刘义刚 阚唱轩 张伟 檀朝东 张华 余丹

1.中海石油（中国）有限公司天津分公司；2.北京市燃气集团有限责任公司第三分公司；3.中国石油大学（北京）石油工程学院

气举-电泵组合举升是综合了气举和电泵举升的优势，将气体通过注气管线注入油管，与上部液体混合，降低井筒压降和电泵出口压力，从而减小下部电泵负荷的举升工艺［1-6］。气举-电泵系统运行过程中可能面临以下问题：油井由于储层损害、地层出砂、增产措施等发生产量变化，造成运行参数和产量不匹配、生产不协调；生产一段时间后举升设备出现低效工况的情况，比如电泵磨损、气影响、泵漏失、气举阀堵塞等。为适应气举-电泵组合举升生产动态的变化，保证系统协调生产，需要不断进行运行参数的调整。在不动管柱作业情况下，电泵深度和注气点深度一般不会改变，气举-电泵组合举升井中可调参数主要为电泵频率、注气量、注气压力、井口油压。其中，为满足集输的需要，油压一般不作调整，而关于电泵变频的研究通常假设电泵处于正常状态，很少对电泵的低效工况进行分析［7-12］。

因此，利用采集的生产动态数据进行生产系统工况分析，建立一个基于当前工况分析的气举-电泵组合举升优化调参方法及应用系统，在不动管柱作业的情况下实现组合举升油井的高效运行。

1 联调优化模型建立

油井气举-电泵组合举升生产系统由地层、井筒和举升设备构成，其中举升设备又包括气举系统和电泵系统，二者彼此独立工作同时又相互影响［13］。典型气举-电泵组合举升设计系统如图1所示。

通过研究油井流入动态、井筒多相流动特性、举升工艺的运动学及动力学特征，以及相互之间的能量作用关系，在气举-电泵耦合举升参数优化设计模型的基础上，建立了如式(1)～(4)所示的以协调生产为目标的气举-电泵组合举升运行参数联调模型［14］。

油井生产系统为

图1 气举-电泵组合举升采油装置Fig.1 Oil production system of gas lift-electric submersible pump combined lifting

变频时电潜泵特性为

实际生产电泵扬程表征为

实际生产注气量表征为

式中，pwf为井底流压，MPa；Q为产量，m3/d；pout为电潜泵额定出口压力，MPa；po为油压，MPa；Gfa为注气点以上的平均压力梯度，Pa/m；Hg为注气点深度，m；Gfb为注气点以下电泵以上的平均压力梯度，Pa/m；Hp为电泵深度，m；Gfc为电泵以下的平均压力梯度，Pa/m；Hres为油层深度，m；ρ为流体密度，kg/m3；H为电泵扬程，m；kH为电泵扬程系数；a0，a1，a2，···，an为回归系数；Qg,e为有效注气量，104m3/d；Qg为实际注气量，104m3/d；kg为注气量修正系数；f2为调节后的频率，Hz；f1为调节前的频率，Hz；Q2为调节后排量，m3/d；Q1为调节前排量，m3/d；H2为调节后电潜泵扬程，m；H1为调节前电潜泵扬程，m；N2为调节后轴功率，kW；N1为调节前轴功率为电潜泵出口压力实际值为电潜泵吸入口压力实际值，MPa；pin为电潜泵额定入口压力，MPa；为理论注气量，104m3/d。

(1)油井生产系统。将油井生产系统分为储层段、电泵段、气举段。储层中产量决定了井底流压，是压力计算的起点；气举段为电泵出口到井口（包含气举子系统），气举的设计和电泵出口压力密切相关，注气量的大小决定了注气点以上的压力梯度；电泵段为井底到电泵出口（包含电泵子系统），电泵的出口压力取决于电泵位置和扬程，同时电泵扬程和产量密切相关。

(2)变频时电潜泵特性。油井产量发生变化时，运行参数需要适应产量变化而进行调整。电潜泵的特性说明电潜泵的排量正比于电机转速，扬程与电机转速的平方成正比，轴功率与电机转速的三次方成正比［15］。由此，可以得到产量变化后的电泵频率为

