采油工程2：自噴及氣舉采油

第二章

自噴與氣舉采油1、自噴井生產系統分析2、氣舉采油原理及油井舉升系統設計方法人工舉升采油自噴采油(FlowingProduction)采油方法分類人工給井筒流體增加能量將井底原油舉升至地面的采油方式。利用油層自身能量將原油舉升到地面的采油方式。采油方法：將流到井底的原油采到地面所用的工藝方式和方法。方法和方式。

人工舉升采油有桿泵采油無桿泵采油常規(guī)有桿泵采油地面驅動螺桿泵采油氣舉采油電動潛油離心泵采油水力活塞泵采油電動潛油螺桿泵采油射流泵采油柱塞泵采油第一節(jié)自噴井生產系統分析一、自噴井生產系統組成自噴井生產的四個基本流動過程地面水平或傾斜管流地層滲流井筒多相管流嘴流—生產流體通過油嘴(節(jié)流器)的流動自噴井所特有的流動完整的自噴井生產系統的壓力損失示意圖回壓Ph油藏壓力Pe井底流壓Pwf油藏中的壓力損失＝Pe－Pwf油壓Pt井筒中的壓力損失＝Pwf－Pt地面出油管線中的壓力損失＝Ph-Psep分離器壓力Psep嘴損＝Pt－Ph油井自噴生產的條件

油氣水混合物從地層流至計量站分離器總的壓力損失為：

生產壓差＋井筒損失＋油嘴損失＋地面管線損失問題：油井穩(wěn)定自噴生產的條件？？？

二、自噴井節(jié)點分析節(jié)點系統分析法(NodalSystemsAnalysis)：它是應用系統工程原理，以油井生產系統為對象把從油藏到地面分離器所構成的整個油井生產系統按不同的流動規(guī)律分成若干個流動子系統，在每個流動子系統的起始及銜接處設置節(jié)點。在分析研究各個子系統流動規(guī)律的基礎上分析各子系統的相互關系及其各自對整個系統工作的影響，為優(yōu)化系統運行參數和進行系統調控提供依據。節(jié)點系統分析法最初用于分析和優(yōu)化電路和供水管網系統，1954年Gilbert提出把該方法用于油氣井生產系統，后來Brown等人對此進行了系統的研究。20世紀80年代以來，隨著計算機技術的發(fā)展，該方法在油氣井生產系統設計及生產動態(tài)預測中得到了廣泛應用。節(jié)點分析的實質是計算機程序化的單井動態(tài)模型。借助于它可以幫助人們理解油氣井生產系統中各個可控制參數與環(huán)境因素對整個生產系統產量的影響和變化關系，從而尋求優(yōu)化油氣井生產系統特性的途徑。節(jié)點系統分析對象：整個油井生產系統自噴井生產系統組成：油藏滲流子系統井筒流動子系統油嘴(節(jié)流器)流動子系統地面管流子系統

自噴井生產系統節(jié)點位置1、分離器2、地面油嘴3、井口4、安全閥5、節(jié)流器6、Pwf7、Pwfs8、Pr9、集氣管網10、油罐節(jié)點系統分析實質：協調條件質量守恒能量(壓力)守恒熱量守恒協調理論在采油應用方面的發(fā)展求解點的選擇：主要取決于所要研究解決的問題。求解點：為使問題獲得解決的節(jié)點。協調曲線示意圖節(jié)點流入曲線節(jié)點流出曲線協調點

(一)油藏與油管兩個子系統的節(jié)點分析

管鞋壓力與產量關系曲線給定已知條件：油藏深度；油管直徑；氣油比；含水；油、氣、水密度；油藏壓力；飽和壓力(低于油層壓力)及單相流時的采油指數。節(jié)點（井底）流入曲線:IPR曲線節(jié)點（井底）流出曲線:已知井口油壓，設定一組產量，通過井筒多相流計算得到一組管鞋壓力。交點：該系統在所給條件下可獲得的油井產量及相應的井底流壓。1)井底為求解點當油壓已知時，可以井底為求解點。

