第2章自喷与气举采油

采油工程原理与设计中国石油大学（华东）石油工程学院采油工程系第二章自喷与气举采油主要内容：一、自喷井生产系统分析二、气举采油原理及油井举升系统设计方法人工举升自喷采油采油方法分类人工给井筒流体增加能量将井底原油举升至地面的采油方式。利用油层自身能量将原油举升到地面的采油方式。第一节自喷井生产系统分析一、自喷井生产系统组成油层到井底的流动—地层渗流井底到井口的流动—井筒多相管流井口到分离器—地面水平或倾斜管流油井生产的三个基本流动过程自喷井生产的四个基本流动过程：第一节自喷井生产系统分析图2-1完整的自喷井生产系统的压力损失示意图油藏中的压力损失穿过井壁(射孔孔眼、污染区)的压力损失穿过井下节流器的压力损失穿过井下安全阀的压力损失穿过地面油嘴的压力损失地面出油管线的压力损失地面管线总压力损失，包括和5P6P油管总压力损失，包括和3P4P油藏压力井底流压油压回压套压二、自喷井节点分析(NodalSystemAnalysis)——简称节点分析发展状况(1)最初用于分析和优化设计复杂的电路或管汇系统(2)1954年吉尔伯特(Gilbert)提议把该方法用于油井生产系统，后来布朗(Brown)等对此进行了较全面、系统的研究，建立了油气井节点系统分析的基础。(3)80年代以来，随着计算机技术的发展，它在油气井生产系统设计及生产动态预测中得到了广泛应用。节点系统分析法：应用系统工程原理，把整个油井生产系统分成若干子系统，研究各子系统间的相互关系及其对整个系统工作的影响，为系统优化运行及参数调控提供依据。节点划分依据：不同的流动规律相关式图2-2自喷井生产系统节点位置二、自喷井节点分析节点系统分析对象：整个油井生产系统节点系统分析实质：协调理论在采油应用方面的发展协调条件质量守恒能量(压力)守恒热量守恒自喷井生产系统组成：油藏渗流子系统井筒流动子系统油嘴(节流器)流动子系统地面管流子系统1.基本概念（1）油气井生产系统（油气井生产模型），是指一个宏观的研究对象。例如，自喷井生产系统，抽油机井生产系统最简单的油气井生产系统应由油气层、井筒及地面集输管线三部分组成。实际油气井生产系统都比较复杂。对系统的各组成部分的压力损失进行分析是节点系统分析的一个重要内容。（2）节点定义：各流动过程的分界点，是一个位置的概念。包括：普通节点和功能节点两类。普通节点：两段不同流动规律的衔接点。普通节点本身不产生与流量相关的压力损失。功能节点：压力不连续的节点(压力函数节点)。流体通过该节点时，会产生与流量相关的压力损失。（3）解节点定义：使问题获得解决的节点称为求解节点（简称解节点或求解点）。选定某一节点，将系统分为流入和流出两部分求解，从而使问题获得解决。2.可求解的问题对于自喷井生产系统，应用节点分析方法可求解以下几方面的问题。1）对新完钻的井，根据预测的流入动态曲线，选择完井方式，确定油管尺寸，选择合理生产压差。2）对已投产的生产井系统，找出影响产量的因素，采取措施使之达到合理利用自身压力，取得最大产量。3）改善现有生产井的某些条件，预测产量变化，如更换油嘴、油管以后的产量变化。4）预测未来油井的生产动态，根据地层压力变化，预测未来的开采动态及停喷时间。5）对各种生产方案进行经济分析，寻求最佳经济方案和最大经济效益，系统优化设计。3.必备的数学模型必须具备能够准确描述各部分流量与压力损失的数学模型，以及流体物性参数的计算公式或相关式。(1)自喷井生产系统中的油井流入动态方程;(2)井筒及地面管线压力梯度计算公式;(3)油嘴流动相关式;(4)流体在不同压力温度下的物性参数等。4.解题步骤对自喷井生产系统进行节点分析，一般步骤如下：1）建立生产井模型。按油气井生产的逻辑关系，合理设置节点，建立生产井模型。2)选择解节点。通常应选尽可能靠近分析对象的节点作为解节点。3)计算解节点上、下游的供、排液特性。流入部分==从油层开始到解节点流出部分==从解节点到分离器。