气举排液优化设计

李军亮，廖锐全（长江大学石油工程学院，湖北 荆州434023）

朱德智（中石化中原油田分公司采油二厂，河南 濮阳457001）

气举排液优化设计

李军亮，廖锐全（长江大学石油工程学院，湖北 荆州434023）

朱德智（中石化中原油田分公司采油二厂，河南 濮阳457001）

气举是一种有效的排液方式，可以快速彻底地排出井筒积液和井底附近地层的液体。研究了气举排液的设计方法，在此基础上绘制了反映排液量、注气量、排液深度以及井底流压之间关系的图版。根据气举排液的特点，该图版对于同一层位（深度、地层压力梯度和温度梯度相似）的油气井是可以通用的。在确立合理流压的情况下，根据该图版进行气举排液设计，可以大大提高设计效率。实例证明该方法是有效可行的。

气举排液；排液量；注气量；井底流压；优化设计

气举是通过环空将高压气体注入油管，降低井筒液体密度，从而将流体举升到地面的一种采油方式，目前气举在国内外油田得到广泛的应用［1，2］。通过气举的方式将气井积液或者压裂液等举升到地面是一种非常有效的排液方式，为此很多学者对此进行了研究［1～9］。气举排液和气举采油存在不同点。气举采油是一种长期的生产方式，在其设计中产液量是由地层的供液能力决定的，所以不但要考虑地层和井筒之间的供给平衡，还要考虑地层供液能力随时间的变化。气举排液只是一个卸载过程，其目的是排出井筒和井底附近地层的液体，不但要求彻底快速返排，还需要有一个合理的井底流压，以防止引起地层出砂、坍塌等。

1 气举排液设计原理及方法

气举排液设计主要包括两方面的内容，一个是置阀深度的设计（需要计算井筒压力分布和环空的压力、温度分布）；另一个是气举阀参数设计（包括阀孔径选择、气举阀的打开压力等）。气举阀的分布计算和连通器的原理相似，不同的是气体经过气举阀的时候会有压力损失，压力损失的大小和气体流量、气举阀孔径、气举阀上游和下游的压力有关。图1是气举设计的原理图。横坐标表示压力，纵坐标表示井深。图1中有3条曲线，其中曲线S代表环空注气压力分布曲线，可以根据气相管流计算方法得到，比如平均温度和平均压缩系数计算法、Cullender和Smith计算方法以及Aziz方法等［2］；在注气量比较小的情况下，也可以简单按照静止气柱进行计算。曲线D是井筒压力分布曲线，可按气液多相管流计算方法获得，如Hagedorn和Brown方法，Orkoszewski方法以及Beggs－Brill方法［3］。影响曲线D形状的因素主要有产液量以及气液比。曲线M表示从注气点到井底的井筒压力分布；对于气举排液来说，可以看成是单相液体。曲线S和曲线D的交点称为平衡点，表示油管压力和套管压力平衡。为了满足注气阀产生的压差，注气点要向上移动一定的距离。

图1 气举设计原理图

对于气举排液，由于排液量和注气量都是未知的，先要假设一个值，在此基础上进行气举排液设计和分析。

1）已知井口压力pwh和启动压力pso，假设排液量为Ql，注气量为Qg，根据多相管流计算方法和气体单相环空压力计算方法求得注气时井筒压力分布和环空压力分布。

2）确定顶阀的下入深度。顶阀的下入深度一般是根据压缩机的启动压力和井筒静液面深度hs来确定的。

反之，静液面较深，在注气过程中，液体未从井口溢出，顶阀的下入深度按下式计算：

式中，L1为顶阀的下入深度，m；hs为静液面深度，m；pso为压缩机启动压力，MPa；d为油管外径，m；D为套管内径，m；Δpf1为气体通过第1个气举阀的压力损失，MPa；ρl液体密度，m3/kg；g为重力加速度，m/s2。

3）由顶阀下入深度，根据井筒压力分布和环空压力分布计算结果得到气举阀下游压力（井筒流压）pt1和气举阀上游压力（环空注气压力）pc1。

4）将启动压力pso减小0.3～0.5MPa作为第2级阀的井口注气压力pc2，重新计算环空压力分布。当下一级阀打开的时候，由于油管效应等因素会导致上一级阀重新打开，所以从第2级阀开始，注气压力要低于上一级阀的注气压力。

图2 气举阀深度计算示意图

5）如图2，当第2个阀进气时，第1个阀关闭，由压力平衡关系可知：

式中，Δpf2为气体通过第2个气举阀的压力损失。

则第2个气举阀的置阀深度为：

依此类推，则第n个气举阀的置阀深度应为：

气举排液一般要求快速、彻底地将井筒内和井底附近的液体排出，这就需要一个相对较大的排液量和排液深度。但是排液量和排液深度太大会导致井底流压过低，从而引起地层出砂或者地层坍塌。根据最深注气阀处的井筒流压ptn，利用单相管流公式可以计算出井底流压pwf。