油壓與產量的關系曲線2)井口為求解點（油壓不確定）設定一組產量，通過IPR曲線A可計算出一組井底流壓，然后通過井筒多相流計算可得一組井口油壓曲線B。節(jié)點（井口）流入曲線：油壓與產量的關系曲線IPR曲線Pa-Pb是在油管中消耗的壓力曲線B的形狀：油管的上下壓差(Pa-Pb)并不總是隨著產量的增加而加大。產量低時，管內流速低，滑脫損失大；產量高時，摩擦損失大，這兩種情況均可造成管內壓力損耗大。應用：計算出任意產量下的井口油壓的大小，并用于預測油井能否自噴。(二)從油藏到分離器無油嘴系統的節(jié)點分析方法1)井底為求解點

給定的已知條件：分離器壓力；油藏深度；油藏壓力；飽和壓力(低于油層壓力)及單相流時的采油指數J等。由于選取中間節(jié)點(井底)為求解點，求解時，要從兩端(井底和分離器)開始，設定一組流量，對這兩部分分別計算至求解點上的壓力(井底流壓，亦即油管鞋壓力)與流量的關系曲線。生產系統從井底分成兩部分：油藏中的流動；從油管入口到分離器的管流系統。簡單管流系統求解點在井底的解節(jié)點（井底）流入曲線：油藏中流動的IPR曲線；節(jié)點（井底）流出曲線：以分離器壓力為起點通過水平或傾斜管流計算得井口油壓，再通過井筒多相流計算得油管入口壓力與流量的關系曲線。交點：在所給條件下可獲得的油井產量及相應的井底流壓。②研究油井由于污染或采取增產措施對油井產量的影響選取井底為求解點的目的①預測油藏壓力降低后的未來油井產量油井流動效率改變的影響預測未來產量2)井口為求解點地面管線和分離器部分油管和油藏部分生產系統分為地面管線和分離器、油管和油藏兩個子系統。求解點在井口的解流出曲線：以分離器壓力為起點計算地面管流動態(tài)曲線。流入曲線：油藏壓力為起點計算不同流量下的井口壓力，即油管及油藏的動態(tài)曲線。交點：產量及井口壓力。求解點選在井口的目的研究不同直徑油管和出油管線對生產動態(tài)的影響，便于選擇油管及出油管線的直徑。不同直徑的油管和出油管線的井口解3)分離器為求解點3)分離器為求解點

分離壓力與產量關系以油藏為起點，分離器為終點，計算并繪制分離器壓力與產量關系曲線交點：給定分離器壓力下的產量（實際生產中，分離器壓力通常調為定值）分離器壓力對不同油井產量的影響研究分離器壓力對各類油井生產的影響說明：分離器壓力對后續(xù)工程設備選擇和效率有影響，需要進行經濟技術的綜合考慮。求解點選在分離器處的目的4)平均油藏壓力為求解點4)平均油藏壓力為求解點

變化的影響以油藏壓力為求解點的目的：①研究在給定條件下油藏平均壓力對油井生產的影響②預測不同油藏平均壓力下的油井產量。分離器壓力→井口壓力→井底壓力→油藏平均壓力,油藏平均壓力與流量關系曲線。假設一組產量(三)從油藏到分離器有油嘴系統的節(jié)點分析方法

臨界流動：流體的流速達到壓力波在流體介質中的傳播速度，即聲波速度時的流動狀態(tài)圖2-19嘴流示意圖1.嘴流規(guī)律油壓回壓油氣混合物通過油嘴時，由于在此處氣體膨脹，混合物體積流量很大，而油嘴直徑又很小，因而，混合物流經油嘴時流速極高，可能達到臨界流動根據熱力學理論，氣體流動的臨界壓力比為：空氣流過噴管的臨界壓力比為：

