油气井人工举升生产分析优化决策系统软件Well Lift

李静嘉*，彭振华，阚唱轩，余丹，宋健，高照敏



油气井人工举升生产分析优化决策系统软件Well Lift

李静嘉1*，彭振华2，阚唱轩3，余丹3，宋健1，高照敏1

（1.北京雅丹石油技术开发公司，北京昌平，102200；2.中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院,新疆乌鲁木齐，830011；3.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京昌平，102249）

针对油气人工举升井生产参数设计的要求和特点，本文通过对油层流入动态、井筒多相流动、举升工艺的运动学及动力学特征以及相互之间的耦合作用关系研究，研发了Well Lift油气井人工举升生产分析优化决策系统。该软件具备采油方式评价、产能预测、高压物性计算、流动保障计算、单举升及组合举升生产参数设计、智能调参、经济评价等功能。软件采用模块化设计，用户可以根据实际需要进行配置，灵活多变，可扩展性强。既可用来进行单井生产工程分析设计，也可满足开采工程方案编制的需要。

人工举升；方式评价；优化设计； 决策系统；Well Lift

引言

随着油田开发的不断深入，油层能量的降低和含水的升高，绝大多数油井在经过短暂的自喷采油期后便转入机械采油阶段。经过多年的发展，多种人工举升方式已经相对成熟，国内外现有的举升方式有有杆泵、气举、电潜泵、螺杆泵、水力活塞泵和水力喷射泵等[1]。当前的机械采油发展水平而言，利用单一的人工举升方式难以适应4000m以深的油井举升的要求，组合举升工艺技术是将两种举升方式组合起来接替举升，与采用单一举升方式相比，应用组合接替举升方法可以大大增加举升能力，发挥油井产能，增加油井产量[2] [3]。各种采油方式具有不同的特点和适应性，考虑油藏流体的性质复杂性，需要科学定量地人工举升方式做出评价优选，对油气井具体生产参数进行优化设计。因此，开展了对油层流入动态、井筒多相流动、举升工艺的运动学及动力学特征以及相互之间的耦合作用关系进行研究，研发了油气井人工举升生产分析优化决策系统Well Lift，针对单举升（抽油机、电潜泵、螺杆泵、射流泵、气举等）和组合举升（气举-电泵、电泵-电泵、抽油机-射流泵等）工艺形成了举升方式评价优选、流动保障预测、举升设计、生产分析、智能调控等功能。

1 人工举升井的流入动态与井筒举升耦合模型

油气井流入动态是确定油气井合理工作方式的依据，产量不同，对应的井底流压也不同；而井底流压是井筒管流分析的起点，井筒管流分析中又同时存在压力和温度的相互耦合关系。与此同时，人工举升方式的选取以及工作参数的确定势必会影响到井筒管流的压力和温度分布，并对油气井产量或者井底流压产生影响[4]。因此，深入研究油气井流入动态与举升井筒管流的耦合模型是整个设计的基础。

（1）举升耦合模型

式中，wf为井底流压，MPa；1为油井流入动态关系式；为产量m3/d；为压力MPa；为断面到参考水平面的高度，m；为流体密度，m3/kg；g为重力加速度，m/s2；为井筒倾斜角；为流体断面流速，m/s；为流体流动时的摩擦阻力系数；为管径，m；为井下泵提供的能量，J；2为井下泵做功与扬程、泵深及其他参数的函数关系；扬i(i=1,2)为泵扬程；泵深i为泵下入深度，m，i=1表示上泵，i=2为下泵；out为泵出口压力，MPa；in为泵入口压力，MPa；out为泵出口流速，m/s；in为泵入口流速，m/s；out为泵出口处高度，m；in为泵入口处高度，m。

1）油井流入动态

上述耦合模型中1表示的油井流入动态IPR计算方法众多，包括单相流、油气两相、油气水三相等各类计算模型[7]，具体的，应当根据设计研究的实际情况选择合适的产能计算方法。

2）井筒举升能量方程

对于井筒流动系统可根据能量守恒定律得出两个流动断面间的能量平衡关系：

将式（2）用压力梯度的形式进行表达：

采用人工举升生产的原因一般在于地层能量等现有条件无法满足生产的需要，因此需要一种或多种举升方式补充能量来保证油井正常生产，具体地体现为能量守恒方程中的，即压力梯度中的·，是抽油泵工艺生产参数的函数：

上、下泵提供的能量体现为扬程的大小，根据伯努力方程可知：

式中，i(i=1,2)为流体内能，J；位能sin；i(i=1,2)为流动端面距离参考水平面的距离，m；压缩、膨胀能（）i(i=1,2)，i=1表示下端面，i=2表示上断面；为流体质量，kg；为流体体积m3；为热量交换，J。

（2）耦合连接条件与约束条件

求解计算过程以节点压力为连接点，在已知设计产液量的条件下，根据IPR关系曲线可以确定对应的井底流压wf，该井底流压即为多相管流计算的压力起点。

泵处的压力变化关系为：

井底流压和井口油压、抽油泵的极限耐温、极限下泵深度、极限级数为求解计算的约束条件：

式中，(H=H井深)为井深处从压力，MPa；(H=H井深)为井口处的压力，MPa；wh为设计井口油压，MPa；极限扬程为泵的最大举升扬程，m；为泵所在位置处的温度，℃；极限为泵的最高耐温，℃；为泵下深，m；极限下深为泵的最大下入深度，m。

3 Welllift软件研发

通过对油层流入动态、井筒多相流动、举升工艺的运动学及动力学特征以及相互之间的耦合作用关系研究，建立一个双电泵抽油耦合数学模型，并以系统效率和产量最大为目标，利用节点分析的方法求解油井供排协调下的双电泵生产工作参数。在此基础上，研发了油气井人工举升生产分析优化决策系统软件Well Lift。主要功能模块见图1、图2.