式中，fgoal为目标产量下的电泵频率，Hz；fcur为当前产量下的电泵频率，Hz；Qgoal为目标产量，m3/d；Qcur为当前产量，m3/d。

(3)实际生产电泵扬程表征。kH为电泵扬程系数，定义为实际扬程和理论扬程的比值。实际扬程指的是生产系统工作过程中，通过采集当前产量下电泵出入口压力计算的电泵扬程。理论扬程指的是当前产量在电泵特性曲线上对应的扬程。在实际过程中，电泵由于机械磨损、泄漏等原因导致实际扬程小于理论扬程，出现低效工况。进行参数计算时，由于电泵扬程和产量之间的函数关系，不同产量下的电泵扬程系数不尽相同，因此需要不断利用采集参数计算其具体数值，通过kH量化电泵低效程度，在工况分析的基础上进行计算，才可以保证结果的科学准确。

(4)实际生产注气量表征。kg为注气量修正系数，定义为理论注气量和实际注气量的比值。实际注气量指的是生产系统工作过程中，当前产量下采集的注气量。理论注气量指的是当前产量下，系统正常运行时所需注气量。同电泵扬程系数类似，实际过程中，注气阀由于堵塞、磨损等原因，往往造成注气系统出现低效工况。同扬程修正系数类似，进行参数计算时，不同生产状态下注气系统低效程度可能不同，造成注气量修正系数也不尽相同，因此需要不断利用采集参数计算其具体数值，通过注气量修正系数kg来量化注气低效程度，对气举系统的工作状况进行分析，进行产量变化后注气量的准确计算。由于电泵低效可能造成注气量增加，但这并不意味着注气系统也出现了低效工况，因此在计算注气量修正系数时，应该利用电泵扬程系数kH修正后的电泵出口压力作为气举系统的起点计算注气量。

2 参数联调优化方法

当油井产量发生变化时，需要利用采集的参数进行工况分析，量化系统的工况低效程度，方可进行气举-电泵组合举升系统运行参数(频率和注气参数)的计算。计算时，已知参数包括电泵参数(额定排量、额定扬程、电泵深度、当前频率等)和气举参数(注气点位置、当前注气量、当前注气压力)以及采集到的产量、井底流压、井口油压等，求解步骤如下。

(1)根据采集产量Qcur和采集流压pcur计算IPR曲线，确定目标产量Qgoal下对应的井底流压pwf。

(2)计算电泵扬程系数kH以及注气量修正系数kg。

(3)计算目标产量Qgoal下的电泵频率fgoal，同时对电泵特性曲线修正，计算变频后电泵扬程。

(4)从井底流压pwf向上计算电泵的吸入口压力pin，根据电泵特性曲线和扬程修正系数kH，计算电泵出口压力pout。

(5)把电泵出口压力pout当作气举设计拟井底流压，在要求井口油压pwh下计算注气量。

(7)根据计算得到的电泵频率fgoal和注气量Qg调节运行参数。

3 计算分析

利用气举-电泵参数联调优化研究成果，编制了相应的软件系统，以文献［14］中的油井为例，进行产量变化时气举-电泵运行参数调节研究。气举-电泵生产时的基础数据如表1所示。

表1 气举-电泵基础数据Table 1 Basic data of gas lift and electric submersible pump

3.1 气举电泵井的工况分析

下面进行该井的生产工况分析，该井产液量为250 m3/d，生产一段时间后产量降为220 m3/d，对应的动态参数如表2所示。

在当前频率、油压条件下，计算该井正常工作时日产220 m3/d的电泵出入口压力和注气量，并与采集值进行比较，计算结果如表3所示。

表3中，注气量有2个理论值，Qg=3.94×104m3/d是在电泵系统正常工作时，为满足井口油压和产量所需的理论注气量；Qg=6.59×104m3/d是在电泵出现低效时所需的理论注气量，由于电泵低效，扬程降低，势必会造成注气量的增加。根据表3的电泵出入口压差以及注气量对比，可初步判定生产系统出现了低效工况。为了具体分析，计算电泵扬程系数kH和注气量修正系数kg如式（6）～式（7）。

