气举方法的技术创新

气举方法的技术创新海上石油开采一直优先选择成本较低的气举系统作为其人工举升方式。高性能、高可靠性气举系统的技术革新提高了强化开采能力，同时还提高了深水及海底新型高压气举系统的安全性。MaharonBinJadid马来西亚国家石油勘探与生产公司马来西亚吉隆坡ArneLyngholmMortenOpsal挪威国家石油公司挪威斯塔万格AdamVasperThomasM.White美国得克萨斯州Rosharon在编写本文过程中得到以下人员的帮助，谨表谢意：吉隆坡的GayatriKartoatmodjo；斯塔万格的IanRaw；挪威奥斯陆NorskHydro公司的EliTenold，以及Rosharon的SamuelZewe。NODAL，NOVA，PIPESIM和XLift等是斯伦贝谢公司的商标。1.BrearOilInjector是第一个气举专利，颁发于1865年，在随后的1865年到1953年期间，出现了70多项气举专利和专利申请。有关气举历史更多的信息，请参见：BrownKE：GasLiftTheoryandPractice,IncludingaReviewofPetroleumEngineeringFundamentals。美国新泽西州EnglewoodCliffs：Prentice-Hall出版社（1967年）：181-197。2.2006年国际能源展望，DOE/EIA-0484（2006），由美国政府能源信息管理局出版，（2006年11月24日浏览）。3.PikeB：“ImportanceofMatureAssetsDevelopmentforFutureEnergySupplies”，发表在哈特能源会议上的主题演讲，“Brownfields：OptimizingMatureAssets”，丹佛，2006年10月31日-11月1日。4.AbrahamK：“HighPrices，InstabilityKeepActivityHigh”，WorldOil，227卷，第9期（2006年9月），（2006年12月20日浏览）。5.FleshmanR，Harryson和LekicO：“用人工举升法提高产量”，《油田新技术》，11卷，第1期（1999年春季刊）：48-63。6.DonnellyR：ArtificialLift：OilandGasProduction。得克萨斯州奥斯汀：PETEX，1985年。44油田新技术石油行业于19世纪中期引入了气举技术，可以说，气举是石油行业应用时间最长的人工举升方法之一[1]。但是，大多数传统气举技术是20世纪50年代以来开发的，并不能满足如今深水和海底完井对高压、高性能和安全性的所有要求。新型设备则克服了这些传统设计上的缺陷，填补了空白。目前迫切需要新型设备。根据预测，2030年之前全世界能源需求量会以每年近1.9%的速度增长[2]。其中至少有90%的能源需求要靠油气来满足，也就是说，到2010年石油需求量要增加1100万桶/日（170万米3/日）。若考虑5%的油藏产量年递减率，到2010年，石油需求量则会接近4400万桶/日（700万米3/日）。这一需求量使得人们对未来储量增长的不确定性更加担忧。但是许多业内专家却认为未来20年石油需求量的50%－75%会来自于老油田，而且他们确信，能够长期提高潜在产能的适当人工举升技术可满足其中大部分需求[3]。目前，全世界有近100万口产油井[4]。其中，有90%以上的产油井采用人工举升方式提高产量。一般来说，这些油井的油藏压力不足以将石油举升到地面，所以，作业者必须补充油藏天然驱动能量来提高总产液量。尽管仅有约30000口油井选用了气举，但气举仍然是海上老油井最常使用而且是最经济的人工举升方法。气举过程需要通过生产井中的油管-套管环空注入天然气。注入的天然气可在油管内的产出液中形成气泡，从而降低液体密度。这就使地层压力有可能举升油管内的液体，提高井筒产出液的产量。