图1 Welllift软件功能模块组成

图2 Welllift软件界面

（1）采油方式评价

软件将机械采油方式的适应性评价视为多层次的模糊决策问题，采用层次分析方法和模糊分析方法进行评价，为采油方式优选提供一种定量化和最优化的科学方法[5][6]。如图3所示。

图3 采油方式评价模块界面

（2）产能预测

软件提供了常用的油气井产能分析计算模型，包括：适用于油井的采液指数PI法、Vogel法、Petrobras法、Fetkovich法、Cheng方法、Giger方法、Joshi方法、Borisov方法，适用于气井的二项式法、指数式法。如图4所示。

图4 产能预测模块界面

（3）高压物性计算

包括饱和压力、溶解气油比、原油体积系数、原油脱气原油粘度、地层原油粘度、气体粘度、混合物粘度等高压物性计算，既可以进行流体物性单点的校核，也可以进行多点的拟合校正。如图5所示。

图5 高压物性模块

（4）流动保障

建立了油气开发的陆上和海上油气井筒温度压力场计算模型，其中温度场计算考虑了海水段和空气段的传热特性；模拟了石油天然气水合物、段塞流、蜡、沥青质、垢等的生成、发育、沉积等的生成过程，实现了对影响油气井流动的因素和程度进行预测。如图6所示。

图6 流动保障井筒温压计算

（5）优化设计

包含单举升方式生产设计和组合举升方式的生产设计。软件中的常规单举升方式生产设计包括气举、电潜螺杆泵、抽油机、射流泵等举升方式，基本可以满足大部分的生产设计任务。

在单举升方式无法满足油田深井开发、大排量生产需求时，油田提出了组合举升的开采思路。该软件提供了包括电泵+电泵、气举+电泵举升组合举升在内的生产优化设计功能。如图7所示。

（6）智能调参

包括工况分析和智能调参两大功能。工况分析旨在通过对当前生产系统的动态采集参数进行分析，判断当前的生产状况是否正常。智能调参是建立在工况分析的基础之上，根据目标产量进行生产参数的调整，保证举升系统的安全高效运行。如图8所示。

图8 智能调参模块

（7）经济评价

对不同举升方式下的投入、成本、利润及收益进行分析评价，为采油工程的开发决策提供支持。

图9 经济评价模块

4 WellLift特色

Welllift软件具备采油方式评价、产能预测、高压物性计算、流动保障计算、优化设计、智能调参、经济评价等功能。软件采用模块化设计，用户可以根据实际需要进行配置，灵活多变，可扩展性强。既可用来进行单井生产工程分析设计，也可满足开采工程方案编制的需要。

（1）涵盖油气井主流开采方式：气举、电泵、抽油机、螺杆泵（地面）、螺杆泵（电潜）、柱塞气举、射流泵；电泵+电泵、地面气举+电泵、自然气举+电泵等。

（2）举升设计一体化；通过该决策系统化配置实现对油气生产所需的举升方式进行一体化的分析设计与评价管理。

（3）计算模型多样性：从高压物性的计算、油气井产能的计算、多相流的计算为用户提供多种模型来选择计算。

（4）井筒流动计算全面：不仅包括压力场、温度场的计算，还包括井筒蜡预测、结垢预测以及水合物生成预测的计算，模拟分析在不同举升方式下温度、压力、蜡、垢、水合物在井筒内的分布。

（5）适用于各类油气井：直井、斜井、水平井；陆上油气井、海上油气井。

（6）各库相互协作：统一的数据库、模型库、方法库、知识库等标准，用户可以灵活调度，达到多库协同求解。

（7）系统性和独立性：各子系统和模块即可以整体集成应用，也可以单独成软件使用，各个部分使用统一的基础数据和灵活数据接口配置。

[1] 石峻, 闫学峰, 宋亚培, 等. 油井人工举升方式评价及优化设计软件的研制和应用, 中国石油和化工[J]. 2008, (1).

[2] 程心平, 檀朝东, 阚唱轩, 等. 双电潜泵抽油耦合模型及参数优化, 石油钻采工艺[J]. 2017, (09).

[3] 孙殿新, 檀朝东, 阚唱轩, 等. 海上油井的气举-电泵组合举升耦合模型研究, 石油机械[J]. 2017, (09).

[4] 沈琼, 余丹, 李昂, 等. 海上电潜泵井温度场计算及影响因素研究, 数码设计[J]. 2017, (08).

[5] 闫学峰, 李平, 关成尧. 用层次分析法确定采油方式评价中的权敬[J]. 中国石油和化工, 2007, (10).

[6] 荩垆. 编著. 实用模糊数学[M]. 北京石油工业出版社.

[7] 张琪主编. 采油工程原理与设计[M]. 山东: 石油大学出版社.

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

李静嘉, 彭振华, 阚唱轩, 等. 油气井人工举升生产分析优化决策系统软件Well Lift[J]. 数码设计, 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。

李静嘉（1985.4-），女，硕士，现任石油工程研发部经理，主要从事石油工程类软件的研发工作。E-mail:492686983@qq.com