流入、流出曲线的交点（称协调工作点）即是所给条件下系统可提供的产量与解节点处的压力。4)确定生产协调点。根据解节点上、下游的压力与流量的关系，绘制流入动态曲线和流出动态曲线。如果流入、流出曲线不相交，则流入、流出部分无协调点，说明系统不能按给定的条件正常生产。0510152025010203040506070产量压力节点流入曲线节点流出曲线协调点求解点的选择：主要取决于所要研究解决的问题。求解点：为使问题获得解决的节点。(一)油藏与油管两个子系统的节点分析(1)井底为求解点当油压为已知时，可以井底为求解点。图2-4管鞋压力与产量关系曲线已知条件：油藏深度；油管直径；气油比；含水；油、气、水密度；油藏压力；饱和压力(低于油层压力)及单相流时的采油指数。节点（井底）流出曲线:由井口油压所计算的井底流压与产量的关系曲线。交点：该系统在所给条件下可获得的油井产量及相应的井底流压。图2-5油压与产量的关系曲线(2)井口为求解点设定一组产量，通过IPR曲线A可计算出一组井底流压，然后通过井筒多相流计算可得一组井口油压曲线B。节点（井口）流入曲线：油压与产量的关系曲线IPR曲线Pa-Pb是在油管中消耗的压力使用：计算出任意产量下的井口油压的大小，并用于预测油井能否自喷。(二)从油藏到分离器无油嘴系统的节点分析方法(1)井底为求解点给定的已知条件：分离器压力；出油管线直径及长度；油藏深度；油管直径；气油比；含水；油、气密度；油藏压力；饱和压力(低于油层压力)及单相流时的采油指数Jl。图2-6简单管流系统整个生产系统将从井底(节点6)分成两部分：油藏中的流动；从油管入口到分离器的管流系统。节点（井底）流入曲线：油藏中流动的IPR曲线；节点（井底）流出曲线：以分离器压力为起点通过水平或倾斜管流计算得井口油压，再通过井筒多相流计算得油管入口压力与流量的关系曲线。交点：在所给条件下可获得的油井产量及相应的井底流压。选取井底为求解点的目的①预测油藏压力降低后的未来油井产量图2-8预测未来产量②研究油井由于污染或采取增产措施对油井产量的影响图2-9油井流动效率改变的影响选取井底为求解点的目的(2)井口为求解点整个生产系统分为地面管线和分离器部分、油管和油藏部分两个子系统。图2-10地面管线和分离器部分图2-11油管和油藏部分流入曲线：油藏压力为起点计算不同流量下的井口压力，即油管及油藏的动态曲线。流出曲线：以分离器压力为起点计算地面管流动态曲线。交点：产量及井口压力。求解点选在井口的目的：研究不同直径油管和出油管线对生产动态的影响，便于选择油管及出油管线的直径。(3)分离器为求解点以油藏为起点，分离器为终点，计算并绘制分离器压力与产量关系曲线交点：已知的分离器压力，所给条件下分离器压力及产量图2-16分离器压力对不同油井产量的影响研究分离器压力油井生产的影响说明：分离器压力对后续工程设备选择和效率有影响，需要进行经济技术的综合考虑。求解点选在分离器处的目的：(4)平均油藏压力为求解点以油藏压力为求解点的目的：①研究在给定条件下油藏平均压力对油井生产的影响②预测不同油藏平均压力下的油井产量。分离器压力→井口压力→井底压力→油藏平均压力,油藏平均压力与流量关系曲线。假设一组产量(三)从油藏到分离器有油嘴系统的节点分析方法临界流动：流体的流速达到压力波在流体介质中的传播速度时的流动状态。1.嘴流规律图2-19嘴流示意图1112kkckPP根据热力学理论，气体流动的临界压力比为：528.01PPc空气流过喷管的临界压力比为：546.01PPc天然气流过喷管的临界压力比为：在临界流动条件下，流量不受嘴后压力变化的影响。分析：5.05.0214wtfPRdq对于含水井：根据矿场资料统计，嘴流相关式可表示为：tnmPcRdqtPRdq5.024根据油井资料分析，常用的嘴流公式为：图2-21油嘴、油压与产量的关系曲线①当油嘴直径和气油比一定时，产量和井口油压成线性关系。②只有满足油嘴的临界流动，油井生产系统才能稳定生产，即油井产量不随井口回压而变化。