石油工程概論講義13(120409)課件

1、石油工程概論（采油工程）石油工程學院蒲春生2012.04課程內(nèi)容簡介采油方法增產(chǎn)措施自噴采油氣舉采油有桿泵采油無桿泵采油注水酸化、酸壓砂、蠟、水、稠、低水力壓裂油層的性質(zhì)及儲量編制油田開發(fā)方案油田開發(fā)工程提高采收率方法制定油田開發(fā)方案采油工藝物理方法化學方法主要參考書張琪采油工程原理與設(shè)計(石油大學出版社)王鴻勛，張琪采油工藝原理(石油工業(yè)出版社)王瑞和，李明忠石油工程概論(石油大學出版社)吳曉東，劉亞軍石油工程概論(石油大學出版社)緒 論采油工程的定義 油田開發(fā)是一項龐大而復雜的系統(tǒng)工程，采油工程是其重要的組成部分和實施的核心。油田開采過程中根據(jù)開發(fā)目標，通過產(chǎn)油井和注入井對油藏采取的各項工

2、程技術(shù)措施的總稱。什么是采油工程?緒 論采油工程系統(tǒng)的組成人工建造系統(tǒng)：井底、井筒、井口裝置、采油設(shè)備、注水設(shè)備以及地面集輸、分離和儲存設(shè)備等。 油藏：具有一定儲存和流動特性的孔隙或裂縫介質(zhì)系統(tǒng)。原油流入井底經(jīng)濟有效舉升地面分離計量經(jīng)濟有效地提高油井產(chǎn)量和原油采收率采油工程目標采油工程任務緒 論采油工程的任務、目標緒 論采油工程的方法采油工程的方法通過對注水井和采油井采取的一系列措施，保持油田的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，實現(xiàn)油田的開發(fā)指標。緒 論采油工程特點 涉及的技術(shù)面廣、綜合性強而又復雜 與油藏工程、地面工程和鉆井工程等緊密聯(lián)系 工作對象是隨油藏動態(tài)不斷變化的注水井與采油井 工程實踐性強、技術(shù)難度大 涉

3、及油田開發(fā)的重要決策和經(jīng)濟效益采油方法有桿泵采油 無桿泵采油 機械采油自噴采油氣舉法采油 深井泵采油 緒 論采油方法緒論完油井流入動態(tài)與井筒多相流動第一章油井生產(chǎn)系統(tǒng) 1分離器2地面油嘴3井口4安全閥5節(jié)流器6井底流壓7平均壓力8地層壓力9集輸管網(wǎng)10油罐第一節(jié) 油井流入動態(tài)（IPR曲線） 采油系統(tǒng)的四種基本流動：地層內(nèi)滲流(PrPwf)油嘴內(nèi)流動 (PtPB)地面管道內(nèi)流動(PBPsep)垂直管內(nèi)流動(Pwf Pt)油井流入動態(tài)(地下滲流)泡、段塞、環(huán)、霧流等嘴流多相水平管流基本概念1、油井流入動態(tài) 油井產(chǎn)量與井底流動壓力的關(guān)系。它反映了油由地層向井底流動的能力，受油藏壓力、油層物性、流體物

4、性、完井質(zhì)量等對油層滲流規(guī)律的影響，是采油工程與油藏工程的銜接點。通過油井流入動態(tài)研究為油藏工程提供檢驗資料；為采油工程的下一步工作提供依據(jù)；檢查鉆井、固井、完井和各項工藝措施等技術(shù)水平的優(yōu)劣?；靖拍?、油井流入動態(tài)曲線（IPR曲線） （Inflow Performance Relationship Curve) 表示產(chǎn)量與井底流壓關(guān)系的曲線，簡稱IPR曲線。3、采油(液)指數(shù) （J)J的確定 改變油井工作制度，當油井穩(wěn)定生產(chǎn)后，測定一系列流壓與產(chǎn)量值繪成一條直線，該直線斜率的負倒數(shù)即為采油指數(shù)J 單位生產(chǎn)壓差下的油井產(chǎn)油(液)量，反映油層性質(zhì)、厚度、流體物性、完井條件及泄油面積等與產(chǎn)量有關(guān)

