高強(qiáng)

1.中國石油天然氣集團(tuán)公司氣舉試驗(yàn)基地,新疆 鄯善 832002 2.中國石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善 832002

北阿扎德干油田(簡稱北阿油田)位于伊朗胡齊斯坦省Ahwaz 城市以西約80km，地處伊朗和伊拉克邊界。伊朗北阿油田自投產(chǎn)以來，已經(jīng)連續(xù)自噴采油3年多，日產(chǎn)油量都在75000桶(1桶≈0.159m3)以上。隨著油田的開發(fā)，部分井出現(xiàn)了供液不足、產(chǎn)量大幅下降的現(xiàn)象。為解決這些問題，筆者對北阿油田自噴井生產(chǎn)狀態(tài)和氣液兩相嘴流模型進(jìn)行了深入的研究。國內(nèi)外著名專家學(xué)者根據(jù)自己油區(qū)條件，建立了很多氣液兩相嘴流評價(jià)模型[1-9]。但由于流體性質(zhì)和油藏類型的區(qū)別，以及模型實(shí)驗(yàn)條件和建模思路各異，不同類型的評價(jià)模型計(jì)算結(jié)果有較大差異。

為選取最適合本油田的氣液兩相嘴流模型，在全油田范圍內(nèi)展開大規(guī)模的氣液兩相嘴流實(shí)驗(yàn)，利用測試數(shù)據(jù)篩選處于臨界狀態(tài)和亞臨界狀態(tài)的油井。對處于亞臨界生產(chǎn)狀態(tài)的13口井進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，采取有效的措施使其達(dá)到臨界生產(chǎn)狀態(tài)，防止油層低于泡點(diǎn)壓力生產(chǎn)，導(dǎo)致油層嚴(yán)重脫氣。處于臨界生產(chǎn)狀態(tài)的41口油井，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)對四參數(shù)的氣液兩相嘴流模型進(jìn)行綜合對比。筆者運(yùn)用相對誤差、相關(guān)系數(shù)和綜合評定系數(shù)評價(jià)各類模型，選取相對最準(zhǔn)確的評價(jià)模型來模擬計(jì)算每口油井的產(chǎn)能，以期為合理調(diào)節(jié)油嘴直徑和延長油井自噴期提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 氣液兩相嘴流模型

油嘴是油氣井生產(chǎn)系統(tǒng)中非常重要的組成部分，調(diào)節(jié)油嘴直徑可以控制產(chǎn)量以及地層能量衰竭速度。氣液混合物通過油嘴的流動(dòng)為氣液兩相嘴流，混合物通過油嘴的能力可用氣液兩相嘴流模型進(jìn)行預(yù)測。正確預(yù)測氣液混合物通過油嘴的能力是油氣井生產(chǎn)系統(tǒng)中合理應(yīng)用油嘴工藝的基礎(chǔ)，常用質(zhì)量流速、產(chǎn)氣量或產(chǎn)液量表征[10]。氣液兩相嘴流模型在油氣井生產(chǎn)系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，具體表現(xiàn)如下:

1)可根據(jù)油氣井的氣液比、產(chǎn)量、含水率、嘴前壓力和嘴后壓力設(shè)計(jì)油嘴直徑，達(dá)到控制油氣井產(chǎn)量的目的。

2)根據(jù)油氣井產(chǎn)量、生產(chǎn)氣油比和嘴后壓力，結(jié)合兩相管流壓降模型可預(yù)測嘴前壓力和井筒的壓力分布，為油氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測提供方法，節(jié)省測試費(fèi)用。

3)井下節(jié)流和地面節(jié)流的油氣井，可以根據(jù)油嘴直徑大小、氣液比、嘴前壓力及嘴后壓力等參數(shù)預(yù)測油氣井的產(chǎn)量，掌握油氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)[11]。

目前常用的評價(jià)模型主要有Ashford 模型、Ros模型、Achong模型、Gillbert模型及Sachdeva 模型等[1-9]。由于氣液兩相嘴流的描述要比單相嘴流復(fù)雜得多，滑脫速率、含水率、黏度、摩擦阻力及油藏類型等因子都會影響計(jì)算結(jié)果[12-16]，一般根據(jù)測試數(shù)據(jù)得出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。當(dāng)流體處于臨界流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，油嘴流量不受嘴后壓力(即回壓)的影響，而只與油壓、油嘴直徑及生產(chǎn)氣油比有關(guān)，即:

表1 臨界流動(dòng)時(shí)產(chǎn)量方程中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Table 1 Empirical coefficient in production rateequation for critical flow評價(jià)模型abcGillbert0.1950.5461.89Ros0.2820.5002.00Achong0.0890.6501.88Elgibaly & Nashawi0.0510.6771.62童憲章0.2530.5002.00 pwh=aRbpDcQo (1)

