0 引言
在渤海海域已投入开发的油气田中，存在着大量与油共生的天然气藏。以渤海南部黄河口凹陷内已投入开发的11个油气田为例，探明的气层气地质储量119亿m3，动用储量90.02亿m3，动用程度为75.6%，主要采用定向井穿多层的方式动用这些地层气[1-2]。但现阶段的采油工艺技术控制油、气层同采时不能使二者的产量和压力达到平衡，从而不能高效地释放产能，造成了能源浪费[3-5]。
以曹妃甸11-6D为代表的小型生产平台的供电能力有限，造成部分电泵生产井关停，亟需优化举升工艺节能降耗来保持正常生产。同时，随着深水油气田的开发，水下井口开发井的数量不断增多，气举作为电泵举升的辅助手段，提高了举升压力[6]。
根据以上背景，研发了海上油田电泵-智能气举管柱工艺技术。该技术采用耦合举升工艺，利用现有气源，在电泵上部增加智能气举阀，采用电泵-气举耦合举升方式，可以节省部分电量，减少油井关停造成的产量损失；同时能有效利用气藏能量，实现油气同采，提高油田开发效益。
1 技术分析 1.1 电泵-智能气举管柱组成电泵-智能气举管柱主要由电潜泵总成、液流换向阀、智能气举阀及配套工具组成。电泵总成上部安装有液流换向阀，液流换向阀上部安装有智能气举阀。两种管柱生产时，利用地层气或地面注入气能量实现举升，智能气举阀可以实现进气口温度、压力计进气量的监测，同时还可以根据耦合计算结果对进气量进行实时调整。该气举管柱解决了平台能耗高及电泵举升力不足等难题，为电力供应不足平台、深水及深井油气田开发提供了一种新的思路。
地面控制系统的核心部分为耦合举升计算软件，该软件与泵系统及智能气举阀系统组成闭环系统。耦合举升计算软件能够实时采集井下泵工况数据，并通过电泵控制柜对井下电泵进行频率调节，同时能够实时采集智能气举阀监测数据，实现气举阀气嘴开度大小的控制。
当地层气充足时，智能气举阀监测气层压力大，耦合举升计算软件通过分析计算，得到最佳气嘴开度及电泵频率，向电泵控制变频器发送指令，将电泵频率调整至最佳频率，同时通过气举阀控制电缆发送指令，增加气举阀气嘴开度和气举举升力，达到降低电泵功率的目的。当地层气能量不充足时，气举阀监测气层压力降低，此时软件耦合计算得到最优的举升组合，从而得到电泵所需频率，通过电泵控制柜提高井下电泵频率，达到增加举升力的目的。
通过耦合举升计算软件，将电泵系统与气举系统形成了有效的结合，并形成了闭环控制，可以监测和调节电泵及气举阀参数，达到动态调节的目的，从而保证耦合举升系统处于最佳状态，有效利用气藏能量，解决了油气同采及电泵开采系统负荷过大问题，提高了举升效率。
1.2 工作原理图 1为地层气气举+电泵耦合举升管柱示意图。生产滑套分别下至油层与气层，油层生产滑套打开，气层生产滑套关闭。油层产出液通过滑套进入油管内部，气层产出气进入油套环空。产出气上升到智能气举阀处，通过智能气举阀气嘴进入油管内部，并产生举升力，推动产出液上升。当产出气量足够时，通过产出气气举即可以完成井液举升；当产气量不足时，通过气举加电泵耦合举升方式进行井液举升，降低生产能耗。
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| 图 1 电泵+地层气气举耦合举升管柱示意图 Fig.1 Schematic diagram of ESP + formation gas lift coupling lifting string 1—电潜泵+气举地面控制系统；2—安全控制管线；3—安全阀；4—动力电缆；5—过电缆封隔器；6—气举电泵阀控制线缆；7—智能气举阀；8—液流换向阀；9—电潜泵总成。 |
图 2为地面注气气举+电泵耦合举升管柱示意图。生产滑套下到油层内部，实现分层开采。给地面管线加压，过电缆封隔器注气阀打开，地面注入气通过过电缆封隔器进入油套环空，通过气举阀进入管柱内部，对液柱进行举升，同时可以配合电泵进行耦合举升，达到提高举升力的目的。
