石油工程概论 第九章自喷及气举采油技术

★油井流入动态★井筒气液两相流基本概念★嘴流规律★自喷井生产系统分析★气举采油原理第九章自喷与气举采油技术第一节油井流入动态（IPR曲线）油井流入动态曲线（IPR曲线）：表示产量与井底流压关系的曲线，简称IPR曲线。油井流入动态：油井产量与井底流动压力的关系。它反映了油藏向井的供油能力，反映了油藏压力、油层物性、流体物性、完井质量等对油层渗流规律的影响，是采油工程与油藏工程的衔接点。图9-2典型的流入动态曲线采油(液)指数：单位生产压差下的油井产油(液)量，反映油层性质、厚度、流体物性、完井条件及泄油面积等与产量之间关系的综合指标。单相流动时，油层物性及流体性质基本不随压力变化，产量公式可表示为:)(wfroPPJq一、单相液体流入动态2DqCqPPwfr当油井产量很高时，井底附近将出现非达西渗流：二、油气两相渗流时的流入动态2max8.02.01rwfrwfooPPPPqqVogel方程：)5.2~1(FE（3）Harrison方法（2）Standing方法)5.1~5.0(FE(1)Vogel方法：适合于理想完善井的情况第二节井筒气液两相流基本概念井筒多相流理论：研究各种举升方式油井生产规律基本理论研究特点：流动复杂性、无严格数学解研究途径：基本流动方程实验资料相关因次分析近似关系一、井筒气液两相流动的特性(一)气液两相流动与单相液流的比较比较项目单相液流气液两相流能量来源井底流压井底流压气体膨胀能能量损失重力损失摩擦损失重力损失摩擦损失动能损失流动型态基本不变流型变化能量关系简单复杂流动型态（流动结构、流型）：流动过程中油、气的分布状态。(二)气液混合物在垂直管中的流动结构变化①纯液流当井筒压力大于饱和压力时，天然气溶解在原油中，产液呈单相液流。影响流型的因素：气液体积比、流速、气液界面性质等。②泡流井筒压力稍低于饱和压力时，溶解气开始从油中分离出来，气体都以小气泡分散在液相中。滑脱现象：混合流体流动过程中，由于流体间的密度差异，引起的小密度流体流速大于大密度流体流速的现象。如：油气滑脱、气液滑脱、油水滑脱等。特点：气体是分散相，液体是连续相；气体主要影响混合物密度，对摩擦阻力影响不大；滑脱现象比较严重。③段塞流当混合物继续向上流动，压力逐渐降低，气体不断膨胀，小气泡将合并成大气泡，直到能够占据整个油管断面时，井筒内将形成一段液一段气的结构。特点：气体呈分散相，液体呈连续相；一段气一段液交替出现；气体膨胀能得到较好的利用；滑脱损失变小；摩擦损失变大。④环流油管中心是连续的气流而管壁为油环的流动结构。特点：气液两相都是连续相；气体举油作用主要是靠摩擦携带；滑脱损失变小；摩擦损失变大。⑤雾流气体的体积流量增加到足够大时，油管中内流动的气流芯子将变得很粗，沿管壁流动的油环变得很薄，绝大部分油以小油滴分散在气流中。特点：气体是连续相，液体是分散相；气体以很高的速度携带液滴喷出井口；气、液之间的相对运动速度很小；气相是整个流动的控制因素。总结：油井生产中可能出现的流型自下而上依次为：纯油(液)流、泡流、段塞流、环流和雾流。实际上，在同一口井内，一般不会出现完整的流型变化。图9-4油气沿井筒喷出时的流型变化示意图Ⅰ—纯油流；Ⅱ—泡流；Ⅲ—段塞流；Ⅳ—环流；Ⅴ—雾流量从断面２流出的流体能＝的能量在断面１和２之间耗失－体额外所做的功在断面１和２之间对流＋进入断面１的流体能量二、井筒气液两相流压力梯度计算两个流动断面间的能量平衡关系：(一)能量平衡方程推导222,,VPU222,2mghmV121111,2,,mghmVVPU倾斜管流能量平衡关系示意图2sin2mmmmmmmvdfdZdvvgdhdP适合于各种管流的通用压力梯度方程：加速度摩擦举高)()()(dZdPdZdPdZdPdZdP则：令：2)()(sin)(2vdfdZdIdZdPdZdvvdZdPgdZdPw摩擦加速度举高第三节嘴流规律临界流动：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。图9-5嘴流示意图关系曲线)/(12PPfG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：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。人工举升采油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。第四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地面水平或倾斜管流地层渗流井筒多相管流嘴流—生产流体通过油嘴(节流器)的流动图9-7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9-8自喷井生产系统节点位置节点系统分析对象：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。