井下油水分离机组运行工况诊断数学模型研究_赵传伟.pdf

油气田开发工程井下油水分离机组运行工况诊断数学模型研究*赵传伟李增亮孟德强叶霁霏(中国石油大学(华东)机电工程学院)摘要:针对单螺杆泵水力旋流型井下油水分离系统，通过研究分析单螺杆泵子系统、水力旋流器子系统、井筒管路子系统、生产层子系统、注水层子系统各自的工作特性和水力学特性，建立了各子系统的数学模型，再基于整个系统的压力、流量等协调关系，建立一套通过井口生产数据、生产层资料以及注水层注水指示曲线来诊断井下机组运行工况的数学模型。用该数学模型对某油区浅 1 12 井进行分析计算，计算结果表明，该模型合理，能够有效地诊断井下机组的运行工况。关键词:井下;油水分离系统;运行工况;诊断;数学模型;单螺杆泵中图分类号:TE934文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1001 4578.2013.05.014Research on the Mathematic Model for the OperatingCondition Diagnosis of DOWSZhao ChuanweiLi ZengliangMeng DeqiangYe Jifei(College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao)Abstract:The present study focuses on the hydrocyclone downhole oil-water separating system(DOWS)of sin-gle screw pump.The subsystem of single screw pump，subsystem of hydrocyclone，subsystem of wellbore pipeline，subsystem of production layer and subsystem of water injection layer were studied and analyzed with regard to theiroperating characteristic and hydraulic property.Based on this，the mathematic models of the subsystems were estab-lished Then，based on the coordinating relation between the pressure and flowrate of the whole system，a set ofmathematic model was established The model uses wellhead production data，production layer data and injectionindex curve of water injection layer to diagnose the operating condition of DOWS The model was used to analyzeand calculate the shallow 1 12 well of some oilfield block The calculation shows that the model is rational and itcan effectively diagnose the operating condition of DOWSKey words:downhole;oil-water separating system;operating condition;diagnosis;mathematic model;single screw pump0引言井下油水分离是 20 世纪 90 年代一项新兴的技术，具有以下突出优点:在井底将采出水注入注水层，可节省将这部分液体提升到地面所需的能量，降低了能耗;减少地面污水处理量和处理费;提高单井采油量和油藏最终采收率;延长油井经济开采寿命等1 4。目前，国内该技术仍然处于装置研发和试验推广阶段，国外成功应用该技术的案例也不多，因此该技术未能得到推广应用。其主要原因是:选井条件苛刻，系统的生产和注水参数调节余952013 年第 41 卷第 5 期石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY*基金项目:国家高技术研究发展计划(863 计划)项目“井下油气分离、同井采油回注及油砂混抽技术研究”(2006AA06Z224);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“地面驱动螺杆泵井下油水分离同井采注技术研究”(10CX05009A)、“螺杆泵井下油水分离系统匹配优化及工况诊断研究”(13CX06077A)。