5、的綜合指標基本概念4）求解地層參數(shù)Kh值（由采油指數(shù)J確定）3）油田最大可能產(chǎn)量qmax2）預測地層平均壓力Pr1）預測不同流壓下油井日產(chǎn)量選擇抽油方式、地面設(shè)施、油田配產(chǎn)IPR曲線的應用供給邊緣壓力不變，圓形地層中心一口井產(chǎn)量公式轉(zhuǎn)化為地層平均壓力1、單相油流的流入動態(tài)直線型2、圓形封閉油藏，擬穩(wěn)態(tài)條件下的油井產(chǎn)量公式單相油流的流入動態(tài)直線型分析：目的的關(guān)系在單相油流條件下公式可簡化為其中常數(shù)成正比，構(gòu)成一條斜率為采油指數(shù)的負倒數(shù)的直線。單相油流的流入動態(tài)直線型一節(jié)完井筒多相流理論：研究各種舉升方式油井生產(chǎn)規(guī)律基本理論研究特點：流動復雜性、無嚴格數(shù)學解研究途徑：基本流動方程 實驗資料相關(guān)因次

6、分析 近似關(guān)系第二節(jié) 井筒氣液兩相流基本概念流動型態(tài)（流動結(jié)構(gòu)、流型）： 流動過程中油、氣的分布狀態(tài)。(一)氣液混合物在垂直管中的流動結(jié)構(gòu) 純液流 當井筒壓力大于飽和壓力時，天然氣溶解在原油中，產(chǎn)液呈單相液流。影響流型的因素： 氣液體積比、流速、氣液界面性質(zhì)等?；摤F(xiàn)象： 混合流體流動過程中，由于流體間的密度差異，引起的小密度流體流速大于大密度流體流速的現(xiàn)象。 如：油氣滑脫、氣液滑脫、油水滑脫等。特點：氣體是分散相，液體是連續(xù)相； 氣體主要影響混合物密度，對摩擦阻力影響不大； 滑脫現(xiàn)象比較嚴重。泡流 井筒壓力稍低于飽和壓力時，溶解氣開始從油中分離出來，氣體都以小氣泡分散在液相中。段塞流 當混合

7、物繼續(xù)向上流動，壓力逐漸降低，氣體不斷膨脹，小氣泡將合并成大氣泡，直到能夠占據(jù)整個油管斷面時，井筒內(nèi)將形成一段液一段氣的結(jié)構(gòu)。特點：氣體呈分散相，液體呈連續(xù)相； 一段氣一段液交替出現(xiàn)； 氣體膨脹能得到較好的利用； 滑脫損失變小； 摩擦損失變大。環(huán)流 油管中心是連續(xù)的氣流而管壁為油環(huán)的流動結(jié)構(gòu)。特點：氣液兩相都是連續(xù)相； 摩擦損失變大； 滑脫損失變??； 氣體舉油作用主要是靠摩擦攜帶。霧流 氣體的體積流量增加到足夠大時，油管中內(nèi)流動的氣流芯子將變得很粗，沿管壁流動的油環(huán)變得很薄，絕大部分油以小油滴分散在氣流中。特點：氣體是連續(xù)相，液體是分散相； 氣體以很高的速度攜帶液滴噴出井口； 氣、液之間的相對

8、運動速度很??； 氣相是整個流動的控制因素?？偨Y(jié)： 油井生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的流型自下而上依次為：純油(液)流、泡流、段塞流、環(huán)流和霧流。 實際上，在同一口井內(nèi)，一般不會出現(xiàn)完整的流型變化。 油氣沿井筒噴出時的流型變化示意圖純油流；泡流；段塞流；環(huán)流；霧流實際計算：直接求存在滑脫混合物密度或包括滑脫在內(nèi)的摩擦阻力系數(shù)。(二)滑脫損失概念因滑脫而產(chǎn)生的附加壓力損失稱為滑脫損失。單位管長上滑脫損失為：氣液兩相流流動斷面簡圖滑脫損失的實質(zhì)： 液相的流動斷面增大引起混合物密度的增加。二章完自噴與氣舉采油第二章第一節(jié) 自噴采油 1、自噴采油的定義利用油層本身的能量將油舉升到地面的方式。2、自噴采油的特點井筒和地

