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、气举采油原理及气举设计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，系统前一个流动的剩余压力等于后序流动起始压力一、自喷井生产系统组成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。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井口到分离器—地面水平或倾斜管流油层到井底的流动—地层渗流井底到井口的流动—井筒多相管流嘴流二、自喷井节点分析1.基本概念节点系统分析对象：整个油井生产系统节点（node）指各流动过程的分界点，是一个位置的概念。包括：普通节点和函数节点两类。（1）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。(2)函数（功能）节点（functionalnode）：压力不连续的节点(压力函数节点)。存在压差的节点；流体通过该节点时，会产生与流量相关的压力损失。一般地，功能节点位置上装有起特殊作用的设备，如油嘴、安全阀等。（3）解点（solutionnode）：求解节点。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通过井壁(射孔孔眼、污染区)的压力损失通过井下节流器的压力损失通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二、自喷井节点分析二、自喷井节点分析2.节点系统分析思想：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，为系统优化及参数调控提供依据。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3.求解问题方法：选择某个节点作为求解点，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。求解点的选择：主要取决于所要研究解决的问题。二、自喷井节点分析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二、自喷井节点分析(一)油藏与油管两个子系统的节点分析(从油藏只到井口）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油压给定时关系)/(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(油压)：p1=Pt嘴后压力(回压)：p2=Php2=p1p2=0分析：5.05.0214wtfpRdq对于含水井：根据矿场资料统计，临界流动条件下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，油井产量不随井口回压而变化，油井生产系统才能稳定生产。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.有油嘴自喷井系统分析1）节点系统分析方法：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C的交点即为该油嘴下的产量与油压。2）按照流动的衔接与协调原则的分析方法：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。第二节气举采油原理气举是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。从地面注入井内的高压气体与油层产出液在井筒中混合，利用气体的膨胀和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)启动过程停产时环空液面到达管鞋气体进入油管③高压气体进入油管，液流喷出地面，井底流压随之降低，油层产液。①当油井停产时，井筒中油套管内的液面在同一位置②向环空注气，环空液面下降，液体进入油管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2-29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（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静压相平衡。图2-28气举井（无阀）的启动过程b—环形液面到达管鞋*hgLpe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:第三种情况：当油层的渗透性较好时，且液面下降很缓慢时，则环形空间有部分液体被油层吸收。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。此时，启动压力由油管中静液面下的深度确定，即：ghpe*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）气举阀的作用气举阀的作用：降低启动压力;控制进气量。图2-41凡尔深度计算示意图气举生产过程中，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。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。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(二）几种常用的气举阀简介套压控制阀(1)工作条件下阀的开启压力；分析关闭状态（打开前瞬间）打开力：F0=Pc(Ab-Ap)+PtAp关闭力：Fc=PdAb在平衡条件下：F0=Fc即：Pc(Ab-Ap)+PtAp=PdAbbpbptdcAAAAPPP/1/tdvPRRRPP110bpAAR/..1tRTEPRRRFET1...油管效应油管效应系数(2)工作条件下阀的关闭压力；分析打开状态打开的力：F0=PcAb关闭的力：Fc=PdAb当F0=Fc时，Pc=Pd∴Pvc=Pd（关闭压力计算）(3)阀的工作压差(阀的距