长庆油田采油井套管气压对油井产量的影响

林鑫 （中石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西 西安710021）

白剑锋 （西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安710018）

曾萍 （中石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西 靖边718500）

巨江涛 （中石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西 西安710021）

杨利 （中国石化陕西石油分公司，陕西 西安710003）

李德伦 （中海油 （中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江524057）

卜盼盼，任晓宇 （中石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西 西安710021）

为促进长庆油田节能减排，实现绿色发展，提升油田开发水平和综合效益，长庆油田公司特立项开展了油田伴生气资源的有效回收利用研究。目前，长庆油田主要采用定压阀回收、打气泵抽气、单独敷设集气管线及同步回转油气混输装置等4种采油井套管伴生气回收工艺技术。套管气定压回收工艺由于具有工艺简单、成本低等技术特性正成为长庆油田大面积推广的一种有效的套管伴生气回收工艺［1］。该工艺是将定压放气阀安装在套管与单井出油管线之间，通过设定合理的套压定值，当套管压力超过设定压力后，定压阀打开，套管内伴生气进入出油管线，从而达到有效回收套管气的目的。图1为套管气定压回收工艺原理图。

套管气定压回收工艺的应用是以不影响油井产量为前提，资料表明套管气压过高会对油井泵况产生影响，从而影响油井产量［1，2］。因此，为推广套管气定压回收工艺在长庆油田的应用，提高长庆油田采油井套管伴生气的回收利用，就采油井套管气压对油井产量的影响进行了探讨。

图1 套管气定压回收工艺原理图

1 套压对油井产量影响

1．1 套压对井底流压影响

根据达西定律，油井井底产量可表示为［3］：

式中：qo为油井井底产量，m3／s；J为采油指数，m3／（s·MPa）；珚pr、pwf分别为井区平均油藏压力、井底流动压力，MPa。

由式（1）可知，油井井底产量与生产压差成正比。由于井区平均油藏压力珚pr在一定时间内保持不变，所以井底流压越低，油井井底产量越高；井底流压升高，油井井底产量降低。

含水油井正常抽汲时，其油套环空中的油水界面稳定在泵的吸入口处 （图2），因此抽油机井井底流压可表示为［3］：

图2 含水抽油机井油水界面

式中：pc、pg、pog、pogw分别为套压、气柱段压力、油气段压力（泵吸入口至动液面压力）、油气水段压力（泵吸入口至油层中部深度压力），MPa。

由于pg≈0，所以，抽油机井井底流压可近似表示为：

根据图2中显示的流体分布状态还可知：

式中：Dp、Dpf、Dom分别为泵挂深度、动液面深度、油层中部深度，m；珋ρog、珋ρogw分别为泵吸入口以上环形空间油气段平均密度、井内油气水段混合物平均密度，kg／m3；g为重力加速度，m／s2。

由式（5）可知，油气水段压力pogw与油气水段混合物的平均密度珋ρogw成正比，而珋ρogw是含水率和气油比的函数，因此含水低，气油比高，则pogw小；含水高，气油比低，则pogw大。由此可见，pogw一般不随套压而变化。当油井稳定在某一套压下正常生产时，由于pogw不随套压发生变化，因此由式（2）可知，只有pg和pog随pc变化。当油井保持高套压pc，h生产时，则气柱段伸长（气柱段长度未超过泵挂深度），动液面变深，油气段短，油气段压力pog1小；当油井保持低套压pc，l生产时，则气柱段缩短，动液面变浅，油气段长，油气段压力pog2大。因此由式（3）可知，油井在稳定套压下生产时，气柱段与油气段压力之和保持不变［4］，即：

结合式（6）和式（3）可知，当油井在保持某一套压下稳定生产时，抽油机井井底流压保持不变。由于在一定时间内，地层压力保持不变，所以油井生产压差也不变，油井井底产量也基本不变。

1．2 套压对深井泵泵效影响

前面论述了当油井保持稳定套压生产时，其井底产量基本不受影响。而对于抽油机，其井口实际产量可表示为［3］：

式中：Q为油井实际产液量，m3／d；η为泵效，%；Ap为泵柱塞截面积，m2，Ap＝πD2／4；D 为泵径，m；s为光杆冲程，m；N 为冲次，min－1。

由式（7）可知，Ap、s、N为固定常量，因此抽油机井实际产量主要由深井泵泵效决定。根据深井泵的工作特点，影响深井泵泵效的因素归结如下［3］：①抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩影响；②漏失影响；③气体和充不满的影响。其中①项和②项分别受抽油杆柱的力学特性及深井泵的结构性能影响而不常改变，因此工程技术人员通常采取减少进泵气量，提高泵的充满程度来提高深井泵泵效。

减少进泵气量来提高泵效的主要做法是对泵进行改造或在泵下安装分气设备，使气体进入油套环空而不进入泵腔内［3］。套管气定压回收工艺由于在套管口安装有定压阀，因此当气体进入油套环空后，将在油套环空上部形成具有一定压力的气柱。随着环空中气体量的增加，套管压力上升，气柱伸长，当动液面未达到泵口前，泵口处的压力不变，气体进泵与进入油套环空的比例几乎不变，泵效不受影响［5］；当气柱长度等于泵挂深度后，气体几乎全部进入泵腔，造成“气锁”现象，从而降低抽油机井产量。因此，使用套管气定压回收工艺，必须设置合理的套压值。