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| 图 2 电泵+地面注气气举耦合举升管柱示意图 Fig.2 Schematic diagram of ESP + ground gas lift coupling lifting string 1—电潜泵+气举地面控制系统；2—安全控制管线；3—安全阀；4—动力电缆；5—注气阀；6—过电缆封隔器；7—气举电泵阀控制线缆；8—智能气举阀；9—液流换向阀；10—电潜泵总成。 |
该管柱可以满足油井整个寿命周期及长期开采的需要。对于生产初期地层能量充足井，关闭智能气举阀和电泵，采用自喷生产方式。随着地层能量下降，自喷不能满足生产需求时，通过地面控制打开井下智能气举阀，通过气举方式进行生产，并可以通过调节气举阀进气口大小调节气举量。随着地层能量进一步下降，电泵起泵生产，采用气举+电泵耦合举升方式进行生产。当地层气体能量耗尽时，通过电泵或电泵+地面注气方式进行生产。4种举升方式的使用，延长了管柱使用周期及检泵寿命，同时大大提高了举升力，对深水油气田开发具有重大意义。
1.3 主要技术参数电泵-智能气举管柱适用于ø244.5 mm(9 5/8 in)套管完井，适应地层温度120 ℃，单井举升液量提高15%以上。
1.4 管柱特点(1) 利用一趟管柱实现采油、油气同采、采气耦合举升工艺，优化了管柱结构。
(2) 通过4种不同举升方式组合，利用一趟管柱实现了油井全寿命周期的举升，延长了检泵周期，提高了油田开发效益。
(3) 智能气举阀可以实现井下温度、压力及气举阀进气量的实时监测，同时还可以通过气嘴实现对进气量的调整，从而调整举升压力。
(4) 耦合举升计算软件与泵系统及智能气举阀系统形成闭环系统，实现了举升系统数据采集、分析、计算及调整，使举升系统处于最优组合状态。
2 智能气举阀设计 2.1 整体结构智能气举阀(见图 3)为整个井下工具核心组成部分，由上下接头、V锥流量计、一体化可调气嘴、单流阀、压力温度传感器及电路部分组成。该智能气举阀安装在电泵上部，将地层产出气或地面注入气作为气源对管柱内部液体进行举升。气举阀通过单芯电缆与地面控制器连接，采集到的数据被实时传输到耦合举升软件进行数据分析，可以实现井下管柱内外压力、温度及气体流量等参数的实时监测，并可以接收地面指令实时对井下气嘴进行调节，以气体调整举升力。
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| 图 3 智能气举阀结构示意图 Fig.3 Structural schematic diagram of intelligent gas lift valve 1—上接头；2—电路仓；3—电机；4—气嘴；5—单流阀；6—V锥流量计；7—电气接头；8—下接头。 |
井下智能气举阀与地面耦合举升软件形成了有效的闭环控制。耦合举升软件采集井下智能气举阀温度、压力、流量及电泵参数，经过分析计算，得到气嘴最优开度，并发送指令调节气嘴开度，以达到最优举升状态。智能气举阀气嘴可以实现无级调节，精确调节气体进入量，从而精确控制举升力。V锥前、后设置高灵敏度差压传感器，能够有效测试V锥造成的节流压差，精确测出气体流量。
2.2 功能(1) 气举阀具有完全打开或关闭功能，并可以调节气嘴开度的太小，实现进气量的调整控制。
(2) 可以对温度、压力和气体流量进行监测，并可以对当前层位的温度、压力和流量等3个参数进行实时监测，通过电缆将井下监测数据传输至地面计算机实时显示、存储和回放。
(3) 具备防止井下出液进入气源空间的单向阀，防止井液由气举阀进入环空。
2.3 主要技术参数外形尺寸：ø168 mm×1 450 mm；
中心通径：76 mm；
工作温度：0~120 ℃；
温度测量范围：0~125 ℃；
工作压力：50 MPa；
注气量：0~105 m3/d。
2.4 井下V锥气体流量计井下V锥气体流量计(见图 4)为智能气举阀的重要部件，在V锥前、后分别设置锥前取压孔及锥后取压孔，两个取压孔采用差压传感器进行压差采集。通过压差即可计算出流经V锥的流量。单向阀结构能够有效防止管柱内部液体返吐进入环空。
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| 图 4 井下V锥气体流量计 Fig.4 Downhole V-cone flowmeter |