遗憾的是，传统的气举技术在设计上有缺陷，如对获得稳定的油管和套管流体流所需注气速率的限制、最高工作压力较低和回压系统不可靠等。这些约束条件使传统的气举方法不能满足高压作业的安全要求，因此不能用于目前的大量深水和海底完井中。由于这些缺陷，许多深水和海底装置没有配备气举系统，但若采用适当的气举系统却可从中受益。设计上的改进（如文丘里管流动几何在气举阀中的应用）可降低油管和套管内的流动不稳定性。在高压波纹管系统的配合下，这些改进大大拓宽了气举系统的最大压力限制，从原来的2500psi（17.2MPa）拓宽到了5000psi（34.5MPa）。另外，最近引入的地面控制气举流量控制阀也扩大了气举系统的应用范围，提高了气举系统的适用性。气举系统的这些新功能能够满足现在和将来深井和海底完井装置不断增长的需求。气举评价。为了安装高效气举系统，必须对影响油井动态的所有因素进行研究，包括对影响气举井动态的敏感因素（生产线压力、地层特征等）进行分析。根据技术、经济、风险和系统综合因素，并在所做评价的基础上，气举应用工程师可评估并决定最佳设计安装方案。46油田新技术井筒地面流程系统数据目前与将来的技术安全油藏环境考虑因素设备提供商与服务公司的技术输入风险分析经济分析气举方法的综合评价气举设计气举安装结果评价与方案复查由于气体是气举系统的能源而且通常需要不断注入，因此必须要有充足的气体供应。在大多数情况下，气体是从相邻的产气井获取，经过压缩后利用地面管道网络配送给单独的油井。在气举井生产石油或伴生井液时，可在地面回收注入气体，回收的气体经过重新压缩后回注到同一口井中。为了设计最佳、高效的气举系统，应用工程师必须利用专门软件和诸如PIPESIM生产系统分析软件之类的程序所提供的节点分析技术针对每口井建一个系统模型。此软件工具可准确表示出生产网络中每口井的生产潜力。根据当前注气压力和向生产网络内油井供应的气体体积，可计算出每口井的产油量和气举配产（上图）。通过计算系统潜在流量，模拟过程就可帮助选择合适的井下气举设备。该综合系统方法将每口生产井的石油产能（向井流动动态关系（IPR））与流向地面生产设施和管线网的生产油管流动能力密切结合。整个石油生产系统（由与地面生产基础设施相连接的各个单井组成）的设计与精细调节必须要使气举系统的石油生产稳定并达到最佳状态。理想的气举井作业系统是在井筒的最深点保持不断而且稳定的注气速度。恒定注入压力下保持稳定的注气速度可促进液体从油藏中以稳定的流速流出，同时可将井底不良压力波动的可能性降至最低，并通过连续气举使石油产量最大化。气举井流动稳定性连续流动气举井的作业效率取决于稳定的生产压力和流量。系统稳定性要求气举作业的设计要能使井下气举阀在计算的临界流量下注入气体[7]。在流经气举阀孔的流体速度达到声速时，就会出现临界流量。临界气体流量由气举阀孔的上游压力和下游压力来调节。在常用的方孔气举阀设计中，当上游注入压力与下游流动压力之间减压40－60%时，通常会出现临界流量（下一页，左图）。在临界点之下时，下游压力的微小变化可能会造成上游油管-套管环空的不稳定[8]。压力的微小变化会引起流量的很大变动。在有些情况下，这有可能会带来正反馈，引起压力和产量的意外波动，被称作“间喷”现象。但是，在临界流量或高于临界流量的情况下，反馈回路被破坏，下游压力变动不可能传回上游，从而无法调动更多气体。当地面压缩机系统的最大压力不能继续维持气举临界流量所需的压差时，油管和套管内也会发生间喷不稳定现象。7.AlhanatiFJS，SchmidtZ，DotyDR和LageriefDD：“ContinuousGas-LiftInstability：Diagnosis，Criteria，andSolutions”，SPE26554，发表在SPE技术年会暨展览会上，休斯敦，1993年10月3-6日。