采油工程-第02章自喷与气举采油

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自喷采油法（FlowingProduction)采油方法人工举升法气举（GasLift）电潜泵（ElectricalSubmersiblePumping）水力活塞泵（HydraulicPumping）射流泵（JetPumping）无杆泵游梁式深井泵采油（Beam-pumping）螺杆泵采油（ScrewPumping）有杆泵利用油层自身能量将原油举升到地面的采油方式。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。自喷井条件分析1.单相液体垂直管流：自喷条件：稳定自喷条件：垂直管流动bwhPPwhlwfPgHP22wfwhllHvPPgHfDtconsdHdPtan/自喷井条件分析2.气液混合物垂直管流：（1）必要条件：稳定自喷条件：垂直管流动whmwfPgHPmmmmwhwfvDHfgHPP22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地面水平或倾斜管流地层渗流井筒多相管流嘴流自喷井生产系统的基本流动过程（1）地层中的渗流：10-50%（2）井筒中的流动：30-80%（3）嘴流：5-30%（4）地面管线流动：5-10%利用油层本身的能量使地层原油喷到地面的方法称为自喷采油法。自喷采油原理：主要依靠溶解在原油中的气体随压力的降低分离出来而发生的膨胀。在整个生产系统中，原油依靠油层所提供的压能克服重力及流动阻力自行流动，不需人为补充能量，因此自喷采油是最简单、最方便、最经济的采油方法。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油井连续稳定自喷条件：四个流动系统相互衔接又相互协调起来。协调条件质量守恒能量守恒各子系统质量流量相等各子系统压力相衔接，前系统的残余压力可作为后序系统的动力油井稳定生产时，整个流动系统必须满足混合物的质量和能量守恒原理。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。20世纪80年代以来，为进行油井生产系统设计及生产动态预测，广泛使用了节点系统分析的方法节点划分依据：不同系统的流动规律不同节点（node）：油气井生产过程中的某个位置。普通节点：两段不同流动过程的衔接点，不产生与流量有关的压降。函数节点：节流装置两端压降与流量有关，称为函数节点解节点（solutionnode）：系统中间的某个节点，将系统分为流入和流出两部分。节点系统分析对象：整个油井生产系统自喷井生产系统油藏渗流子系统井筒流动子系统油嘴流动子系统地面管流子系统常用节点分离器压力：psep井口回压：ph井口油压：pt井底流压：pwf油藏平均压力：prpr-pwfIPR曲线pwf-pt多相管流计算方法pt-ph嘴流特性曲线pB-psep多相管流计算方法图2-2自喷井生产系统节点位置需要解决的问题：预测在某些节点压力确定条件下油井的产量以及其它节点的压力。节点系统分析实质：协调理论在采油应用方面的发展通常节点1分离器压力psep、节点8油藏平均压力pr为定值，不是产量的函数，故任何求解问题必须从节点1或节点8开始。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求解问题方法：针对求解点，绘制该节点的流入曲线和流出曲线，求得其交汇点，得到对应的产量。(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给定已知条件：油藏深度；油藏压力；单相流时的采油指数；油管直径；以及饱和压力；气油比；含水；油气水密度。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。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。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，这两种因素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。Q1(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：油藏深度；油藏压力；单相流时的采油指数油管直径；分离器压力；出油管线直径及长度；气油比；含水；饱和压力以及油气水密度。2-6简单管流系统选取了中间节点(井底)为求解点，求解时，要从两端(井底和分离器)开始，设定一组流量，对这两部分分别计算至求解点上的压力(井底流压)与流量的关系曲线。整个生产系统将从井底分成两部分：(1)油藏中的流动；(2)从油管入口到分离器的管流系统。图2-7求解点在井底的解节点（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。②研究油井由于污染或采取增产措施对完善性的影响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预测未来产量图2-9油井流动效率改变的影响2)井口为求解点整个生产系统以井口为界分为油管和油藏部分以及地面管线和分离器部分图2-10地面管线和分离器部分图2-11油管和油藏部分图2-12求解点在井口的解流入曲线：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水平管流动态曲线。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。图2-13不同直径的油管和出油管线的井口解3)分离器为求解点图3-15分离压力与产量关系以油藏为起点，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分离器压力对多井生产的影响说明：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。4)平均油藏压力为求解点图2-18变化的影响rP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。图2-19嘴流示意图1.嘴流规律油嘴的孔眼直径很小，一般只有几毫米，油气在嘴前压力pt和嘴后压力ph作用下通过油嘴。图2-20关系)/(12PPfG1112kkckpp528.01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，临界压力pc。嘴前压力：p1嘴后压力：p2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，绘制压差－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。③两条压差－流量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pwf；②由Q及pwf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d的交点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图2-23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；2.油管直径的选择图2-24不同油管直径对产量的影响Q1Q2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、摩擦损失相互作用。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。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。4.停喷压力预测图2-26停喷压力预测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。小结(1)自喷井生产系统一般包括四个基本流动过程，每一过程遵循各自的流动规律。(2)自喷井生产系统设计与分析采用节点系统分析方法，求解点的选择取决于需要解决的问题。(3)为了保证自喷井生产的稳定性，对有油嘴系统的设计要求嘴流达到临界流动条件。(4)自喷井生产系统设计的内容主要包括产量的预测、油嘴的选择、生产管柱的选择、出油管线的选择、停喷条件的预测等。第二节气举采油原理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：从地面注入井内的高压气体与油层产出液在井筒中混合，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。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。优点井口和井下设备比较简单，适用性强，运行费用低。缺点高产量的深井；含砂量少、含水低、气油比高和含有腐蚀性成分低的油井；定向井和水平井等。适用条件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。间歇气举一、气举分类(按注气方式)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2-28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2-28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