式中，H为井深，m；f为摩擦阻力系数；v为液体流速，m/s。

对于气举阀孔径以及充氮压力的计算方法和气举采油一样［4］，不再叙述。

2 气举排液影响因素分析

从以上设计过程可以看出，在注气压力一定的情况下，产液量和注气量决定了油管压力分布和环空压力分布，从而决定了气举阀的数量、各个气举阀的置阀深度、气举阀的参数以及井底流压。如果限定了气举阀的数量，那么排液量、注气量、排液深度和井底流压是相互影响的。为了确认合理的产液量和注气量，采用实例分析排液量、注气量、排液深度以及井底流压之间的关系。

A井为低渗透油井，井深3150m，地层压力30MPa，封隔器下深2900m，油管外径72mm，套管内径107mm；采用压裂措施进行投产，压裂后进行压裂液返排，压裂液相对密度是1.01，启动压力15MPa；设定3个气举阀，阀间压差0.35MPa。按照上述设计方法，改变注气量和产液量进行计算，计算结果见图3。

图3 气举排液设计图版

图3中上部分图版表示随着注气量的变化，不同排液量所对应的排液深度的变化；下部分图版表示随着注气量的变化，不同排液量所对应的井底流压的变化。

从图3可以看出，当排液量一定时，随着注气量的增加，排液深度增加，井底流压降低；对于一定的注气量，排液量越大，排液深度越小，井底流压越大。所以为了维持一定的井底流压，只有通过增大注气量来提高排液速度。

在气举排液设计中，地层压力和井深决定了静液面的深度，静液面深度变化不大时不会影响设计结果。同样地层温度和井深影响着置阀深度处的温度，从而影响气举阀的地面充氮压力。对同一地层，如果其井深、地层压力梯度以及地层温度梯度变化不大时，一口井的排液量、注气量、排液深度和井底流压的相对关系可以在其他井采用。

3 计算实例

A井基本数据如上，为了防止地层坍塌，根据经验取井底流压25MPa，要求排液量达到200m3/d。根据图3可知需要注气量为8560m3/d。在已知注气量和排液量的情况下，根据气举排液设计方法，得到结果如表1。

表1 设计结果

同样，如果对排液量和井底流压有不同的要求，则可以根据图3再次查出需要的注气量，然后进行气举排液设计。

4 结 语

气举排液不同于气举采油，气举排液一方面要快速彻底地排出井筒和地层的液体，另一方面又要维持一定的井底流压，防止地层出砂和坍塌。计算的气举排液设计图版可以应用在井深、地层压力梯度和温度梯度相近的油气井上。在确定合理的井底流压的情况下，通过图版可以快速确定排液量以及注气量，从而大大提高气举排液设计的效率。但是该图版只给出了注气量、排液量、井底流压以及排液深度之间的关系，没有涉及到注气点以上各级气举阀，所以该图版有待于在以后的研究中进一步完善。

［1］万仁溥.采油工程手册［M］.北京：石油工业出版社，2003.

［2］杨继盛.采气工艺基础［M］.北京：石油工业出版社，1992.

［3］陈家琅，陈涛平.石油气液两相管流［M］.北京：石油工业出版社，2010.

［4］K.E.布朗.升举法采油工艺（卷二）［M］.北京：石油工业出版社，1987.

［5］常力，雷宇，刘小平.丘陵油田气举采油优化设计［J］.江汉石油学院学报，2000，22（3）：69～71.

［6］伊向艺，卢渊，马红梅.吐哈油田气举采油适应性分析［J］.成都理工大学学报（自然科学版），2004，31（6）：730～732.

［7］刘三威.气举井动态测试分析与应用研究［J］.江汉石油学院学报，2003，25（3）：98，104.

［8］贾浩民，李治，张耀刚，等.气举排水采气工艺技术研究及应用［J］.石油化工应用，2010，29（12）：35～38.

［9］汪海，鲍志强，栾艳春，等.气井气举阀气举排液采气工艺参数设计研究［J］.天然气勘探与开发，2005，28（2）：35～38.

Optimized Design of Gas－lifting and Fluid Withdrawing

L
I Jun－liang，LIAO Rui－quan，ZHU De－zhi（First Author's Address：College of Petroleum Engineering，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

The gas－lift was an effective fluid－withdrawing technique，by which the liquid in wellbore and nearby the bottomhole could be rapidly and completely withdrawn.The design method of airlift and fluid discharge was studied.On the basis stated above，a chartboard was drawn to reveal the relationship between fluid discharge rate，gas injection rate，fluid discharge depth and bottomhole flow pressure.According to the characters of gas－lift and fluid discharge，the chartboard was general for all wells in the same layer with the similar depth of stratum（including depth，formation pressure gradient and temperature gradient）.When the reasonable BHFP is determined，the chartboard is used to design the gas－lift and fluid discharge，it can be used for greatly improving the efficiency.It is demonstrated that the method is effective and feasible.

gas lifting and fluid discharge；fluid discharge rate；gas injection rate；bottom hole flowing pressure；optimized design

TE355.3

A

1000－9752（2012）06－0141－04

2011－10－08

李军亮（1977－），男，2001年大学毕业，博士，讲师，现主要从事油气田开发教学和科研工作。

［编辑］ 萧 雨