式中：pwh為油壓，MPa；D為油嘴直徑，mm；Qo為產(chǎn)液量，m3/d；Rp為生產(chǎn)氣油比，m3/m3；a，b，c為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

國內(nèi)外著名專家學(xué)者根據(jù)自己油區(qū)條件及流體性質(zhì)，建立了很多著名的氣液兩相嘴流臨界模型，其經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值見表1。

2 氣液兩相嘴流測試

2.1 氣液兩相嘴流臨界狀態(tài)理論

圖1 油氣井節(jié)流特征示意圖Fig.1 Schematic diagram of choke characteristics for oil and gas wells

2.2 測試裝置及測試流程

對于嘴流臨界狀態(tài)測試，前人使用室內(nèi)試驗(yàn)的方法展開模擬[18]，但由于不同的油藏類型、油區(qū)特點(diǎn)及流體性質(zhì)等因素，在實(shí)際應(yīng)用中會出現(xiàn)很大偏差。為獲取最符合油田實(shí)際情況的Rc，首次運(yùn)用了現(xiàn)場儀器測試的方式：選取井口壓力、產(chǎn)量或油嘴直徑均有很大差別的25口油井，主要監(jiān)測油嘴前后壓力、嘴后溫度、流量、含水率、產(chǎn)氣量和產(chǎn)液量等參數(shù)。具體測試參數(shù)范圍是：油嘴前后壓力0～15MPa，精度為0.001MPa；油嘴直徑5～20mm；產(chǎn)氣量0.1×104～ 10×104m3/d；產(chǎn)液量1～1000m3/d。測試參數(shù)通過壓力變送器、智能流量計(jì)、溫度變送器、兩相分離器上配套的電磁流量計(jì)與雷達(dá)液位計(jì)、含水分析儀和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等現(xiàn)場儀器儀表，利用SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和采集(見圖2)。

圖2 氣液兩相嘴流臨界壓力測試流程示意圖Fig.2 Flow chart of critical pressure test for gas-liquid two-phase flow

具體測試流程為：油井正常生產(chǎn)時(shí)，讀取嘴前壓力(p1)和嘴后壓力(p2)，通過SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制分離器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度，進(jìn)而設(shè)定不同的p2和R21，然后每口井按照預(yù)設(shè)的R21逐一計(jì)量測試，在產(chǎn)量變化區(qū)間反復(fù)加密測試，以獲取最準(zhǔn)確的Rc。歷時(shí)近3個(gè)月的現(xiàn)場測試，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，最終確定該油田Rc為0.532。當(dāng)Rc小于0.532時(shí)，油井處于臨界生產(chǎn)狀態(tài)；當(dāng)Rc大于0.532時(shí)，油井處于亞臨界生產(chǎn)狀態(tài)。

3 氣液兩相嘴流模型評價(jià)

3.1 產(chǎn)量變化趨勢評價(jià)

為驗(yàn)證不同氣液兩相嘴流模型在北阿油田不同生產(chǎn)階段模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，選取AZNN-005井對實(shí)際日產(chǎn)量與嘴流模型計(jì)算的日產(chǎn)量進(jìn)行對比，結(jié)果見圖3。

圖3 3種模型計(jì)算的產(chǎn)液量與實(shí)際產(chǎn)液量對比圖 Fig.3 Comparison of calculated liquid production and actual liquid production

從圖3中可以看出，在2019年8月之前，3個(gè)模型計(jì)算的產(chǎn)量與現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性，計(jì)算的產(chǎn)量的變化趨勢與實(shí)際情況相符。其中Achong模型計(jì)算產(chǎn)量的平均相對誤差為9.09%，Ros模型計(jì)算產(chǎn)量的平均相對誤差為12.31%，Gillbert模型計(jì)算產(chǎn)量的平均相對誤差為11.49%。在2019年8月之后，由于該井處在亞臨界生產(chǎn)狀態(tài)，使用上述模型計(jì)算時(shí)誤差增大，適用性變差。

3.2 產(chǎn)量預(yù)測能力評價(jià)

由于目前常用的氣液兩相嘴流評價(jià)模型主要針對于臨界流態(tài)，為避免處于亞臨界流態(tài)的油井帶來的誤差，根據(jù)試驗(yàn)測得的Rc，剔除R21大于0.532的13口井，剩余的41口井由于處于不同生產(chǎn)階段，各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)差異較大的數(shù)據(jù)(見表2)使用Gillbert模型、Ros模型、Achong模型、Elgibaly&Nashawi模型和Surbey-Kelka-Brill模型分別評價(jià)。用4個(gè)指標(biāo)定量表征各評價(jià)模型對該油田的適應(yīng)性，分別為平均相對誤差δ、平均絕對誤差Δ、相關(guān)系數(shù)η和綜合評定系數(shù)φ。即：