天然氣流過噴管的臨界壓力比為：在臨界流動條件下，流量不受嘴后壓力(回壓)變化的影響。

關系質量流量噴管后壓力噴管前壓力在臨界壓力比條件下最大流量，就是在聲速下的流量對于含水井：根據礦場資料統計，嘴流相關式可表示為：根據油井資料分析，常用的嘴流公式為：油嘴、油壓與產量的關系曲線以上的油嘴流動等式有很強的經驗性，與油田條件有關，因而在實際運用中應根據油田的具體情況進行校正，得到適合本地區(qū)的計算公式當油嘴直徑與氣油比一定時，產量Q和井口壓力pt成線性關系。但只有滿足油嘴的臨界流動，整個生產系統才能穩(wěn)定生產，即使回壓有所變化，油井產量也不會發(fā)生變化2.有油嘴系統的節(jié)點分析方法功能節(jié)點：存在壓差的節(jié)點。壓力不連續(xù)的節(jié)點。一般地，功能節(jié)點位置上裝有起特殊作用的設備，如油嘴、抽油泵等。油井生產系統中，當存在功能節(jié)點時，一般以功能節(jié)點為求解點。最大的區(qū)別在于其有油嘴，井下安全閥，井下節(jié)流器。（圖2-1）這些節(jié)點上的壓力是不連續(xù)的，液流穿過節(jié)點時產生壓差功能節(jié)點系統分析思路：①以系統兩端為起點分別計算不同流量下節(jié)點上、下游的壓力，并求得節(jié)點壓差－流量曲線。②根據描述節(jié)點設備(油嘴、安全閥等)的流量—壓差相關式，求得設備工作曲線。③兩條壓差－流量曲線的交點為問題的解，即節(jié)點設備產生的壓差及相應的油井產量。自噴井三個流動過程關系①根據設定的一系列產量Q，分別從油層和分離器開始計算出油嘴處的一系列的油壓和回壓。②將滿足回壓低于油壓一半（油嘴臨界壓力比近似取0.5）的點繪制成pt-Q的曲線B.③油嘴直徑d一定，繪制臨界流動下油嘴特性曲線G；(油嘴的參數曲線)④油管曲線B與油嘴特性曲線G的交點C即為該油嘴下的產量與油壓。

有油嘴系統以油嘴為求解點的節(jié)點分析方法的步驟：油層滲流消耗的壓力油管流動消耗的壓力(四)節(jié)點分析在設計及預測中的應用①先繪出滿足油嘴臨界流動的Pt～Q油管工作曲線B；1.不同油嘴下的產量預測與油嘴選擇圖2-23不同油嘴直徑時的產量②作出相應的油嘴曲線；③根據交點所對應的產量確定與之對應的(或較接近的)油嘴直徑。注：油嘴的更換應不引起繪制曲線B的各參數的變化油壓較低時（pt1），大直徑油管的產量比小直徑的要高；油壓較高時(pt2)，大直徑油管的產量比小直徑的要低。原因：大直徑管中滑脫損失使總損失增大。2.油管直徑的選擇不同油管直徑對產量的影響注：在某種條件下，大直徑油管不一定比小直徑油管的產量高當油嘴直徑不變時，油藏壓力降低后產量隨著降低，如果要保持原來的產量，就必須換用較大的油嘴直徑。3.預測油藏壓力變化對產量的影響油藏壓力下降對產量的影響IPR曲線油嘴特性曲線油管工作曲線地層壓力Pr連續(xù)下降，IPR曲線分別變?yōu)锳1,A2,A3.相應的油管工作曲線要向橫軸方向移動，如B1,B2,B3.若要求油壓大于一定值生產(E點)，則在縱軸上沿油壓值點做水平線，此時水平線與油管曲線B3不相交，則表明油藏壓力降到A3以前，油井已經不能自噴生產了。4.停噴壓力預測停噴壓力預測實際情況在實際的自噴油井工作中，情況要復雜得多。以上的節(jié)點分析系統尚未考慮的因素有：1、多油層的情況2、油井生產過程中的復雜情況，如出砂、結蠟、井下節(jié)流器及安全閥等情況。注：在節(jié)點分析計算的過程中，多相流計算是至關重要的。但要根據油田的本身情況而定，這樣才能使計算更加準確。小結(1)自噴井生產系統一般包括四個基本流動過程，每一過程遵循各自的流動規(guī)律。(2)自噴井生產系統設計與分析采用節(jié)點系統分析方法，求解點的選擇取決于需要解決的問題。(3)為了保證自噴井生產的穩(wěn)定性，對有油嘴系統的設計要求嘴流達到臨界流動條件。(4)自噴井生產系統設計的內容主要包括產量的預測、油嘴的選擇、生產管柱的選擇、出油管線的選擇、停噴條件的預測等。第二節(jié)氣舉采油原理及油井舉升系統設計方法①必須有足夠的氣源；②需要壓縮機組和地面高壓氣管線，地面設備系統復雜；③一次性投資較大；④系統效率較低。利用從地面向井筒注入高壓氣體將原油舉升至地面的一種人工舉升方式。氣舉定義：優(yōu)點：井口和井下設備比較簡單缺點：高產量的深井；氣油(液)比高的油井；定向井和水平井等。適用條件：現階段油田較少采用氣舉采油一.氣舉采油原理原理：依靠從地面注入井內的高壓氣體與油層產出流體在井筒中混合，利用氣體的膨脹使井筒中的混合液密度降低，將流到井內的原油舉升到地面。氣舉采油系統示意圖

