喷射气举适应井优选及优化设计研究

罗威，廖锐全，张顶学 （长江大学石油工程学院）油气资源与勘探技术教育部重点实验室 （长江大学），湖北 武汉 430100

李勇 （中石油吐哈油田分公司工程技术研究院，新疆 哈密 839009）

文静 （中石油吐哈油田分公司勘探开发研究院，新疆 哈密 839009）

喷射气举适应井优选及优化设计研究

罗威，廖锐全，张顶学 （长江大学石油工程学院）油气资源与勘探技术教育部重点实验室 （长江大学），湖北 武汉 430100

李勇 （中石油吐哈油田分公司工程技术研究院，新疆 哈密 839009）

文静 （中石油吐哈油田分公司勘探开发研究院，新疆 哈密 839009）

针对气举井最下面安装一个G／L型射流泵与上面多级气举阀组合成的喷射气举，因射流泵工艺设计受油井多因素约束控制，目前还没有形成一套可行的喷射气举井优选和工艺设计方法，展开了研究。首先根据G／L型射流泵质量守恒、动量守恒、能量守恒和气体状态方程导出了射流泵排出口压力的计算公式，再将连续气举工艺设计与射流泵工艺设计结合起来，巧妙选取最深注气点为动态求解点，运用节点分析方法，导出了两种工艺组合的喷射气举井优选和喷射气举设计方法，最后通过实例给出了喷射气举生产动态曲线和给定注气量条件下的喷射气举设计，并与常规气举进行对比，解决了油井优选和工艺组合设计的难题。

G／L型射流泵；连续气举工艺设计；射流泵工艺设计；工艺组合；喷射气举设计；生产动态曲线

早在1852年，英国就已经刊载了有关射流泵的资料，1933年Gosline和O＇Brien发表了包括射流泵理论研究和大量室内试验的标准参考文献［1］，1957年Cunningham等［2］推导出了液-液射流泵的综合数学模型，并随后做了大量相关研究［3～7］。近年来，随着射流泵的使用范围越来越广，相关的研究工作也一直在持续［8～11］。喷射气举是其中的一种应用，喷射气举是在油井最下面部位安装一个G／L型射流泵或在其上部的适当位置再装一个或几个G／L型射流泵组合而成。射流泵与气举阀不同，无封包压力控制部件，类似孔板阀。笔者仅讨论最常用的一种方式，即只在油井最下面安装一个射流泵时的情况的适应井优选和喷射气举设计问题。由于气体射流泵在喷嘴出口产生高速射流，不仅能在入口产生一定真空度对井液具有一定抽吸作用，而且能提高气液两相的混合效率，从而有效降低井底回压，增大产量，因此在国内外都有较广泛的应用［12～16］。

但是，目前的射流泵布置仍然是使用简单替换最后一级气举阀［15～17］。这种做法较粗略，不仅无法判断油井是否适合喷射气举，也无法判断这样布置是否能发挥射流泵的潜能。如委内瑞拉马拉开波湖近海油田部分喷射气举井效果不好［16］，吐哈油田在哈萨克斯坦让那若尔油田的几口喷射气举试验井同样有部分井效果欠佳，而且存在一定的安全隐患。因为在相同的地面生产条件下，由于射流泵使产量增加会增大沿程流压，而按原最小油压线设计的上面各级阀则很有可能打开形成多点注气，如图1所示。对于连续气举，不管是变流压设计，还是套压控制设计，粗略做法均存在这种风险。针对常用套压控制设计，结合射流泵工艺特点，导出了2种工艺组合的喷射气举井优选方法和喷射气举设计方法，可进行前期喷射气举井适应性优选，排除不适合喷射气举的井，同时也能尽量避免引起多点注气。

图1 喷射气举实际生产油压曲线

1 射流泵工艺设计及喷射气举设计

1.1 射流泵工艺设计

1.1.1 建立气／液射流泵流动方程

根据气／液射流泵流动过程满足能量守恒、动量守恒、质量守恒和气体状态方程［18］，建立起气／液射流泵流动方程，笔者选用理想射流泵方程进行说明和设计，这样做不影响喷射气举设计原理运用，所建立的方程如下。