2.有油嘴系统的节点分析方法功能节点：存在压差的节点。压力不连续的节点。一般地，功能节点位置上装有起特殊作用的设备，如油嘴、抽油泵等。油井生产系统中，当存在功能节点时，一般以功能节点为求解点。节点系统分析思路：①以系统两端为起点分别计算不同流量下节点上、下游的压力，并求得节点压差－流量曲线。②根据描述节点设备(油嘴、安全阀等)的流量—压差相关式，求得设备工作曲线。③两条曲线的交点为问题的解，即节点设备产生的压差及相应的油井产量。图3-22自喷井三个流动过程关系①根据设定产量Q，在油井IPR曲线上找出相应的Pf；②由Q及Pf按垂直管流得出满足油嘴临界流动的Q∼Pt油管曲线B；③油嘴直径d一定，绘制临界流动下油嘴特性曲线C；④油管曲线B与油嘴特性曲线C的交点G即为该油嘴下的产量与油压。有油嘴系统以油嘴为求解点的节点分析方法的步骤：油层渗流消耗的压力油管流动消耗的压力(四)节点分析在设计及预测中的应用①先绘出满足油嘴临界流动的Pt～Q油管工作曲线B；1.不同油嘴下的产量预测与油嘴选择②作出相应的油嘴曲线；③根据交点所对应的产量确定与之对应的(或较接近的)油嘴直径。油压较低时，大直径油管的产量比小直径的要高；油压高时，大直径油管的产量比小直径的要低。2.油管直径的选择图2-24不同油管直径对产量的影响滑脱损失、摩擦损失原因?当油嘴直径不变时，油藏压力降低后产量随着降低。3.预测油藏压力变化对产量的影响图2-25油藏压力下降对产量的影响如果要保持原来的产量，就必须换用较大的油嘴直径。4.停喷压力预测图2-26停喷压力预测三、自喷井管理1.自喷井采油设施自喷井采油设备井下管柱井口装备：采油树和控制油井合理生产的油嘴等地面油气分离与计量系统：各种分离器的流量计算基本井身结构：套管层次、规格、水泥返高等油管及配套的井下工具（节流阀、安全阀等）自喷井的井口装置——采油树总阀门：控制着油气流入采油树的通道。正常生产是打开，需要关井时关闭。生产阀门：控制油气流向出油管线，正常生产时打开，更换检查油嘴或油井停产时关闭清蜡闸门：其上方可连接清蜡方喷管等，清蜡时才打开。节流器：控制自喷井产量2.自喷井生产管理自喷井生产管理基本内容管好生产压差：以控制地层中流体的流动取全取准资料：是油井分析管理的依据保证油井正常生产：日常维护、故障排除、井下作业等合理生产压差=油井的合理工作制度：指在目前的油层压力下，油井以多大的流压进行工作。①对于注水开发的油田，合理的工作制度应当是：•保证较高的采油速度•保证注采平衡•保证注采指数稳定•保证无水采油期长•应能充分利用地层能量，又不破坏地层结构•流饱压差合理“合理”是相对的，工作制度应随着生产情况的变化和技术的发展而改变，应以充分发挥油层潜力为前提。②非注水开发油田合理工作制度应根据稳定试井和采油资料确定。原则上：合理利用地层能量，保持生产稳定原因：多油层只用一个油嘴难以控制各小层，难使各小层均合理生产。分层开采：在多油层条件下，为充分发挥各油层的生产能力，调整层间矛盾，而对各小层分别控制开采，称分层开采。3.自喷井分层开采（1）分层开采的方法单管分采：在井内只下一套油管柱，用单管多级封隔器将各个油层分隔开，在油管上与各油层对应的部位装一配产器，并在配产器内装一油嘴对各层进行控制采油。多管分采：在井内下入多套管柱，用封隔器将各个油层分隔开，通过每一套管柱和井口油嘴单独实现一个油层(或层段)的控制采油。单管分采钢材少层数多，3个以上钻井费低有层间干扰易作业施工多管分采钢材多层数少，2到3个钻井费高无层间干扰难作业施工优缺点我国主要用单管分采，特殊井或层间干扰严重的井用多管分采。（2）六分四清内容以单管分层注水为中心实现“六分四清”的一整套油田开采工艺和技术。六分：分层注水，分层采油，分层测试，分层研究，分层管理，分层改造四清：分层采油量清，分层注水量清，分层压力清，分层出水量清实质：按各层段差异，将各层段隔开，进行分层定量注水和采油。