9、面設(shè)備簡單。井筒設(shè)備：油管、封隔器、配產(chǎn)器等；地面設(shè)備：井口裝置、油氣分離器等。油藏中的壓力損失 穿過井壁(射孔孔眼、污染區(qū))的壓力損失 穿過井下節(jié)流器的壓力損失 穿過井下安全閥的壓力損失 穿過地面油嘴的壓力損失 地面出油管線的壓力損失 油井自噴的條件、產(chǎn)量油井能否自噴？自噴的產(chǎn)量如何？ 取決于地層中的石油所具有的能量是否大于自噴井中四個流動過程的能量損失之和。 地層能量 能量損失之和 自噴地層能量與能量損失之和的差值越大，產(chǎn)量越大。 自噴井的管理1、對自噴井進行優(yōu)化設(shè)計目標：合理利用能量，使油井各油層的產(chǎn)量和全井產(chǎn)量達到配產(chǎn)要求。內(nèi)容：選擇油管直徑、油嘴直徑、配產(chǎn)器、封隔器以及油井管柱結(jié)構(gòu)等

10、。基礎(chǔ)：要了解油井的產(chǎn)能，即油井的地層壓力和采油指數(shù)自噴井的管理2、加強對油井生產(chǎn)動態(tài)的監(jiān)測 設(shè)計是否達到設(shè)計要求，了解各生產(chǎn)參數(shù)隨時間的變化。監(jiān)測參數(shù)：產(chǎn)油、產(chǎn)氣、產(chǎn)水、井口油壓、套管壓力、溫度，有條件要定期測井底流壓，并對產(chǎn)出的油、氣、水進行化驗分析。自噴井的管理3、對油井進行分析 油井產(chǎn)能變化產(chǎn)能增加正常注水見效不正常井下配產(chǎn)器或封隔器出問題產(chǎn)能減小油層壓力下降、油井附近堵塞、油嘴堵塞、油管結(jié)蠟等。自噴井的管理3、對油井進行分析含水發(fā)生變化如果含水突然很快增高，原因：油層水淹、底水錐進、配產(chǎn)器或封隔器出問題流壓、套壓、油壓發(fā)生變化正常生產(chǎn)時在一定范圍內(nèi)波動；若一個或幾個壓力發(fā)生較大變化，

11、可能是油井一部分發(fā)生堵塞，或油嘴脫落等。一節(jié)完第二節(jié) 氣舉采油 氣舉是利用從地面注入高壓氣體將井內(nèi)原油舉升至 地面的一種人工舉升方式。氣舉采油常用于高產(chǎn)量的深井和含砂少、含水低、氣油比高和含有腐蝕性成分低的油井。氣舉采油的井口和井下設(shè)備比較間單，但由于氣舉需要壓縮機組和地面高壓氣管線，地面設(shè)備系統(tǒng)復雜，一次性投資較大，而且系統(tǒng)效率較低，特別是受到氣源的限制，一般油田很少采用。氣舉采油的原理氣舉采油是從地面向油井內(nèi)注入高壓氣體，使氣體在井筒內(nèi)與油層產(chǎn)出流體相互混合，利用注入氣體的膨脹使井筒中的混合液密度降低，從而將流入到井筒內(nèi)的原油舉升到地面的一種采油方式。氣舉采油系統(tǒng)示意圖 氣舉的分類連續(xù)氣舉