1.1.2 设计步骤

由上述流动方程可知，射流泵工艺设计受井液入口压力、井液流量、注入流量、注入压力、流体密度、泵尺寸等多种因素约束控制，较气举阀流动复杂。具体设计步骤如下：

1）优选喷嘴尺寸。结合式 （8）、（9），即根据注气点前后套压、油压选出满足要求最小尺寸［17］，喷嘴尺寸范围为3.2、3.6～11.2mm，每增加0.4mm为一个喷嘴尺寸。

2）优选喉管尺寸。根据泵的最小气蚀面积和喷嘴面积确定出喉管尺寸［17］，选出满足要求的最小尺寸，喉管尺寸范围为11、13～35mm，每增加2mm为一个喉管尺寸。

3）计算喉道压力比。根据式 （10）即可计算出喉管压力比，并用式 （12）判断验证是否满足要求，如果不满足要求，根据步骤2重新选择大尺寸喉管，直到满足要求。

4）计算泵出口入口压力比。根据式 （11）通过迭代求解泵出口入口压力比。

1.2 喷射气举井优选

建立喷射气举动态曲线和泵相关参数曲线，可预先对油井进行喷射气举适应性优选和对适合的井进行喷射气举注气量、产量、注气深度优化设计，而泵相关参数曲线，则可以选择出满足要求的喷嘴、喉管尺寸。具体设计步骤如下：

1）从小到大给定一系列注气量，选定一个注气量。

2）给定初始产量，根据选定注气量，可以确定假设以井底为注气点时的井筒压力分布，再根据地面注气压力确定环空注气压力分布线 （可考虑过阀压差，减去Δp），两个压力分布的交点为注气点，选取注气点为求解点，注气点是动态变化的，故为动态求解点。由交点求出注气点压力，即泵出口压力。

3）由给定产量根据流入动态方程可以确定对应井底流压，再根据多相管流计算方法从底至顶往上计算得到在步骤2）中确定的注气点处流压，根据射流泵工艺设计，由泵前后压力、流量、温度等可确定泵排出口流压。

4）比较步骤2）与步骤3）分别确定的泵排出口压力，如果步骤2）泵排出压力大于步骤3）排出压力，减小产量，从步骤2）开始重新计算，如果步骤2）泵排出压力小于步骤3）排出压力，增大产量，从步骤2）开始重新计算，直到步骤2）与步骤3）泵排出口压力相等，即确定了一个注气量对应产量和泵尺寸相关参数。

5）重复步骤1）到步骤4），即可以确定出一系列注气量对应一系列系列产量、注气点深度、泵尺寸相关参数，即该井喷射气举动态曲线和泵相关参数曲线。

1.3 喷射气举设计

笔者给出定注气量条件设计，定产量条件设计类同，布阀设计采用最常用的等关闭压降设计［1］，通过巧妙选取最深注气点为动态求解点，解决了射流泵工艺设计受油井多因素约束控制难以设计的难题。具体设计步骤如下：

1）从大到小给定一系列产量，选择布阀设计中最深注气点为求解点。

2）选择系列产量中的一个，根据给定注气量确定最小流压线，再由等关闭压降设计确定阀分布及阀参数、最深注气点及对应流压。

3）由步骤2）中选定的产量根据流入动态方程可以确定对应流压，根据多相管流计算方法从底至顶往上计算得到在步骤2）中确定的最深注气点处流压，根据射流泵工艺设计，由泵前后压力、流量、温度等可确定泵排出口流压。