表2 評價(jià)數(shù)據(jù)取值范圍

(2)

(3)

(4)

φ=0.5(1-δ)+0.5η

(5)

式中：Qa,i為第i口井的實(shí)際產(chǎn)液量，m3/d；Qc,i為第i口井的模型計(jì)算的產(chǎn)液量，m3/d；N為測試總井?dāng)?shù);i為第i口測試井,i=1,2,…,N。

表3 不同嘴流模型在油田的適用性評價(jià)

由式(2)～(5)可得出不同氣液兩相嘴流模型在北阿油田的適用性評價(jià)表(見表3)，通過定量對比可知，Achong模型的平均相對誤差為13.26%，平均絕對誤差為15.12%，相關(guān)系數(shù)為85.54%，綜合評定系數(shù)為0.86，三項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于其他評價(jià)模型，應(yīng)用Achong模型計(jì)算產(chǎn)能和設(shè)置油嘴直徑更符合該油田的生產(chǎn)特征。

3.3 產(chǎn)量-壓力關(guān)系評價(jià)

當(dāng)油井處于臨界生產(chǎn)狀態(tài)，且油嘴直徑?jīng)]有變動(dòng)的情況下，產(chǎn)量與壓力呈線性關(guān)系，并隨著壓力的降低而降低。以AZNN-020井為例，各類模型綜合評價(jià)(見圖4)后發(fā)現(xiàn)，Achong模型計(jì)算的產(chǎn)量-壓力關(guān)系與實(shí)際產(chǎn)量-壓力關(guān)系曲線最相符，比其他模型評價(jià)精度更高。

圖4 不同嘴流模型計(jì)算的油壓與產(chǎn)液量關(guān)系同實(shí)際情況的對比Fig.4 Relationship between tubing pressure and liquid production

4 應(yīng)用實(shí)例

該油田某油井于2019年4月16日投產(chǎn)，油嘴直徑為32/64in(約12.7mm)，配產(chǎn)2000桶/d(約290m3/d)，初期油壓為8.124MPa，外輸管線壓力為0.91MPa。因油嘴直徑與配產(chǎn)量嚴(yán)重不匹配，油壓短期內(nèi)下降至3.609MPa，產(chǎn)液量由初期的日產(chǎn)3374桶(約489m3)大幅下降至1754桶(約254m3)。

2019年7月4日對該井的油嘴直徑進(jìn)行調(diào)整，參考其他小直徑油嘴且處于臨界生產(chǎn)狀態(tài)油井的生產(chǎn)參數(shù)，根據(jù)井口壓力、管線壓力、氣油比和配產(chǎn)量模擬計(jì)算該井的油嘴直徑。運(yùn)用Achong模型計(jì)算的油嘴直徑為10.164mm；Ros模型計(jì)算的油嘴直徑為10.755mm；Gillbert模型計(jì)算的油嘴直徑為11.271mm；Elgibaly&Nashawi模型計(jì)算的油嘴直徑為10.517mm，最終使用直徑為25/64in(約9.922mm)的油嘴。生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化后，該井的實(shí)際日產(chǎn)量為2136桶(約310m3)，實(shí)際產(chǎn)量與配產(chǎn)量僅相差6.3%(見圖5)。其他油井也存在著配產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量嚴(yán)重不匹配的情況，通過Achong模型計(jì)算并優(yōu)化參數(shù)后，平均匹配率誤差僅有9.25%，很好地解決了這個(gè)問題。

圖5 參數(shù)調(diào)整前后產(chǎn)液量與油壓變化趨勢Fig.5 Variation trend of liquid yield and oil pressure before and after parameter adjustment

5 結(jié)論

1)經(jīng)過現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后，確定該油田的臨界壓力比值Rc為0.532;當(dāng)Rc小于0.532時(shí)，油井處于臨界生產(chǎn)狀態(tài)；當(dāng)Rc大于0.532時(shí)，油井處于亞臨界生產(chǎn)狀態(tài)。

2)利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)逐一驗(yàn)證不同氣液兩相嘴流模型，結(jié)果表明Achong模型的平均相對誤差為13.26%,平均絕對誤差為15.12%,相關(guān)系數(shù)為85.54%,綜合評定系數(shù)為0.86，4項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)均優(yōu)于其他模型。

3)綜合運(yùn)用Rc和Achong模型計(jì)算產(chǎn)能更符合油田的生產(chǎn)特征，對合理選擇該油田油嘴直徑、完成日產(chǎn)指標(biāo)及延長油井自噴期提供了理論依據(jù)，同時(shí)對其他類似油田也具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。