從50 Hz降低到36 Hz時，調整之后目標產量位于電泵排量的合理區，大大改善了電泵工況。

計算產量160 m3/d時，系統保持頻率不變(50 Hz)和變頻調整后電泵負載功率和軸向力變化。電泵負載功率比k和軸向力比kaf分別為

圖2 變頻前后的泵效和揚程Fig.2 Pump efficiency and head before and after the frequency conversion

式中，k為變頻前后的功率比；Q為電泵產量，此處取160 m3/d；η0為50 Hz時目標產量對應的泵效，%；η1為 36 Hz時目標產量對應的泵效，%；kaf為變頻前后的軸向力之比；H1為50 Hz時電泵揚程，m；H0為36 Hz時電泵揚程，m；AF1為變頻后的軸向力，kN；AF0為變頻前的軸向力，kN。

計算結果表明，產量為160 m3/d時，采用變頻調節后，電泵的負載和軸向力相比于保持電泵頻率50 Hz不變的情況下分別降低了57.4%，52.4%，大大降低了電泵系統的能耗，同時軸向力的降低也減少了電泵的磨損，延長電泵壽命。

4 結論

(1)通過研究油井流入動態、井筒多相流流動、舉升工藝的運動學及動力學特征、以及相互之間的能量作用關系建立了氣舉-電泵組合舉升運行參數聯調優化模型，進行工況分析和優化調參。

(2)在氣舉-電泵組合舉升系統出現低效工況時，根據采集的生產動態數據，利用電泵揚程修正系數、氣舉注氣量修正系數、井口油壓采集值與系統正常生產時的理論值對比，可以進行生產系統的工況分析，準確量化系統的低效程度。

(3)頻率-注氣參數聯調可以適應產量變化滿足配產需求，改善電泵工況，實現油藏、井筒、雙舉升設備的協調工作，在不動管柱作業的情況下達到組合舉升油井的高效運行。