12、和間歇氣舉連續(xù)氣舉就是將高壓氣體連續(xù)地注入井內(nèi)，排出井筒中液體的一種舉升方式。適用條件：供液能力較好、產(chǎn)量較高的油井。 間歇氣舉就是向井筒周期性地注入氣體，推動停注期間在井筒內(nèi)聚集的油層流體段塞升至地面，從而排出井中液體的一種舉升方式。適用條件：油層供給能力差，產(chǎn)量低的油井。 氣舉設(shè)計氣舉設(shè)計是根據(jù)給定的設(shè)備條件(可提供的注氣壓力及注氣量)和油井流入動態(tài)(IPR曲線)確定是采用連續(xù)氣舉還是間歇氣舉。對于不能立即確定究竟采用哪種方式最合適的井，則需要根據(jù)油井的具體條件做出不同設(shè)計，從技術(shù)和經(jīng)濟方面進行綜合考慮。 氣舉設(shè)計的內(nèi)容氣舉閥的裝配要求等氣舉方式和氣舉裝置類型氣舉點深度氣液比和產(chǎn)量氣舉閥的

13、位置、類型、尺寸(1) 油層數(shù)據(jù)：油藏平均壓力、油藏平均溫度、油井流入動態(tài)設(shè)計所需基本資料(2) 油井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：井身結(jié)構(gòu)；油、套管尺寸(3) 油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)：產(chǎn)量、含水、生產(chǎn)氣油比、注氣壓力、 注氣量、油壓(4) 油井生產(chǎn)條件：出砂、結(jié)蠟等情況(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(shù)據(jù)：地面管線尺寸及長度、分離器壓力三章完有桿泵采油第三章第一節(jié) 抽油裝置及泵的工作原理一、抽油裝置其它附件設(shè)備組成抽油機（地面）抽油桿（傳動動力）抽油泵（井筒內(nèi)） 工作時，動力設(shè)備的高速旋轉(zhuǎn)運動通過減速箱和游梁連桿曲柄轉(zhuǎn)化成抽油機驢頭的低

14、速往復運動，通過抽油機帶動井下深井泵作上下往復運動，把油抽到地面。1、抽油機 抽油機是有桿深井泵采油的主要地面設(shè)備，它將電能轉(zhuǎn)化為機械能，包括游梁式抽油機和無游梁式抽油機兩種。組成游梁-連桿-曲柄機構(gòu)、減速箱、動力設(shè)備和輔助裝置工作原理分類后置式和前置式1、抽油機（游梁式）1剎車裝置;2電動機;3減速箱皮帶輪;4減速箱;5輸入軸;6中間軸;7輸出軸;8曲柄;9連桿軸;10支架;11曲柄平衡塊;12連桿;13橫梁軸;14橫梁;15游梁平衡塊;16游梁;17支架;18驢頭;19懸繩器;20底座 1、抽油機（無游梁式）2、抽油桿：能量傳遞工具1-外螺紋接頭；2-卸荷槽；3-推承面臺肩；4-扳手方徑；

15、5-凸緣；6-圓弧過渡區(qū)直徑：5/8”、3/4”、7/8”、1”種類：實心、空心、鋼、玻璃鋼3、抽油泵：機械能轉(zhuǎn)化為流體壓能的設(shè)備工作筒(外筒和襯套)、柱塞游動凡爾、固定凡爾a.結(jié)構(gòu)簡單，強度高，質(zhì)量好，連接部分密封可靠；b.制造材料耐磨和抗腐蝕性好，使用壽命長；c.規(guī)格類型能滿足油井排液量的需要，適應性強；d.便于起下；e.結(jié)構(gòu)上應考慮防砂、防氣，并帶有必要的輔助設(shè)備。一般要求管式泵和桿式泵（按與油管連接方式）主要組成分類泵的類型：管式泵、桿式泵B-桿式泵A-管式泵1油管；2鎖緊卡；3柱塞4游動凡爾；5工作筒；6固定凡爾 （1）管式抽油泵：缺點工作筒在地面組裝好后接在油管柱下端，隨油管一起下

