海上油田连续油管气举工艺参数设计方法

苏作飞，张成富

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452）

在海上油气田开发中，连续油管气举是油气井井筒排液的重要措施，在油气井投产诱喷以及气井后期排液复产中应用广泛[1]。目前，现场常用的作业方式为逐级增加注气深度，进行不同深度处的定点气举排液。下入深度及注气量等参数将直接影响连续油管气举的效果，现场施工过程中常常根据经验设定这些参数，缺乏理论依据。为了指导现场操作并保证作业效果，需要对注气深度、注气压力与注气量等参数进行优化设计。

1 连续油管气举工艺

1.1 工艺原理

将连续油管通过井口防喷器下入生产管柱后，通过连续油管向井筒中注入高压气，注入气与井筒流体混合，使气液混合以降低管柱内液柱的密度，提高举升液体能力。当井底压力降至足以形成生产压差时，就造成类似于自喷排液的情况，使井底产出液体通过井筒排出地面。

图1 作业过程示意图Fig.1 Schematic diagram of operation process

1.2 作业设备

连续油管气举作业设备主要包括膜制氮设备、连续油管设备（动力撬、操作间及滚筒）、注入头、鹅颈管、防喷盒、防喷器。膜制氮设备有1800m3/h、1200m3/h、900m3/h、600m3/h几种排量规格，最大供气压力一般为35MPa；海上常用连续油管外径尺寸有50.8mm、44.5mm、38.1mm、25.4mm，同时还有9.5mm和19.1mm两种小尺寸型号。

1.3 基本作业过程

利用连续油管作业设备将连续油管经过井口防喷装置从生产油管内下入，在到达预定位置后，由膜制氮设备通过连续油管将高压氮气（N2）注入到预定深度，完成相关作业要求[2]。

1.4 工艺设计内容

连续油管气举的工艺设计内容包括：①作业设备选型，具体包括气源类型、气源设备以及连续油管尺寸等；②最深注气点深度及在最深注气点处的注气量设计、注气压力预测及排液量预测；③各级卸载注气点连续油管下深设计。

2 连续油管出口压力与下入深度的关系

要进行连续油管气举排液的工艺参数优化设计，需要确定连续油管出口的压力随下入深度的变化情况。连续油管气举作业时一般维持地面注气压力稳定，这样在恒定的连续油管地面入口压力条件下，计算连续油管不同下入深度时的井下出口的压力即可。

无论连续油管下入到什么位置，氮气在连续油管内流动的沿程长度一致，但随着连续油管下深增大，重力导致的压力梯度会逐渐增大，所以随着下入深度的增加，井下出口压力会逐渐增大。在已知地面入口压力及注气量的条件下，可以利用平均温度和平均气体偏差系数计算方法或者Cullender和Smith计算方法以及Aziz计算方法，通过计算机程序计算得到[3,4]。以44.5mm连续油管为例，在相同的地面注气压力（15MPa）条件下，计算得到注气量分别为10000m3/d、20000m3/d、30000m3/d时的连续油管在不同下深时的出口压力，画出连续油管出口压力随下入深度的变化曲线，如图2。从图2可以直观地看出，在正常的注气量范围内，连续油管出口的压力与下入的垂深的关系曲线基本为一条直线。

图2 连续油管（外径44.5mm）出口压力随深度的变化曲线Fig.2 The outlet pressure curve of coiled tubing (1.75in.) with depth

3 连续油管气举工艺设计方法

连续油管气举作业设备一般根据海上平台空间、平台吊车能力、油气井工况条件（井深、生产管柱尺寸、设计配产）、连续油管设备当前状态（占用/空闲）进行选择，下面主要讨论各级注气深度、地面注气压力、注气量、排液量的优化计算方法。

1）最大注气深度的确定

最大注气深度取下面3个深度的最小值：

① 连续油管的最大下深。考虑连续油管的长度以及连续油管设备作业能力允许的最大下深确定的连续油管最大下深，可以根据目标井的具体井眼轨迹及生产管柱通过下入模拟分析得到确定的最大下深。

② 目标井井筒所允许的最大下深。如果目标井生产管柱中的井下工具存在缩径，可能会限制连续油管工具串通过；另外，为了避免注入气进入地层，最深注气点一般在储层垂深100m以上。

③ 地面气源允许的工作压力所能达到的最大下入深度。随着注气深度的增加，井筒流压逐渐增大，所需的地面入口压力也相应增大，计算在恒定地面注气压力下不同下深时连续油管出口压力与油管中流压曲线的交点，即为该地面注气压力下的连续油管最大下深。

2）地面注气压力、注气量以及排液量的确定

特定注气压力与注气量下的排液量可按照文献[5]所述方法进行计算，需要注意的是注气点以上的流动通道为连续油管与生产油管的环空，从而计算得到在连续油管最大下深限制条件下，不同地面注气压力时理论排液量随注气量的变化曲线。