表2 当前产量为220 m3/d时的生产工作参数Table 2 Production parameters at the current production rate of 220 m3/d

表3 采集参数和正常情况下理论参数对比(定油压)Table 3 Comparison between the acquired parameters and the theoretical parameters in the normal situation(constant oil pressure)

电泵扬程系数kH和注气量修正系数kg的计算结果表明，电泵系统和气举系统都出现了低效工况，造成扬程降低和注气效率下降。

3.2 气举电泵井的参数联调

(1)工况效率下降在现场的承受范围之内，不需要进行检泵停产作业，若维持产液量250 m3/d，则需要根据工况分析的结果调整电泵运行参数和气举运行参数，计算结果如表4所示。

表4中的调参状态指的是根据文中建立的优化方法调节电泵频率和注气量进行生产，不调参状态指的是保持电泵频率不变的情况下进行生产。计算结果表明，保持井口油压不变的情况下，维持产量250 m3/d需要调整电泵频率为57 Hz，同时调节注气量为6.67×104m3/d。如果不调节电泵频率，维持现有频率50 Hz生产，则所需注气量为13.61×104m3/d，而系统最大注气量为10×104m3/d，显然无法满足要求。

表4 产量250 m3/d时的工作参数(定油压)Table 4 Production parameters at the production rate of 250 m3/d (constant oil pressure)

(2)保持井口油压不变的情况下，若控制产量为160 m3/d，计算结果如表5所示。

表5 产量160 m3/d的工作参数(定油压)Table 5 Production parameters at the production rate of 160 m3/d (constant oil pressure)

因为扬程与电机转速即频率的平方成正比，当频率降低后，电泵的扬程也就随之降低，为满足井口油压的需求，相比于电泵50 Hz生产，电泵频率降低后势必要增加注气量来提供足够的能量。采用调频措施后，电泵的负载功率和轴向力也会发生很大变化，电泵的负载功率是排量、扬程、泵效的函数，电泵轴向力和扬程成正比［16］。下面以产量为160 m3/d为例进行计算，变频前后的特性曲线如图2所示，频率降低后，电泵的扬程和排量都会降低。若不进行频率调整，保持电泵频率为50 Hz时，产量160 m3/d并不在电泵的推荐排量范围之内，当电泵频率从50 Hz降低到36 Hz时，调整之后目标产量位于电泵排量的合理区，大大改善了电泵工况。

计算产量160 m3/d时，系统保持频率不变(50 Hz)和变频调整后电泵负载功率和轴向力变化。电泵负载功率比k和轴向力比kaf分别为

图2 变频前后的泵效和扬程Fig.2 Pump efficiency and head before and after the frequency conversion

式中，k为变频前后的功率比；Q为电泵产量，此处取160 m3/d；η0为50 Hz时目标产量对应的泵效，%；η1为 36 Hz时目标产量对应的泵效，%；kaf为变频前后的轴向力之比；H1为50 Hz时电泵扬程，m；H0为36 Hz时电泵扬程，m；AF1为变频后的轴向力，kN；AF0为变频前的轴向力，kN。

计算结果表明，产量为160 m3/d时，采用变频调节后，电泵的负载和轴向力相比于保持电泵频率50 Hz不变的情况下分别降低了57.4%，52.4%，大大降低了电泵系统的能耗，同时轴向力的降低也减少了电泵的磨损，延长电泵寿命。

4 结论

(1)通过研究油井流入动态、井筒多相流流动、举升工艺的运动学及动力学特征、以及相互之间的能量作用关系建立了气举-电泵组合举升运行参数联调优化模型，进行工况分析和优化调参。

(2)在气举-电泵组合举升系统出现低效工况时，根据采集的生产动态数据，利用电泵扬程修正系数、气举注气量修正系数、井口油压采集值与系统正常生产时的理论值对比，可以进行生产系统的工况分析，准确量化系统的低效程度。

(3)频率-注气参数联调可以适应产量变化满足配产需求，改善电泵工况，实现油藏、井筒、双举升设备的协调工作，在不动管柱作业的情况下达到组合举升油井的高效运行。