我國先后在遼河、中原、吐哈、塔里木等油田應用了氣舉采油技術。氣舉管柱、氣舉閥、天然氣壓縮機及地面配氣站等已形成系列，高壓（12MPa以上）天然氣壓縮機部分進口。目前，我國自行研究開發(fā)了相關設計軟件和診斷方法，已獲得良好的應用效果。向井筒周期性地注入氣體，推動停注期間在井筒內聚集的油層流體段塞升至地面，從而排出井中液體。主要用于油層供給能力差，產量低的油井。氣舉分類（按注氣方式分類）氣舉連續(xù)氣舉將高壓氣體連續(xù)地注入井內，排出井筒中液體。適應于供液能力較好、產量較高的油井。間歇氣舉氣舉井與自噴井氣舉井主要依靠外來高壓氣體的能量。自噴井主要依靠油層本身的能量。為了獲得最大的油管工作效率，應當將油管下到油層中部，這樣可使油管在最大的沉沒度下工作，即使將來油層壓力下降，也能使氣體保持較高的舉油效率。二、氣舉啟動①當油井停產時，井筒中的積液將不斷增加，油套管內的液面在同一位置，當啟動壓縮機向油套環(huán)形空間注入高壓氣體時，環(huán)空液面將被擠壓下降。

(1)啟動過程氣舉井（無氣舉閥）的啟動過程a—停產時②如不考慮液體被擠入地層，環(huán)空中的液體將全部進入油管，油管內液面上升。隨著壓縮機壓力的不斷提高，環(huán)形空間內的液面將最終達到管鞋（注氣點）處，此時的井口注入壓力為啟動壓力。啟動壓力:當環(huán)形空間內的液面達到管鞋(注氣點)時的井口注入壓力。氣舉井（無閥）的啟動過程