16、入井內(nèi)，然后投入固定凡爾，最后把柱塞接在抽油桿柱下端下入泵筒內(nèi)。特點優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，在相同油管直徑允許下入的泵徑較桿式泵大，因而排量大。檢泵時要起出全部油管，費工費時，適用于淺井、大排量（高產(chǎn)）、中等下泵深度的油井。（2）桿式抽油泵：下泵深度較大的低產(chǎn)油井缺點把活塞、固定凡爾和工作筒組裝成一個整體，接在抽油桿柱的下端整體通過油管下入井內(nèi)特點優(yōu)點檢泵、提泵時不必起出油管，大大縮短了作業(yè)時間，同時沒有固定凡爾打撈裝置，余隙小，適用于含氣井。結(jié)構(gòu)復雜，成本高，相同油管直徑允許下入的泵徑小。二、泵的工作原理（一）泵的抽汲過程 抽油桿柱帶活柱塞一起向上運動，由于油管內(nèi)活塞以上的液柱壓力作用在柱

17、塞上，游動閥受管內(nèi)液柱壓力而關(guān)閉，液體排出井口。泵內(nèi)進液的條件： 泵內(nèi)壓力(吸入壓力)低于沉沒壓力。1、上沖程 泵內(nèi)壓力降低，固定閥在環(huán)形空間液柱壓力(沉沒壓力)與泵內(nèi)壓力之差的作用下被打開,液體進入泵內(nèi)。2、下沖程 柱塞下行，固定閥在重力作用下關(guān)閉。泵內(nèi)壓力增加，當泵內(nèi)壓力大于柱塞以上液柱壓力時，游動閥被頂開。泵排出的條件： 泵內(nèi)壓力(排出壓力)高于柱塞以上的液柱壓力。柱塞上下抽汲一次為一個沖程，在一個沖程內(nèi)完成進油與排油的過程。 光桿沖程(S)：光桿從上死點到下死點的距離。 柱塞下部的液體通過游動閥進入柱塞上部，使泵向油管排出液體。二、泵的工作原理（二)泵的理論排量及泵效 在一個沖程內(nèi)，排

18、出的液體體積： 每分鐘的沖數(shù)為N，則每分鐘排量： 每日排量: (理論排量)泵效： 實際產(chǎn)量Q與理論產(chǎn)量Qt的比值（二)泵的理論排量及泵效 在實際生產(chǎn)中，由于油管、抽油桿的彈性伸縮、氣體進泵、砂、蠟等各種因素影響，實際產(chǎn)量往往小于理論排量Qt 。 泵效的大小反映了泵的工作狀況，泵效越大，泵的工作條件越好。第二節(jié) 抽油機懸點運動規(guī)律 游梁式抽油機是以游梁支點和曲柄軸中心線為固定桿，以曲柄、連桿和游梁后臂為三個活動桿的四連桿結(jié)構(gòu)，為了便于分析，常簡化為簡諧運動和曲柄滑塊運動機構(gòu)進行分析。 抽油機四連桿機構(gòu)簡圖固定桿曲柄連桿游梁后臂一、簡化為簡諧運動時懸點運動規(guī)律假設(shè)條件：r/l0、r/b0 抽油機四

19、連桿機構(gòu)簡圖 游梁和連桿的連接點B的運動可看做簡諧運動，即認為B點的運動規(guī)律和D點做圓周運動時在垂直中心線上的投影(C點)的運動規(guī)律相同。則B點經(jīng)過t時間(曲柄轉(zhuǎn)角)時位移為：A點的加速度為:A點的速度為:一、簡化為簡諧運動時懸點運動規(guī)律 以下死點為坐標零點，向上為坐標正方向，則：懸點A的位移為： 抽油機四連桿機構(gòu)簡圖簡諧運動時懸點位移、速度、加速度曲線一、簡化為簡諧運動時懸點運動規(guī)律懸點的速度和加速度在一個沖程內(nèi)大小和方向都發(fā)生改變。下沖程（18003600）：前半沖程為加速運動（1802700）后半沖程為減速運動（27003600）上沖程（01800 ） ：前半沖程為加速運動（0900）后