典型的不同注气压力下排液量随着注气量的变化曲线如图3。在一定地面注气压力下，随着注气量的增加，排液量也逐渐增大（此时注气深度也随之增加），但是增长的趋势放缓；注气量一定时，注气压力越大，排液量越大；当注气压力增大到一定程度时，再增大注气压力，排液量也不会增加（此时注气深度已达最大值）。

图3 不同注气压力下排液量随注气量的变化曲线Fig.3 The curve of liquid production rate with gas injection rate under different gas injection pressures

一般来讲，诱喷气举设计应尽量提高理论排液量。根据图3所示排液量随注气压力与注气量的变化关系，在地面气源可满足的条件下，选择可实现最大注气深度的注气压力，注气量选择排液上升放缓的阶段。

3）各级注气点位置的确定

① 第一级注气点位置计算：

第一级注气深度分两种情况计算。

第一种情况：气举过程中，气体进入油管前，井口有产液流出。此时第一级注气深度（垂深）计算公式为：

式（1）中：L1为第一级注气深度，m；Pko为气举时井口最大注气压力，MPa；Pwh为气举井口油压，MPa；Gl为连续油管与生产油管环空中液体压力梯度，MPa/m；Gg为连续油管中气体压力梯度，MPa/m。

在气举过程中，气体从连续油管进入井筒前，井口未有产液流出，则第一级注气点位置深度计算公式为：

式（2）中，hs为静液面深度，m；dti为油管内径，mm；dcto为连续油管外径，mm。

② 其他的注气点位置计算：

第i级注气点处连续油管出口压力Pcti可由式（3）表示：

第i级注气点处油压Pti可由式（4）表示：

第i级注气点处连续油管出口压力和油管压力平衡可得到等式（5）：

整理得到第二级及其以下注气点连续油管下深Li的计算公式为：

式（6）中：Li为第i级连续油管下入深度，m；Li-1为第i-1级连续油管下入深度，m；Pcti为第i级注气点处连续油管出口压力，MPa；Pt(i-1)为第i-1级注气点处卸载后油管压力，MPa。

通过式（1）、式（2）和式（6）可以确定各级注气点的位置。

4 工艺设计实例

以海上某油井连续油管气举诱喷工艺设计为例，说明计算过程。该井为一口定向井，投产时因为井筒中充满压井液，需要连续油管气举排液诱喷，实现自喷生产。其主要参数如下。

①储层中深（斜深/垂深）：4524.10 m/3856.33m；②储层静压：36.8MPa；③储层温度：154℃；④产液指数：10.4m3/(d·MPa)；⑤油管外径：88.9mm；⑥产液含水：100%（按返排压井液考虑）；⑦气油比：0m3/m3（按返排压井液考虑）；⑧气源情况：氮气，最高供气压力35MPa；⑨卸载油压：3.0MPa；⑩主要的井下工具及内径、下深：油管挂（内径76.2mm，下深20m）、井下安全阀（内径71.45mm，下深235m）、滑套（内径71.45mm，下深3017m）、生产封隔器（内径76mm，下深4496m）、带孔管（内径76mm，下深4555m）、圆头引鞋（下深4558m）。

该井完井管柱中没有影响连续油管下入的井下工具，同时气源设备为氮气压缩机，最高压力可达35MPa，注气深度可达生产层位，所以连续油管作业设备的最大下深为主要限制因素。连续油管长度一般为3500m～4500m，为了安全起见，最大下深定为3000m。

在此深度下，分析不同注气压力和注气量下的返排液量（见图4），要实现在连续油管最大下入深度3000m处注气，地面连续油管入口注气压力需要达到10MPa。考虑膜制氮设备供气能力，注气量设计为20000m3/d，此时理论排液量约为140m3/d。所以设计地面注气压力10MPa，注气量20000m3/d，排液量140m3/d。

图4 不同连续油管入口压力下排液量随注气量的变化曲线Fig.4 Variation curve of liquid rate with gas injection rate under different inlet pressure of coiled tubing

利用式（1）和式（6）计算各个连续油管下入位置深度，得到各级注气点的垂深依次为：865m、1539m、2106m、2594m。

整理得到该井连续油管气举排液诱喷的工艺参数见表1。

表1 连续油管气举诱喷工艺参数设计结果Table 1 Results of process parameters design for gas lift by coiled tubing

5 结论

本文提出一种连续油管气举排液的工艺参数优化设计方法，分析了在恒定入口压力条件下连续油管出口压力随连续油管下入深度的变化规律，明确了连续油管气举排液工艺方案的设计内容，给出了确定最大注气深度需要考虑的因素，地面注气压力、注气量以及排液量的确定方法与连续油管各级下深的计算公式，并以一口井为例演示了设计过程与结果。该方法已在国内渤海、东海及南海海域多口油气井诱喷中应用，现场应用效果良好。