b—環(huán)空液面到達管鞋③當高壓氣體進入油管后，由于油管內混合液密度降低，液面不斷升高，液流噴出地面。氣舉井的啟動過程

c—氣體進入油管①壓縮機向油套環(huán)形空間注入高壓氣體，隨著壓縮機壓力的不斷提高，環(huán)形空間內的液面將最終達到管鞋（注氣點）處，此時的井口注入壓力為啟動壓力。②當高壓氣體進入油管后，由于油管內混合液密度降低，井底流壓將不斷降低。(2)氣舉過程中壓縮機壓力變化③當井底流壓低于油層壓力時，液流則從油層中流出，這時混合液密度又有所增加，壓縮機的注入壓力也隨之增加，經過一段時間后趨于穩(wěn)定(氣舉工作壓力)。氣舉井啟動時的壓縮機壓力隨時間的變化曲線（3）啟動壓力計算第一種情況：不考慮液體被擠入地層，而且當環(huán)空液面降低到管鞋時，液體并未從井口溢出，啟動壓力與油管液柱相平衡。即若壓縮機的最大額定壓力小于啟動壓力，則氣舉無法舉出井筒中的液體。靜液面距管鞋的深度油管液面上升的高度第二種情況：不考慮液體被擠入地層，其靜液面接近井口，環(huán)形空間的液面還沒有被擠到油管鞋時，油管內的液面已達到井口，液體中途溢出井口。此時，啟動壓力就等于油管中的液柱壓力:油管長度第三種情況：當油層的滲透性較好，且被擠壓的液面下降很緩慢時，從環(huán)形空間擠壓出的液體有部分被油層吸收。在極端情況下，液體全部被油層吸收，當高壓氣到達油管鞋時，油管中的液面幾乎沒有升高。在這種情況下，啟動壓力由油管中靜液面下的沉沒深度確定，即：最小啟動壓力注：一般情況下，氣舉系統的啟動壓力只能介于pe'和pe''之間。三、氣舉閥(一）氣舉閥工作原理氣舉生產過程中，由于啟動壓力較高，這就要求壓縮機額定輸出壓力較大，但由于氣舉系統在正常生產時，其工作壓力比啟動壓力小得多，勢必造成壓縮機功率的浪費，增加投入成本。為了降低壓縮機的啟動壓力與工作壓力之差，必須降低啟動壓力。氣舉閥的作用：1、氣體進入舉升管柱的通道和開關；2、降低啟動壓力，增加氣舉舉升深度，從而增大油井生產壓差；3、氣舉閥可靈活地改變注氣深度，以適應油井供液能力的變化；4、間歇氣舉的工作閥可以防止過高的注氣壓力影響下一注氣周期，氣舉閥可控制周期注氣量；5、氣舉閥上的單流閥可以防止產液從舉升管倒流。氣舉閥的分類：1、按壓力控制方式，氣舉閥可分為節(jié)流閥、氣壓閥、液壓閥和復合控制閥四種類型。2、按氣舉閥在井下所起得作用，可分為卸載閥、工作閥和底閥。3、按氣舉閥自身的加載方式，可分為充氣波紋管氣舉閥和彈簧氣舉閥。4、按氣舉閥安裝作業(yè)方式，可分為固定式氣舉閥和投撈式氣舉閥。氣舉閥實質：一種用于井下的壓力調節(jié)器圖2-30壓力調節(jié)器結構示意圖閥打開條件：閥關閉條件：圖2-30壓力調節(jié)器結構示意圖(二）幾種常用的氣舉閥簡介（自學）自學要點：(1)結構狀況，類型；(2)工作條件下閥的開啟壓力；(3)工作條件下閥的關閉壓力；(4)閥的工作壓差；(5)靜氣柱壓力分布計算相關式。連續(xù)氣舉的排液過程四、氣舉設計

氣舉設計是根據給定的設備條件（可提供的注氣壓力和注氣量）和油井流入動態(tài)（IPR曲線）確定的。氣舉設計內容包括：氣舉方式和氣舉裝置類型；氣舉點深度、氣液比和產量；閥位置、類型、尺寸及裝配要求。

一口井進行氣舉設計時，先確定是采用連續(xù)氣舉還是間歇氣舉。一般對于低壓、低采油指數的油井通常都采用間歇氣舉。對于無法確定采用哪種方式最合適的井，應該進行不同的設計，從技術和經濟方面進行綜合考慮。（一）氣舉裝置類型在油管柱底部下一個集液箱，提高液體匯聚空間，以達到提高總產油量的目的。僅限于連續(xù)氣舉，下井的油管柱不帶封隔器，使氣體從油套環(huán)空注入，產液自油管舉出，油、套管是連通的。封隔器封隔油套環(huán)空，其余均與開式裝置相同。封隔器封隔油套環(huán)空，在油管柱上安裝了一個固定閥，其作用是防止氣體壓力通過油管作用于地層。半閉式裝置閉式裝置箱式裝置開式裝置氣舉裝置類型設計內容：氣舉方式和氣舉裝置類型；氣舉點深度、氣液比和產量；閥位置、類型、尺寸及裝配要求等。（二）連續(xù)氣舉設計基礎(1)油層數據：油藏平均壓力、油藏平均溫度、油井流入動態(tài)1.設計所需基本資料(2)油井基礎數據：井身結構；油、套管尺寸(3)油井生產數據：產量、含水、生產氣油比、注氣壓力、注氣量、油壓(5)流體物性：飽和壓力、地面原油密度、水的密度、天然氣的相對密度、地面原油粘度、表面張力(6)地面管線和分離器數據：地面管線尺寸及長度、分離器壓力(4)油井生產條件：出砂、結蠟等情況2.氣舉井內的壓力分布②油管內的壓力分布以注氣點為界，明顯的分為兩段。在注氣點以上，由于注入氣進入油管而增大了氣液比，故壓力梯度明顯地低于注氣點以下的壓力梯度。