地较小，匹配较困难;泵入口压力和出口压力、水力旋流器分流比、注入水的含油质量、注水层的注入量和注水压力等井下工况参数难以诊断5 8。鉴于此，笔者针对单螺杆泵水力旋流型井下油水分离系统，建立一套通过井口生产数据、生产层资料以及注水层注水指示曲线来诊断井下机组运行工况的数学模型。利用此数学模型、井口生产数据、生产层资料以及注水层注水指示曲线计算出井下工况参数，根据这些参数可以判断整个系统运行是否合理。以期为今后该诊断以及调节技术的发展奠定理论基础。1井下油水分离系统组成井下油水分离技术是一项复杂的系统工程，涉及地质、采油、注水、作业和螺杆泵等方面，可以将单螺杆泵水力旋流型井下油水分离系统划分为 5个子系统，即生产层子系统、单螺杆泵子系统、井筒管路子系统、水力旋流器子系统和注入层子系统8。下面通过研究分析井下油水分离系统各子系统的工作特性和水力学特性，建立各子系统的数学模型。1.1生产层子系统生产层子系统是指液体由油层向井底流动的渗流系统。它的流动规律可用油井的流入动态曲线(IPR)来描述。IPR 曲线即为生产层子系统的数学模型，它表示了油层的工作特性，反映了井底压力与油井产量之间的关系9，而油井产量与螺杆泵及井下油水分离器的处理量密切相关，因此对流入动态规律的研究也是进行井下机组运行工况诊断的前提。1.2单螺杆泵子系统系统中，单螺杆泵采用地面驱动的方式，它为油和水的分离、水的注入及油的举升提供能量。井下机组运行工况诊断数学模型的建立需要的是单螺杆泵输送实际介质时的特性曲线，而螺杆泵出厂时给定的特性曲线是以清水为介质的，以这种曲线来判断泵的实际工况点误差较大，所以必须进行单螺杆泵特性曲线换算，其换算方法可参考文献 10。1.3井筒管路子系统井下油水分离系统中主要的管流段包括油层产出液从井底到螺杆泵入口的流动，分离出的油从水力旋流器溢流口到井口的流动以及分离出的水由水力旋流器底流口到注水层的流动。液体在井筒中流动产生的压降可采用多相管流理论进行计算，计算垂直井筒压力分布最常用的方法是 Orkiszewski 方法，因此选择 Orkiszewski 方法作为井筒管路子系统的数学模型。1.4水力旋流器子系统1.4.1水力旋流器的压力损失对于结构已定的水力旋流器，影响其压力损失的主要参数是入口流量和分流比11 12。要想通过理论推导找出这些参数与压力损失的关系比较难，但可以通过试验的方法，获得一系列数据点，总结得出其规律。关于压降、流量、分流比之间的关系，有如下经验公式13:pio=k1(1 F)Q1(1)piu=k2(FQ)2(2)式中，pi o为水力旋流器入口至溢流口的压降，MPa;pi u为水力旋流器入口至底流口的压降，MPa;Q 为水力旋流器的入口流量，m3/h;F 为水力旋流器的分流比(溢流流量与入口流量之比)，无量纲;k1、k2、1、2为与水力旋流器结构有关的常数，可由试验确定。1.4.2底流节流嘴的压力损失为了便于匹配设计，系统所用水力旋流器的尾管可以更换不同孔径的节流嘴。底流节流嘴处的压力损失主要是因液体截面的突然缩小所引起的，其产生的压力损失可由下式求得:hu=1 d2d2()uQ2ugd2u(3)式中，hu为液体流过底流节流嘴后的压力损失，Pa;d 为底流节流嘴内径，m;du为水力旋流器尾管内径，m;Qu为水力旋流器尾管流量，m3/s。1.5注水层子系统相对于常规的单螺杆泵举升井，注水层子系统是井下油水分离系统所特有的子系统，其流动规律与一般的注水井相同。注水压力与注水量的关系为:Qd=K(pw pe)(4)式中，Qd为注水量，m3/d;K 为注水层吸水指数，m3/(dMPa);pw为注水压力，MPa;pe为注水启动压力，MPa。2系统的节点分析井下油水分离系统工作时，生产层的液体进入单螺杆泵(该泵具有内、外 2 种流道，其内流道为增压流道)的内流道，经泵增压后的液体进入油管到达井口，在井口被密封;当达到注水压力06石油机械2013 年第 41 卷第 5 期时，高压液体经过泵的外流道、水力旋流器的入口进入水力旋流器内，分离后的富含油的液体进入油套环空并被举升到地面，分离出的含少量油的水注入到注水层。如图 1 所示，根据节点系统分析法建立了 9 个节点:油藏压力 pr;井底流压 pwf;油管压力 p;油套环空压力 p;单螺杆泵出口压力 pout、入口压力pin;水力旋流器入口压力 pi、溢流口压力 po、底流口压力 pu;底流节流嘴出口压力 pu，注水层注入压力 pw。上述压力单位均为 Pa。节点间的关系见式(5)式(10)。图 1整个系统结构示意图Fig.1Structural diagram of whole system1抽油杆;2油管;3套管;4单螺杆泵;5 水 力 旋 流 器;6 封 隔 器。