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環空壓力預測優化氣舉設計

環空壓力預測優化氣舉設計

氣舉作業的成功執行需要準確預測井下環空壓力!

編譯 | 驚蟄

任何氣舉設計都需要用到井下環空壓力,而傳統設計技術往往忽略了這一事實,取而代之的是對氣舉閥性能進行簡化類比。然而,在排液過程中,這種類比會造成環空壓力變化的誤差與誤解。

業內已總結出多種井下環空壓力的計算方法,包括經驗公式、基于平均壓力與溫度的全井段密度方程、基于某段平均壓力與溫度的密度方程。對這些經驗公式進行測試,不同方法的選用,會限制預測某個深度壓力的準確性。

經驗公式:經驗公式是計算某個深度環空壓力的原始方法。每個經驗公式都設定了各種假設,如溫度、溫度梯度、深度以及氣體比重。當計算條件與經驗公式中的內在假設不匹配時,表格中給出了校正原始梯度的方法。如今,計算機程序可在各種條件下,提供更準確的環空壓力模擬。但在計算環空壓力梯度時,設計者失去了執行自己判斷的機會。

采用密度方程進行全井段計算。當使用密度積分方程來計算全井段的壓力時,用戶可以輸入該井的實際平均溫度,這是對經驗公式中假設平均溫度的改進。最初提出的平均溫度與平均可壓縮性(ATAC)法,只是利用單個計算來求出全井段的壓降。后續的研究,提出了將井眼分段,來提高計算精度。憑借當前的計算能力,ATAC通過使用更小的深度增量,得出了更精確的結果。

將全井段計算法與線性溫度分布的增量計算法進行比較,針對井口壓力1200psi的輕質氣井,兩種方法算出10000英尺處的環空壓力差值小于5psi。然而,當井口壓力為2000psi且氣體比重為0.85時,兩者的差值達到了36psi。這個誤差量很大,會影響氣舉設計。通常,誤差量會隨著井口壓力與比重的增加而增加。完整的論文中,作者強調,在使用全深度環空壓力計算方法時,需要考慮充足的安全裕度。

密度方程的增量計算?;谡鎸崥怏w定律,溫度會對氣體密度造成影響,從而井下環空壓力會對溫度有直接的敏感性??紤]氣舉不同階段環空的實際溫度,可計算出更精確的井下環空壓力。采用密度積分方程,以500英尺為增量,考慮每個增量井段的平均溫度與可壓縮性,可以精確地確定地熱、設計以及流動溫度下的環空壓力。這是最精確的井下壓力預測方法,因為它可以將各種溫度剖面映射到井中。如果使用計算機輔助氣舉設計,則應使用增量計算方法,而且軟件程序也必須允許使用非線性溫度剖面。

環空壓力的計算高度依賴于氣體比重,以及由此產生的氣體壓縮系數(Z因子)。專家不推薦使用氣舉研究中所述的簡單計算z因子的方法,因為在不同工況下的可靠性較差。相反,他們都表示,最精確的方法是從狀態方程推導出來的。

由于氣體Z因子的計算,是基于擬對比壓與擬對比溫度的計算,因此必須確定氣體的擬臨界壓力與溫度。完整的論文包括詳細的討論與建議,以確保Z因子的準確性。

本文通過一個實例說明,如果井內氣體比重與設計思想不符,即使采用具有最精確的Z因子相關性與井溫曲線的最精確的計算方法,仍然可能會造成嚴重誤差。在設計與生產階段,由于地面設施的操作變化,氣體比重可能會隨著時間而變化,這一點非常重要。這些變化會影響井下環空壓力。

如果在預期比重的情況下執行氣舉設計,氣體比重會隨著時間的推移而變化,則氣舉的作業參數也會發生變化,故障排除方法必須考慮到這一點。每月分析天然氣的組分是獲得氣體比重周期值的好方法。當產量、井構造或分離器狀況發生變化時,氣體比重都會受到影響。使用最準確的注入氣體比重進行設計與故障排除,其重要性不言而喻。在較高的注入壓力下尤其如此。

目前,大多數氣舉設計都是使用計算機進行的,因此,環空壓力的深度增量計算法提供了最可靠、最精確的結果。關聯哪些偽臨界性質?與哪個Z因子關聯結合使用?把這些問題的決定權都交給用戶。在井口注入壓力超過1500 psi之前,這些問題并不重要。然而,對于更高比重的氣體,即使是低壓系統也會受到計算方法選擇的影響。當發生這種情況時,用戶必須特別注意注入氣體的成分,并確保氣體的比重定期與設計比重相匹配。

在氣舉設計中,使用流動溫度曲線來確定環空壓力的安全裕度。氣舉閥的波紋管壓力繼續使用設計溫度曲線。在設計階段,該策略預測的環空壓力較小,這可能會導致氣舉閥的間隔更近。然而,有益的是,無論井中溫度如何,排液與舉升期間的實際環空壓力,將始終高于設計環空壓力。

目前,注壓式氣舉閥的設計技術建議,對于每個后續卸油閥,用于計算波紋管壓力的環空壓力都應降低20至40psi。這種階梯式氣體注入方案可最有效的利用氣體來舉升流體。

可以說,基于經驗的設計方法是成功的,但是,證明經驗合理性的理論以及流動特征模型是錯誤的。本文介紹了一種可以解釋環空壓力變化的方法,該方法能夠在缺乏經驗時,應用物理定律來計算。

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