①套管內的靜氣柱壓力分布(近似于直線）③氣舉井生產時的壓力平衡等式：氣舉井壓力及其分布（三）在給定產量和井口壓力下確定注氣點深度和注氣量已知：產量Q、注入壓力Pso、定油管壓力Pt和IPR曲線；計算：注氣點深度、氣液比和注氣量。計算步驟：2)根據產量Q、油層氣液比等以Pwf為起點，按多相垂直管流向上計算注氣點以下的壓力分布曲線A。1)根據要求的產量Q由IPR曲線確定相應的井底流壓Pwf。3)由工作壓力Pso計算環(huán)形空間氣柱壓力曲線B。此線與注氣點以下的壓力分布曲線A的交點即為平衡點。4)由平衡點沿注氣點以下的壓力分布曲線上移⊿P(平衡點氣體壓力與注氣點油管內壓力之差，一般取0.50.7Mpa)所得的點即為注氣點。對應的深度和壓力即為注氣點深度L和工作閥所在位置的油管壓力。5)注氣點以上的總氣液比為油層生產氣液比與注入氣液比之和。假設一組總氣液比，對每一個總氣液比都以注氣點油管壓力為起點，利用多相管流向上計算油管壓力分布曲線D1、D2…及確定井口油管壓力。6)繪制總氣液比與井口壓力關系曲線，找出與規(guī)定井口油管壓力相對應的總氣液比TGLR。定產量和井口壓力確定注氣點深度和注氣量的協調圖7)總氣液比減去油層生產氣液比得到注入氣液比。根據注入氣液比和規(guī)定的產量計算需要的注入氣量。注入氣液比=總氣液比-生產氣液比注入氣量=配產量×注入氣液比8)根據最后確定的氣液比TGLR和其它已知數據計算注氣點以上的油管壓力分布曲線，可用它來確定啟動閥的安裝位置。注：以上的計算采用的是節(jié)點分析方法。并是以井口作為求解點。（四）定井口壓力和注氣量確定注氣點深度和產量有些情況下并不規(guī)定產量，而是希望在可提供的注氣壓力和注氣量下，盡量獲得最大可能的產量。1)假定一組產量，跟據可提供的注氣量和地層生產氣液比計算出每個產量所對應的總氣液比TGLR。確定注氣點深度和產量的設計步驟：2)以給定的地面注入壓力Pso利用書中式（2-16b）計算環(huán)形空間氣柱壓力分布曲線B,用注入壓力減△P（0.5-0.7MPa）作B的平行線，即為注氣點深度線C.3)以定井口壓力為起點，利用多相垂直管流，根據對應產量的總氣液比，向下計算每個產量下的油管壓力分布曲線D1、D2、D3….它們與注氣點深度線C的交點，即為各個產量所對應的注氣點a1、a2、a3…和注氣深度L1、L2、L3…。4)從每個產量對應的注氣點壓力和深度開始，利用井筒多相流根據油層生產氣液比向下計算每個產量對應的注氣點以下的壓力分布曲線A1、A2、A3…及井底流壓Pwf1、Pwf2、Pwf3…。5)在IPR曲線圖上，根據上步計算結果繪出產量與計算流壓的關系曲線(油管工作曲線)。它與IPR曲線的交點所對應的產量和壓力，即為該井在給定注氣量和井口油管壓力下的最大產量Q及相應的井底流動壓力Pwf，即協調產量和流壓。根據給定的注氣量和協調產量Q，可計算出相應的注入氣液比，進而計算出總氣液比TGLR.6)根據