pout=p+gh=pin+H pi(5)po=pi pio(6)pu=pi piu(7)pu=pu hu(8)pwf=pin+p1(9)pw=pu+p2(10)式(5)式(10)中，为油管内液体密度，kg/m3;h 为泵挂深度，m;H 为单螺杆泵的压头，m;p1为泵入口到生产层的压力损失，Pa;p2为底流节流嘴出口到注水层的压力损失，Pa。其中，p1、p2可由 Orkiszewski 方法算出。3井下机组运行工况诊断数学模型根据 5 个子系统的数学模型，再基于整个系统的压力、流量等协调关系就可建立井下机组运行工况诊断的数学模型。模型中做如下假设:生产层在注水层之上，并且两层是隔开的;注水层注水启动压力和吸水指数均视为常数。井下机组运行工况诊断流程如下。(1)测出井口油管压力 p，由机组的泵挂深度h 和式(5)可求得单螺杆泵的出口压力 pout，即为水力旋流器的入口压力 pi;(2)根据井下机组匹配设计时假设的油层产量 Qb0，以及单螺杆泵输送实际介质时的特性曲线，查得泵的压头 H;(3)由泵的出口压力 pout和压头 H，得到单螺杆泵的入口压力 pin;(4)根据泵的入口压力 pin及式(9)，得出井底流压 pwf;(5)由井底流压 pwf，利用井底流入动态关系，求得油层产量 Qb1;(6)如果|Qb0 Qb1|，则说明油层产量即为此值;如果|Qb0 Qb1|，则说明初设的油层产量不合适。令 Qb0=0.5(Qb0+Qb1)，返回到第(2)步重新计算，直到满足|Qb0 Qb1|为止，此时油层产量为 Qb0，也即为水力旋流器入口流量;(7)由油层产量 Qb0和井口产液量 Qo，求出注水量 Qu(Qu=Qb0 Qo);(8)由水力旋流器入口流量 Qb0和井口产液量Qo，求出分流比 F=Qo/Qb0，根据式(2)，计算得出旋流器从入口至底流口的压降 pi u，再根据式(7)求得底流口压力 pu;(9)由注水量 Qu和底流节流嘴内径 d，根据式(3)求得底流节流嘴产生的压力损失 hu，再由式(8)得出液体经过底流节流嘴后的压力 pu;(10)根据底流节流嘴出口处压力 pu及式(10)，计算出注水层的实际注水压力 pw;(11)由式(4)，计算得出在对应注水量 Qd下所需的注水压力 pw;(12)若已知地层产出液含油质量浓度为 C，测得井口产出液含油质量浓度为 Co，则可求得注入液含油质量浓度 Cu，Qb0C=QuCu+QoCo。根据以上流程，可以得到油层产量、井底流压、泵的入口压力和出口压力、泵效、水力旋流器分流比以及注水压力、注水量等井下工况参数。由这些参数可以做出如下判断。(1)注水层的注入压力是否满足要求若|pw pw|，则说明该注入压力满足注入要求，若|pw pw|，则说明实际的注水压力偏大或偏小。可以通过调节井口油嘴大小、改变井口油套环空压力 p大小达到改变注水压力的目的。若偏大，则增大井口油嘴;若偏小，则减小井162013 年第 41 卷第 5 期赵传伟等:井下油水分离机组运行工况诊断数学模型研究口油嘴。(2)分流比是否在期望范围内将实际分流比 F 与期望值相比，若偏小，则增大井口油嘴;若偏大，则减小井口油嘴。以此达到改变分流比的目的。(3)单螺杆泵是否工作在最佳工况区如果不在最佳工况区工作，则调节井口油嘴大小，改变油层产量 Qb0，使之处于泵的最佳工况区。若油层产量 Qb0偏小，则增大井口油嘴;若油层产量 Qb0偏大，则减小井口油嘴。上述 3 个量的合适与否都需要通过井口油压的改变来达到目的，可能会出现分歧。其优先级顺序为:注水层注水压力满足要求;分流比在期望范围内;单螺杆泵工作在最佳工况区。4实例分析某油区浅 1 12 井的油层中深 955 m，注水层中深 1 361 m，油层温度 56，油藏压力 5.21MPa，地层饱和压力 2.57 MPa;含油质量分数2.395 6%，生产气油比 11.36 m3/m3，地面脱气原油黏度 66.23 mPas，脱气原油密度 858 kg/m3，天然气相对密度 0.71;注水层注水启动压力(井下)13.42 MPa，注 水 层 吸 水 指 数 5.18 m3/(dMPa);浅 1 12 井的 IPR 曲线如图 2 所示。测得油管内压力 6.43 MPa，井口产液量 17.88m3/d，含油质量分数 4.644 7%。经换算后得到单螺杆泵输送浅 1 12 井井液时的特性曲线，如图 3所示。由水力旋流器的压力损失试验数据得 k2=0.014、2=0.827 4。图 2浅 1 12 井的 IPR 曲线Fig.2IPR curve of shallow 1 12 well井下油水分离机组泵挂深度 855 m，螺杆泵长9.25 m，水力旋流器总长 1.32 m，尾管直径 8mm，泵出口到生产层距离 100 m，底流节流嘴到注水层距离 505 m，底流节流嘴内径 4.2 mm，注水管外径 73 mm(壁厚 7 mm)，套管外径 139.7mm(壁厚6 mm)，油管外径73 mm(壁厚7 mm)。