4）根据步骤2）确定出系列产量对应一系列流出流压，即流出动态曲线，根据步骤3）也确定出系列产量对应一系列流入流压，即流入动态曲线。

5）根据流入流出动态曲线交点，即可确定出协调产量点，对应布阀设计和射流泵工艺设计即是所要得到的喷射气举设计结果。

2 实例分析及评价

为验证设计，下面通过计算实例进行说明。设计所需参数：油藏深度3768m，油藏压力19.31MPa，油藏温度84℃，产液指数115.3m3／ （d·MPa），井口压力2.0MPa，气油比107m3／m3，含水率5%，溶解气相对密度0.65，原油相对密度0.91，地层水相对密度1.02，油管 内 径0.076m，套管 内径0.162m，地温梯度0.02℃／m，井液梯度1.05MPa／100m，假设井液在井口位置。地面可提供注气压力8.62MPa，过阀压差0.345MPa，最小阀间距100m。射流泵初始喷嘴内径3.2mm，喉管内径11mm，扩散通道30mm。根据射流泵工艺设计、喷射气举井优选方法和喷射气举设计，可以绘制出图2～4所示曲线。通过图2喷射气举动态曲线，可以首先对适合喷射气举的油井进行优选，然后可以根据目标产量等选择喷射气举最优注气量和注气深度，避免盲目选井、盲目替换生产；根据图3泵相关参数曲线可以选择满足要求的喷嘴尺寸和喉管尺寸。

图2 气举、喷射气举动态曲线

图3 泵喷嘴、喉管尺寸及出入口压力比参数曲线

图4 喷射气举设计

由图4可知，通过给出的喷射气举设计方法，得到了各级阀的布置深度，特别是射流泵的正确布置深度，解决了两种工艺组合设计难于布置准确深度的难题。由图2和图4可知，组合工艺喷射气举设计与常规气举设计存在差别，喷射气举设计的产量较高，沿程流压较大，获得的注气点深度较浅，因此射流泵布置不能采用图1中的简单替换气举设计中最后一级阀位置放置。

3 结论

1）将连续气举工艺与射流泵工艺结合起来，巧妙选取最深注气点为动态求解点，运用节点分析方法，导出了2种工艺组合的喷射气举设计方法和喷射气举井优选方法，解决了射流泵工艺设计受油井多因素约束控制难于设计和油井优选的难题。

2）根据导出方法绘制喷射气举动态曲线及泵相关参数曲线，可进行油井前期喷射气举适应性优选，同时对于适应井，可以根据目标产量等选择喷射气举最优注气量和注气深度，选择满足要求的喷嘴、喉管尺寸，避免盲目选井、盲目替换生产。

3）组合工艺喷射气举设计与常规气举设计存在差别，喷射气举设计的产量较高，沿程流压较大，获得的注气点深度较浅，射流泵布置不能采用简单替换放置方法，而应该使用符合组合工艺喷射气举自身特点的设计方法布置阀和射流泵。

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［编辑］ 黄鹂

The Selection of Gas Lifting and Jet Pump Well and Its Optim ized Design

LUO Wei，LIAO Ruiquan，ZHANG Dingxue，LIYong，WEN Jing (First Author's Address:School of Petroleum Engineering，Yangtze University;Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources(Yangtze University)，Ministry of Education，Wuhan 430100，Hubei，China)

In allusion to the situation of a jetand gas lifting process combiningof aG/L jet pump installed in the bottom of gas liftwell and themultistage gas lifting valves above，because the jet pump design was controlled by multi-factors of the well，therewere no a setof feasiblemethods of selecting gas lift jet pump wells and technology design，a research was carried outon the situation.First according tomass conservation，momentum conservation，energy conservation and gas state equation of G/L jet pump，a calculation formula of the jet pump outlet pressure was derived，then a continuous gas lift technology design was combined with jet pump technology design，the deepest point of gas injection was skillfully selected as the dynamic solution point，the node analysismethod is used to derive a method for combined design of selecting jet gas lifting well and jet lifting.Eventually the design of performance curve for jet gas lifting production and the design of jet gas lifting under condition of given gas injection volume are established by case study，and they are compared with conventional gas lifting technology，the obtained result can be used to solve the problem ofwell selection and the technological design.

G/L jet pump;continuous gas lift jet technology design;technology design of jet pump;technologic combination;jet gas lift design;production performance curve

2013-12-24

国家自然科学基金项目 （61170031）。

罗威 （1986-），男，2006年大学毕业，博士生，现从事采油采气工艺理论与技术研究。

TE355.3

A

1000-9752（2014）05-0120-05