分层采油井下油嘴直径的设计方法

付亚荣 李仰民 马永忠 夏健 杨中峰 王达

1.中国石油华北油田公司第五采油厂；2.中国石油华北油田公司开发事业部

分层采油井下油嘴直径的设计方法

付亚荣1李仰民1马永忠1夏健2杨中峰1王达1

1.中国石油华北油田公司第五采油厂；2.中国石油华北油田公司开发事业部

为有效控制储层物性不同的2套含油系各油层产液量，达到抑制高含水油层、释放低含水油层的目的，借鉴气井井下节流器和注水井分层注水水嘴的设计方法及工作原理，提出了应用井下油嘴控制各油层产液量的技术思路。依据不同油层渗透率、有效厚度、地层压力的差别建立数学模型，首先按达西定律计算不同油层的产液量，然后按不同产液量井下油嘴的过流面积计算其前后压差，再通过控制2个油层的合理生产压差，得到高渗层、低渗层的能量守恒方程，从而优化分层采油井下油嘴的直径。现场应用12口分层采油井，单井平均日增油3.6 t，含水平均下降22.1百分点，为分层采油提供了新的技术手段。

分层采油；井下油嘴；参数设计

平面上呈窄条状分布、纵向上存在多套含油层系的油藏，没有统一的油水界面［1］，且层间压力大，层间干扰矛盾突出，逐层上返笼统合采是常规的开发方式，但随着射开油层的增多，层间矛盾越来越突出［2］。分层采油工艺是一种有效解决笼统合采油井层间干扰矛盾的有效方法。郭伟等［3］在封隔器上下将空心抽油泵和普通管式泵应用于两层分采同步抽油；王彧等［4］在胜利油田3口油井上成功应用了分采混出工艺管柱和分采分出工艺管柱；长庆油田形成了以防气式分采泵为主的两层分采模式［5］；郭颖［6］提出的采出井6段以上细分层产量控制工艺，可实现直井2 m小卡距细分配产；桥式分采器采用“产层单向过流进入油管、油管内层间产液桥式多级过流、封隔器层间封隔、普通抽油泵举升”［7］，在斜井和丛式井成功实现了“一机、一杆、一泵”条件下油井三层分采；国内一些油田尝试应用的油井智能分层开采与测试技术［8］，虽然能实现油井的分层测试、分层开采、堵水调层及多层合采，但很难控制各油层的产液量。笔者借鉴气井井下节流器［9］和注水井分层注水水嘴［10］的设计及工作原理，从不同油层产液量、油嘴压差、地层生产压差出发，优化分层采油控制器油嘴直径，以达到控水增油的目的。

1 分层采油不同油层产液量

Liquid production rate of each layer involved in separate layer production

假设所建模油藏分为2个油层，其渗透率、有效厚度、产液量都是变化的［11］。分层采油控制器安装在两个封隔器之间（见图1），带有封隔器的管柱坐封前或因自重存在伸长量，坐封时封隔器受井液浮力和管柱内外井液的周向应力、径向应力和轴向应力；管柱上封隔器轴向应力偏量为0时［12］，封隔器稳定坐封，两封隔器之间分层采油控制器的轴向应力偏量也为0，处于稳定状态。

图1 分层采油工艺管柱示意图Fig. 1 Sketch of pipe string for separate layer production

存在渗透率差异的非均质油藏，纵向上两个油层之间存在一定的生产压差， 高渗层地层原油通过分层采油控制器上的油嘴从油套环空进入分层采油控制器中的过油通道，然后与低渗油层原油混合，被抽油泵抽出地面。油嘴前后存在一定的压差，高渗非达西渗流比达西渗流要多消耗一定的压力，分层采油依据达西定律的原理进行生产［13］，总的产液量Q为2个油层产液量之和，即

按达西定律，油井的产量Q为

借鉴分层注水配水水嘴计算嘴损的方法，高渗层分层采油控制器上的油嘴前后的嘴损方程为

由式（2）可以得到高渗层的产量公式

将式（3）代入式（4）可得

将式（4）展开解一元二次方程得

同样，可以得到

式中，Q1为第1层油层产液量，m3/d；Q2为层产液量，m3/d；Q为2个油层总产液量，m3/d；k0为油层有效渗透率，mD；k1为高渗油层渗透率，mD；k2为低渗油层渗透率，mD；h为油层有效厚度，m；h1为高渗油层有效厚度，m；h2为低渗油层有效厚度，m；Δp为2个油层的生产压差，MPa；Δps为油嘴前后的压差，MPa；μ0为地层原油黏度，mPa·s；B0为原油体积系数；re为油井泄油边缘半径，m；rw为井眼半径，m；α为单位换算系数；B=0.6511d–3.778。