井下V锥气体流量计主要技术参数为：差压传感器耐绝对压力50 MPa，流量测试范围0~105m3/d(标况当量)，流量精度2%，耐温150 ℃。
2.5 一体化可调气嘴一体化可调气嘴(见图 5)为智能气举阀的核心部件，主要由电机、减速器、丝杠和陶瓷气嘴组成。电机处设置霍尔传感器，能够实时监测丝杠位置从而计算气嘴开度。气嘴出口采用氮化硅陶瓷，该材质能够满足耐冲蚀和耐酸化要求。气嘴结构采用平衡压设计，气嘴开关不受气嘴前、后压力的影响。
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| 图 5 一体化可调气嘴 Fig.5 Integrated adjustable nozzle |
一体化可调气嘴主要技术参数为：气嘴阀芯移动距离40 mm，气嘴最大当量直径24 mm，气体流量调节范围0~105 m3/d，电机最大扭矩8 N·m。
3 主要配套工具液流换向阀(见图 6)作为电泵-智能气举管柱的主要配套工具，一般连接在电潜泵上方。该工具的作用是：正常电泵举升时密封油套环空，形成举升通道；电泵停机时，打开泄油通道，防止泵口砂埋等造成启泵困难。
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| 图 6 液流换向阀 Fig.6 Flow diverting valve 1—上接头；2—本体；3—复位弹簧；4—单流密封筒；5—单流定位筒；6—下接头。 |
3.1 结构及特点
液流换向阀主要由上接头、换向阀本体、复位弹簧、单流密封筒、单流定位筒和下接头等组成。其作用是：在电泵启动时，液流冲击单流定位筒，压缩复位弹簧，从而使单流密封筒密封泄油通道，自动关闭油套环空；停泵时，在弹簧压缩下，单流密封筒向下运动，打开泄油通道。
液流换向阀主要有以下特点：
(1) 启泵自动关闭油套环空。
(2) 停泵自动开启油套环空，代替泄油阀。
(3) 停泵后沉砂进入油套环空，防止砂埋单流阀引起启泵困难。
(4) 满足大通道自喷，自喷时流体不过泵，保护电泵，减小自喷阻力。
(5)(用于罐装系统时)正注的酸化液从大通道注入，不过泵，从而可保护电泵。
3.2 主要技术参数长度1.52 m，外径156 mm，内部过流通道64 mm，启动压力0.4 MPa，工作压力35 MPa，工作温度120 ℃。
4 现场应用在渤中29-4油田某生产井进行电泵-智能气举技术工艺设计，并对结果进行分析。该井油藏深度为1 440 m，油藏压力为15.07 MPa，油藏温度为70.4 ℃。将井下产出气作为气源进行电泵-智能气举耦合举升。将气举阀下入井下不同深度，通过不同注气量与电泵耦合后的电泵级数及功率如表 1所示。
| 气举阀深度/m | 气举阀进气量/ (104 m3·d-1) |
电泵级数 | 电泵功率/kW |
| 1 179 | 4.59 | 105 | 17.59 |
| 1 056 | 2.28 | 145 | 23.44 |
| 959 | 1.24 | 185 | 29.83 |
在加入气举系统之前该井泵挂深度1 350 m，电泵级数为259级，电机功率41.80 kW。将气举阀下入不同深度，调整气举阀进气量，电泵级数分别降低到105、145和185级，电泵功率分别为17.59、23.44和29.83 kW。
现场应用结果表明：组合举升设计中泵扬程明显降低，所需泵级数与泵功率显著下降，其中电泵功率最低降至原功率的42.08%，降低了电泵耗能，提高了举升效率。
5 结论(1) 电泵-智能气举管柱利用地层气或井口注入气体与电泵耦合举升，可以提高举升液量15%以上。
(2) 智能气举阀实现了井下举升气体温度、压力、流量的实时监测，同时可以对井下气嘴进行实时调节，从而调节气举参数。
(3) 现场应用结果表明：采用电泵-智能气举耦合举升方式，泵扬程明显降低，电泵功率最低降至原功率的42.08%，降低了电泵耗能，提高了举升效率。
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