20、半沖程為減速運動（9001800）上沖程下沖程第三節(jié) 抽油機懸點載荷計算懸點所承受的載荷抽油桿的重力活塞上的液柱載荷慣性載荷其它載荷摩擦載荷抽油桿與油管柱塞與襯套抽油桿與液柱液柱與油管液體通過游動凡爾沉沒壓力井口回壓振動1、抽油桿柱的重力上沖程（桿柱在空氣中的重力）：下沖程（桿柱在液體中的重力）：2、作用在柱塞上的液柱載荷上沖程 ：游動閥關(guān)閉，作用在柱塞上的液柱引起的 懸點載荷為液體的重量： 下沖程： 游動閥打開，液柱載荷轉(zhuǎn)移于油管，對懸點沒 有作用，即液柱對懸點的載荷為零。 如果抽汲的液體為油水混合物時，則液體密度應采用混合物的密度，即：3、慣性載荷(忽略桿液彈性影響) 抽油機運轉(zhuǎn)時，驢頭帶

21、著抽油桿柱和液柱做變速運動，因而產(chǎn)生抽油桿柱和液柱的慣性力。抽油桿柱的慣性力：液柱的慣性力：油管過流斷面變化引起液柱加速度變化的系數(shù) 上沖程:前半沖程加速度為正，即加速度向上，則慣性力向下，從而增加懸點載荷；后半沖程中加速度為負，即加速度向下，則慣性力向上，從而減小懸點載荷。懸點加速度在上、下沖程中大小和方向是變化的。下沖程:由于游動凡爾打開，液柱載荷作用于油管上，對懸點無影響，抽油桿的慣性力與上沖程相反，前半沖程慣性力向上，減小懸點載荷；后半沖程慣性力向下，將增大懸點載荷。3、慣性載荷(忽略桿液彈性影響)4、摩擦載荷(1)抽油桿柱與油管的摩擦力 （桿管）上沖程主要受(1)、(2)、(4)影響

22、，增加懸點載荷(2)柱塞與襯套之間的摩擦力 （柱塞與襯套）(3)液柱與抽油桿柱之間的摩擦力 （桿液）(4)液柱與油管之間的摩擦力 （管液）(5)液體通過游動閥的摩擦力 （閥阻力）下沖程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影響，減小懸點載荷 對于直井，無論是稠油還是稀油，抽油桿與油管、柱塞與襯套間的摩擦力都 不大，一般計算都 可忽略。5、其它載荷沉沒壓力(泵口壓力)對懸點載荷的影響上沖程： 在沉沒壓力作用下，井內(nèi)液體克服泵入口設(shè)備的阻力進 入泵內(nèi)，此時液流所具有的壓力即吸入壓力。吸入壓力 作用在柱塞底部產(chǎn)生向上的載荷:下沖程： 吸入閥關(guān)閉，沉沒壓力對懸點載荷沒有影響。井口回壓對懸點載荷的影響上沖

23、程：增加懸點載荷下沖程：減小抽油桿柱載荷（沉沒壓力、井口回壓、振動） 泵效即實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的比值。正常情況下泵效為0.7-0.8，有些帶噴的井1，而大數(shù)井1,甚至有的低于0.3，其影響因素從泵的三個基本環(huán)節(jié)（活塞讓出體積、原油進泵和泵內(nèi)排液）可歸納為：第四節(jié) 影響泵效的因素及提高泵效的措施(3) 漏失影響(1) 抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮(2) 氣體和充不滿的影響(4) 體積系數(shù)的影響一、泵效及其影響因素泵效：一、泵效及其影響因素活塞沖程小于光桿沖程泵效小于1抽油桿、油管承受交變載荷作用抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮（一）抽油桿和油管彈性伸縮對活塞沖程的影響：3、抽油桿振動對活塞沖程的影響液柱載荷交變作用抽油桿柱變速運動抽油桿柱振動抽油桿柱變形2、慣性載荷對活塞沖程的影響1、靜載荷對活塞沖程的影響 在上下沖程中由于活塞以上的液柱重量交替地作用于油管和抽油桿上，引起油管和抽油桿周期性地增載和減載，從而引起彈性伸縮。一、泵效及其影響因素氣體對沖滿程度的影響（二）氣體對泵效的影響 （二）氣體對泵效的影響 有利因素： 自噴井剛轉(zhuǎn)抽時，由于壓