为了便于计算，根据井下机组运行工况诊断流程，采用 Visual Basic 语言编制了相应的软件，经计算得出井下油水分离机组运行工况参数:油层产量 34.81 m3/d，注水量 16.93 m3/d，注水压力16.69 MPa，泵入口压力 2.53 MPa，泵出口压力14.78 MPa，泵的压头 1 508 m，泵效 45.93%，注入水 含 油 质 量 分 数 0.020 3%，实 际 分 流 比51.36%。油层产量为 34.81 m3/d 时，根据图 2 可知，此时井底流压大于泡点压力 pb，减少了气体溢出，从而减小了井底自由气体对油水分离的影响;泵的压头 1 508 m 时，根据图 3 可知，泵工作在最佳工况区;注入水含油质量分数 0.020 3%，满足井下油水分离的注水要求;实际分流比为 51.36%，说明油层每产出 100 m3液量，大约有的水被举升到地面，考虑到系统经济效益，实际分流比不宜大于 60%。综合来看，井下机组的运行工况合理。图 3单螺杆泵输送浅 1 12 井井液时的特性曲线Fig.2Characteristic curve of fluid transportation ofshallow 1 12 well by single screw pump5结束语建立了单螺杆泵水力旋流型井下油水分离系统各个子系统的数学模型，采用系统节点分析法分析了整个系统的压力协调关系。基于整个系统的压力、流量等协调关系，建立了井下油水分离机组运行工况诊断的数学模型。利用该数学模型，由井口生产数据、生产层资料以及注水层注水指示曲线计算得到油层产量、井底流压、泵的入口压力和出口压力、泵效、水力旋流器分流比以及注水压力、注水量等井下工况参数，以此来诊断井下机组的运行工况。以某油区浅 1 12 油井为例进行分析计算，计算结果表明该数学模型合理，能够有效地诊断井下机组的运行工况。这为今后该井下机组运行工况诊断及调节技术的发展奠定了基础，同时对于推动26石油机械2013 年第 41 卷第 5 期井下油水分离技术的推广应用具有重要意义。参考文献 1Khan M M，Islam M R.Downhole separation of petrole-um fluids J.Petroleum Science and Technology，2006，24(7):789 805.2Kokal S，Ghamdi A A，Aramco S.Oil/water separationexperience from a large oil field J.Society of Petro-leum Engineers，2006，21(3):365 371.3Kjos T，Sangesland S，Kleppe J.Down-hole water-oilseparation and water reinjection through well branches R.SPE 30518，1995.4Stuebinger L A，Elphingstone G M Jr.Multipurpose we-lls:downhole oil/water separation in the Future J.Society of Petroleum Engineers，2000，15(3):191195.5黄中信，陈李斌.井下油/水分离(DOWS)技术前景可待 J.中国石油和化工，2007(8):41 44.6Ogunsina O O，Wiggins M L.A review of downhole sep-aration technology J.Journal of 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05(本文编辑丁莉萍檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮殑殑殑殑)下期部分文章预告40DB 钻机在导管架平台上的应用王嘉波高岩任伟等牙轮-PDC 复合钻头井底流场 CFD 模拟研究况雨春魏莉鸿秦超新型连续管倒管器研制及应用马洪钟元坝区块陆相井钻井关键技术探析施进丁伟马庆涛小间隙固井合理扩眼尺寸研究周伟于洋刘晓民等一种能有效提高机械钻速的水力振荡器刘华洁高文金涂辉等深水表层钻井关键技术及装备研究应用现状董广建陈平马天寿等海底泵举升双梯度钻井技术发展侯芳彭军生水平井智能分段开采工艺管柱研制与应用王小勇黎明志王磊等插管封隔悬挂器在镇泾油田分段压裂中的应用朱和明魏辽张亚洲等水平井分段压裂管柱堵塞分析及对策姚辉前杨国玉秦金立等井下智能节流器的设计何明格马发明林丽君等封隔器胶筒结构优化及优化方法比较张晓林张棣武玉贵等反向过滤装置的设计与试验刘昌显冯定宫元野362013 年第 41 卷第 5 期赵传伟等:井下油水分离机组运行工况诊断数学模型研究