8.PoblanoE，CamachoR和FairuzovYV：“StabilityAnalysisofContinuous-FlowGasLiftWells”，SPE77732，发表在SPE技术年会暨展览会上，得克萨斯州SanAntonio，2002年9月29日-10月2日。9.FaustinelliJ，BermudezG，CuauroA：“ASolutiontoInstabilityProblemsinContinuousGasLiftWellsOffshoreLakeMaracaibo”，SPE53959，发表在SPE拉丁美洲与加勒比地区石油工程会议上，加拉加斯，1999年4月21-23日。10.TokarT，SchmidtZ和TucknessC：“NewGasLiftValveDesignStabilizesInjectionRates：CaseStudies”，SPE36597，发表在SPE技术年会暨展览会上，丹佛，1996年10月6-9日。常规方孔气举阀与气流动态图。气体通过进气口进入阀，然后流经可控制气体流速的方孔。利用Thornhill-Craver方程可绘制出通过常规气举方孔阀的流量-动态比率曲线（右）。此方程利用阀上游的套管压力（Pup）、阀下游的油管压力（Pdown）、节流面积、经验流量系数和气体特性等来确定气体经过阀时的流动速度（根据Vasper的结果修改，参考文献13）。472006/2007年冬季刊௢ހ௢ހ৊ഘ੨ݛ੥বୁ൶ᇘొୁኹ࣮݅׉ࡀ੥݅ጀ෇ഘ༹ओPdownPupԲ୲0.531.00௢ހ௢ހ৊ഘ੨࿔൮૛಩ፊొୁኹ࣮݅׉ࡀ੥݅NOVAဣଚ੥݅ጀ෇ഘ༹ओPdownPupԲ୲0.530.901.00文丘里喷嘴NOVA气举阀与气流动态图。气流动态图（右）显示，通过文丘里喷嘴阀上的缩扩型孔口下降10%或以下的压力可以获得临界流（蓝色）。而常规方孔阀（红色）则需要40%－60%的压降才能获得临界流。在大多数情况下，在如此大的压降下工作是不切实际的。为了确定流动不稳定性是否是由井下气举系统的工作所引起的，生产工程师可利用NODAL生产系统模拟软件，使用当前的油井生产测试数据和气举作业参数来分析气举系统。通过模拟当前的流速和压力，工程师可确定气举阀深度处的注气速度是临界流还是缓流，还可确定上游压力与下游压力之间是否存在可形成稳定产量的充足差压。遗憾的是，绝大多数气举阀使用常规方孔。常规气举阀通常安装在注气流速达不到临界流速的深度处，这样会引起原油流动不稳定。但是，现在气举新技术可以查找并消除这些流动不稳定性。例如，委内瑞拉国家石油公司利用斯伦贝谢NOVA气举阀成功地消除了其在马拉开波湖地区油井的生产不稳定性[9]。NOVA阀孔的机械设计很具有创新性，它使用文丘里喷嘴（一种缩扩型孔口）来控制通过阀的气流（下图）[10]。一旦下游压力降低至上游压力的90－95%之间，文丘里喷嘴就产生临界气体流。在任何情况下，当差压等于10%的上游压力时，临界气流就会存在。11.JansenB，DalsmoM，NoklebergL，HavreK，KristiansenV和LemetayerP：“AutomaticControlofUnstableGasLiftedWells”，SPE56832，发表在SPE技术年会暨展览会上，休斯敦，1999年10月3-6日。492006/2007年冬季刊0BO-301-LBO-303-LBO-303-SBO-306-LBO-307-LBO-307-SBO-311-LBO-311-SBO-312-LBO-312-SBO-202-SBO-203-LBO-208-LBO-208-SBO-212-SBO-212-LBO-213-LBO-104-SBO-105-SBO-108-LBO-108-SBO-110-LBO-110-SBO-111-LBO-111-SBO-112-LBO-112-SBO-113-S100200300400500600700800900ׂᆳଉLjར0න৞