协调曲线示意图0510152025010203040506070产量压力节点流入曲线节点流出曲线协调点（1）井底为求解点图9-9管鞋压力与产量关系曲线节点（井底）流入曲线:IPR曲线节点（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。当油压为已知时，可以井底为求解点。图9-10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曲线B的形状：油管的上下压差(Pa-Pb)并不总是随着产量的增加而加大。产量低时，管内流速低，滑脱损失大；产量高时，摩擦损失大，这两种情况均可造成管内压力损耗大。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。三、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不同油嘴直径时的产量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。原因：滑脱损失。2.油管直径的选择不同油管直径对产量的影响当油嘴直径不变时，油藏压力降低后产量随着降低，如果要保持原来的产量，就必须换用较大的油嘴直径。3.预测油藏压力变化对产量的影响油藏压力下降对产量的影响油井生产过程中，Pr连续下降，相应的油管曲线要向横轴方向移动，若要求油压大于一定值生产，则在纵轴上沿油压值点做水平线，若水平线与油管曲线不相交，则表明油井不能自喷生产。4.停喷压力预测停喷压力预测第五节气举采油原理①必须有足够的气源；②需要压缩机组和地面高压气管线，地面设备系统复杂；③一次性投资较大；④系统效率较低。利用从地面向井筒注入高压气体将原油举升至地面的一种人工举升方式。气举定义：优点：井口和井下设备比较简单缺点：高产量的深井；气油(液)比高的油井；定向井和水平井等。适用条件：一、气举采油原理依靠从地面注入井内的高压气体与油层产出流体在井筒中混合，利用气体的膨胀使井筒中的混合液密度降低，将流到井内的原油举升到地面。图9-12气举采油系统示意图向井筒周期性地注入气体，推动停注期间在井筒内聚集的油层流体段塞升至地面，从而排出井中液体。主要用于油层供给能力差，产量低的油井。气举分类（按注气方式分）气举连续气举将高压气体连续地注入井内，排出井筒中液体。适应于供液能力较好、产量较高的油井。间歇气举二、气举启动①当油井停产时，井筒中的积液将不断增加，油套管内的液面在同一位置，当启动压缩机向油套环形空间注入高压气体时，环空液面将被挤压下降。(1)启动过程图9-13气举井（无凡尔）的启动过程a—停产时②如不考虑液体被挤入地层，环空中的液体将全部进入油管，油管内液面上升。随着压缩机压力的不断提高，当环形空间内的液面将最终达到管鞋（注气点）处，此时的井口注入压力为启动压力。图9-13气举井（无阀）的启动过程b—环形液面到达管鞋启动压力:当环形空间内的液面达到管鞋(注气点)时的井口注入压力。③当高压气体进入油管后，由于油管内混合液密度降低，液面不断升高，液流喷出地面，井底流压随着高压气体的进一步注入，也将不断降低，最后达到一个协调稳定状态。图9-13气举井（无阀）的启动过程c—气体进入油管②当高压气体进入油管后，由于油管内混合液密度降低，井底流压将不断降低。图9-14气举井启动时的压缩机压力随时间的变化曲线(2)气举过程中压缩机压力变化①压缩机向油套环形空间注入高压气体，随着压缩机压力的不断提高，环形空间内的液面将最终达到管鞋（注气点）处，此时的井口注入压力为启动压力。③当井底流压低于油层压力时，液流则从油层中流出，这时混合液密度又有所增加，压缩机的注入压力也随之增加，经过一段时间后趋于稳定(气举工作压力)。22*dDghPegLPe（3）启动压力计算第一种情况：不考虑液体被挤入地层，而且当环空液面降低到管鞋时，液体并未从井口溢出，启动压力与油管液柱相平衡。即第二种情况：不考虑液体被挤入地层，其静液面接近井口，环形空间的液面还没有被挤到油管鞋时，油管内的液面已达到井口，液体中途溢出井口。此时，启动压力就等于油管中的液柱压力:ghPe*当油层的渗透性较好时，且被液体挤压的液面下降很缓慢时，则从环形空间挤压出的液体有部分被油层吸收。在极端情况下，液体全部被油层吸收，当高压气到达油管鞋时，油管中的液面几乎没有升高。在这种情况下，启动压力由油管中静液面下的沉没深度确定，即：一般情况下，气举系统的启动压力介于和之间。ePeP三、气举阀(一）气举阀工作原理气举生产过程中，由于启动压力较高，这就要求压缩机额定输出压力较大，但由于气举系统在正常生产时，其工作压力比启动压力小得多，势必造成压缩机功率的浪费，增加投入成本。为了降低压缩机的启动压力与工作压力之差，必须降低启动压力。气举阀的作用：逐步排除油套环形空间的液体；降低启动压力。气举凡尔实质：一种用于井下的压力调节器压力调节器结构示意图pdpbuAPAAPF)(凡尔关闭条件：FAPAAPpdpbu)(凡尔打开条件：①按安装方式分为：绳索投入式、固定式。②按使凡尔保持打开或关闭的加压元件分为：封包充气凡尔、弹簧加压凡尔、充气室和弹簧联合加压的双元件凡尔。③按井下凡尔对套压和油压的敏感程度又分为：套压控制凡尔与油压控制凡尔。气举凡尔的分类