通过以上分析，认为套管气定压回收工艺的设定压力即套压pc必须小于抽油机井泵口压力pp，若设定套压大于或等于泵口压力，则会造成气体进泵，降低泵效，严重时可能发生“气锁”现象，造成油井停产。

2 实例计算

综上所述，抽油机井泵口压力即为套压设定的临界值，即当套压pc＜pp（抽油机井泵口压力）时，采油井产量不受套压影响；当套压pc≥pp时，采油井产量受套压影响。目前长庆油田抽油机井计算泵口压力的经验公式为［2］：

式中：R为生产气油比，m3／t；a为天然气溶解系数，m3／（m3·MPa）；pp为泵口压力，MPa；Bo为原油体积因数，1；fw为含水率，%。

由式 （8）可知，掌握某区块抽油机井的含水率、气油比等参数就可计算出该区块抽油机井的泵口压力。表1中所列的是长庆油田部分区块采油井原油物性、含水率的统计结果。将表1中所列的各区块采油井气油比、天然气溶解系数、含水率等参数代入式 （8），可计算得到长庆油田部分区块采油井泵口压力与泵效的关系曲线，如图3所示。由图3可知，各区块采油井泵效随着泵口压力的增加而增大，但增幅逐渐减缓。结合图3及各区块采油井的平均泵效，可得到各区块采油井的平均泵口压力，结果见表2。

表1 长庆油田部分区块采油井综合特性统计结果

表2 长庆油田部分区块采油井平均泵口压力计算结果

如前所述，随着采油井套管气压的上升，油套环空中的气柱伸长，当动液面未到泵口前，泵口处的压力不变，气体进泵与进入油套环空的比例几乎不变，泵效不受影响，即此时抽油机井产量不受套压增加而变化；随着套管气压继续上升，当动液面降至泵口时，气体进入泵腔，造成泵腔无法充满，从而影响深井泵泵效，造成抽油机井产量降低。因此，采油井套管气压值必须小于抽油机井的泵口压力。由表2中各区块采油井平均泵口压力的计算结果可知，长庆安塞油田侯市区块长8油层组采油井的套压值需小于1．92MPa，长庆白豹油田白216区块长6油层组采油井的套压值需小于4．23MPa，其他区块采油井设定套压值在此不再赘述。

为保证抽油机井生产时具有100m的沉没度 （统计资料分析表明，长庆油田原油黏度小，其采油井一般沉没度保持在100～150m为佳），因此采油井套管气定压回收工艺所设定的套压需减去油套环空中100m油柱 （取油密度为0．85g／cm3）所形成的压力，各区块采油井套管气定压回收工艺的设定套压值计算结果见表2。由表2可知，西峰油田白马区块长8油层组采油井、白豹油田白216区块长6油层组采油井及合水油田庄9区块长8油层组采油井的设定套压值较高，都为2MPa以上，大于井口一般回压 （井口回压一般为0．8～1．5MPa），因此套管气定压回收工艺在这些区块具有较强的适用性；靖安油田大路沟二区、五里湾一区长6油层组采油井及姬塬油田黄57区块长8油层组采油井的设定套压值较低，为0．46～0．81MPa，低于井口一般回压，因此套管气定压回收工艺在这些区块的使用受到限制；而安塞油田侯市区块长8油层组采油井和胡尖山油田安201区块长6油层组采油井的设定套压值分别为1．09MPa和1．20MPa，介于采油井井口最大回压和最小回压之间，因此套管气定压阀回收工艺在这些区块的应用需根据油井井口回压大小而定，即当采油井设定套压值大于井口回压时，适用套管气定压阀回收工艺；当采油井设定套压值未超过井口回压时，套管气定压阀回收工艺不适用。综上所述，采油井套管气定压回收工艺的应用需与采油工程相结合确定，即根据油井气油比、含水率、泵效及井口回压等参数确定，不可笼统应用。

图3 长庆油田部分区块采油井泵口压力与泵效关系曲线图

3 结论及认识

1）采油井泵口压力为套压设定的临界值，即当套压未达到泵口压力时，油井产量不受影响；当套压达到泵口压力后，气体进泵，深井泵泵效降低，抽油机井产量下降。

2）采油井套管气定压回收工艺的应用需与采油工程相结合确定，即根据油井气油比、含水率、泵效及井口回压等参数确定，不可笼统应用。

［1］李永军，夏政 ．长庆低渗透油田油气集输 ［M］．北京：石油工业出版社，2011．

［2］牛彩云，张宏福，郭虹，等 ．浅谈高气油比机采井正常生产时的合理套压 ［J］．石油矿场机械，2010，39（3）：94～97．

［3］张琪 ．采油工程原理与设计 ［M］．东营：石油大学出版社，2000．

［4］杨正友 ．控制套压增产原理分析 ［J］．油气井测试，2003，12（2）：11．

［5］孟红霞，薛建良 ．含气抽油机井套管气释放时机的确定 ［J］．石油大学学报 （自然科学版），1998，22（4）：49～51．