2 油嘴前后压差

Pressure difference before and after the choke

某一固定直径的油嘴其阻力系数为定值［14］，但是，不同产液量时油嘴的过流面积是变化的，其摩阻因数也是变化的，因此，油嘴的压差可表示为

式中，ρ为原油的相对密度，kg/m3；d为油嘴的直径，mm；（fd）为油嘴流量系数。

3 油层之间的生产压差

Production pressure difference between oil layers

潘钟祥的油气“新生古储”、“上生下储”、“油气倒灌”论点逐渐被石油地质界接受后，普遍认为油井各产油层渗透率、非均质性不同，层间压力差异较大，可能出现地层能量亏空，发生“倒灌”现象［15］。根据地质方案设计，不同油层产出特定的液量。为实现分层产出液的控制，通过井下油嘴直径的大小，控制2个油层的合理生产压差，得到高渗层、低渗层的能量守恒方程（9）、（10），这样才能最大程度发挥各层产能［16］，提高单井产量。

两式相减得到油嘴直径与各油层产出液量和2个油层的生产压差之间的关系。

式中，p0为井口回压，MPa；L为井口距离高渗油层的距离，m；H为两油层之间的垂深，m；λ为两油层间原油在油管内流动的摩阻因数，因油管内壁光滑，当雷诺数Re≥2 000时，λ=6.6874；D为油管内径，m。

4 油嘴直径

Choke diameter

依据油田地质开发方案，确定油井不同油层产液量，即Q1、Q2为已知，通过计算机编程或人工求解方程（1）～（11）得到 Δp、Δps、（fd）、d等4个参数。

5 现场应用

Field application

根据地质开发方案，在12口油井现场应用后，油井单井平均日增油3.6 t，含水平均下降22.1百分点。

典型井例：ACX32-E井，2010年新井投产时，射孔打开了4个油层，生产至2013年10月含水上升至89%，日产液32 m3，日产油3.5 m3。为增加单井原油产量，2013年11月补孔打开3个油层，生产3个月后，油井产液量、含水基本保持不变，产液剖面表明，补孔打开的3个油层没有发挥作用。

2014年3月确定将4个油层和3个油层分成两套油层进行分层采油，地质方案要求Q1达到10 m3/d（4个油层）；Q2达到15 m3/d（3个油层）。根据方程（1）～（11）计算出油嘴直径为2.63 mm，分采时应用的油嘴直径2.5 mm。ACX32-E井分层采油实施后，日产液26.5 m3，含水64.5%，日产油9.4 m3，含水下降24.5百分点。

6 结论

Conclusions

（1）平面上呈窄条状分布、纵向上存在多套含油层系的油藏存在渗透率、有效厚度、产液量的差异，油层之间相互干扰；为减少层间干扰，应用达西定律和流体力学原理确定的井下油嘴直径进行分层采油成为有效的措施之一。

（2）现场试验表明，应用井下油嘴进行分层采油能够有效消除层间矛盾，释放被抑制产层潜能，达到控水稳油，提高单井产量的目的。

（3）井下油嘴目前只适用于2套层系的分层采油，三层或多套层系的适应性有待继续探索。

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（修改稿收到日期 2017-08-20）

〔编辑 朱 伟〕

A design method for choke diameter of separate layer production

FU Yarong1, LI Yangmin1, MA Yongzhong1, XIA Jian2, Yang Zhongfeng1, WANG Da1

1. No.5Oil Production Plant,PetroChina Huabei Oil field Company,Xinji052360,Hebei,China;
2. Development Department,PetroChina Huabei Oil field Company,Renqiu062552,Hebei,China

To control effectively the liquid production rate of each oil layer in two oil bearing series with different reservoir physical properties, so as to inhibit high-water-cut oil layers and release low-water-cut oil layers, the technical idea of controlling the liquid production rate of each layer by means of the bottom hole choke was proposed referring to the design methods and working principles of downhole throttle of gas well and separate layer water injection choke of water injection well. Then, a mathematic model was established based on the differences of different oil layers in terms of permeability, effective thickness and reservoir pressure. Firstly, the liquid production rate of each oil layer is calculated according to Darcy’s Law. Secondly, the pressure difference before and after the bottom hole choke is calculated based on the open area of bottom hole choke at different liquid production rates. And thirdly, the equation of conservation of energy suitable for high- and low-permeability layers is established by controlling the production pressure difference between two oil layers rationally, so as to optimize the diameter of bottom hole choke used for separate layer production. This method is applied on site in 12 separate layer oil producers. And average oil increment of each well is 3.6 t and average water cut declines by 22.1%. It provides the new technology for separate layer production.

separate layer production; bottom hole choke; parameter design

∶

付亚荣，李仰民，马永忠，夏健，杨中峰，王达.分层采油井下油嘴直径的设计方法［J］.石油钻采工艺，2017，39（5）：600-603.

TE355.5

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0600 – 04 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.013

中国石油股份有限公司重大专项“分层采油工艺试验与应用”（编号：2015E-05-08）。

中国发明专利：一种分层采油井下油嘴直径的确定方法，201510507618.1。

付亚荣（1965-），高级工程师，主要从事油气田开发技术研究与应用工作。通讯地址：（052360）河北省辛集市华北油田第五采油厂。电话：0317-2742299。E-mail：cy5_fyr@petrochina.com.cn

: FU Yarong, LI Yangmin, MA Yongzhong, XIA Jian, Yang Zhongfeng, WANG Da. A design method for choke diameter of separate layer production［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 600-603.