采油工程第一章：油井流入動態(tài)湯專用教學(xué)課件-568

1、采油工程-第一章：油井流入動態(tài)-湯專用課件油井的生產(chǎn)系統(tǒng)組成（非自噴井）油層到井底的流動(地層滲流)井底到井口的流動(井筒多相管流)井口到分離器(地面水平或傾斜管流)油井生產(chǎn)的三個基本流動過程油井流入動態(tài)氣液兩相流的基本理論第一節(jié) 油井流入動態(tài)（IPR曲線） 基本概念油（氣）井流入動態(tài)： 在一定的油層壓力下，流體（油、氣、水）產(chǎn)量地面(qo， qg， qw，) 與相應(yīng)井底流動壓力(pwf) 的關(guān)系，反映了油藏向該井供油的能力。油井流入動態(tài)曲線：油井產(chǎn)量與井底流動壓力的曲線。簡稱IPR曲線 Inflow Performance Relationship Curve。也稱指示曲線IPR曲線IPR曲

2、線基本形狀與油藏驅(qū)動類型有關(guān)。即使在同一驅(qū)動方式下，還將取決于油藏壓力、油層厚度、滲透率及流體物理性質(zhì)等。IPR曲線的用途 ： IPR曲線是油氣層特性的綜合反映，是確定油氣井合理工作方式的依據(jù)，又是分析油氣井動態(tài)的基礎(chǔ)。一、 單相液體流入動態(tài)a.供給邊緣壓力不變、圓形地層中心一口井的產(chǎn)量公式為：（1-1）b.圓形封閉油藏、擬穩(wěn)態(tài)條件下產(chǎn)量公式為：（1-2）圖1-2 泄油面積形狀與油井的位置系數(shù)對于非圓形封閉泄油面積的油井產(chǎn)量公式，可根據(jù)泄油面積和油井位置進行校正。非圓形單相流體流入動態(tài)單相流動時，油層物性及流體性質(zhì)基本不隨壓力變化。 采油指數(shù)可定義為: 單位生產(chǎn)壓差下的油井產(chǎn)油量，是反映油層性

3、質(zhì)、厚度、流體參數(shù)、完井條件及泄油面積等與產(chǎn)量之間的關(guān)系的綜合指標。生產(chǎn)壓差I(lǐng)PR曲線為直線型流體性質(zhì)不隨壓力變化采油指數(shù)J的獲得：對于單相液體流動的直線型IPR曲線，采油指數(shù)可定義為產(chǎn)油量與生產(chǎn)壓差之比，也可定義為每增加單位生產(chǎn)壓差時，油井產(chǎn)量的增加值，或IPR曲線斜率的負倒數(shù)。注意事項：因此，對于具有非直線型IPR曲線的油井，在使用采油指數(shù)時，應(yīng)該說明相應(yīng)的流動壓力，不能簡單地用某一流壓下的采油指數(shù)來直接推算不同流壓下的產(chǎn)量。（J是隨壓力變化的）試井資料：測得35個穩(wěn)定工作制度下的產(chǎn)量q及其流壓 ，便可繪制該井的實測IPR曲線.其斜率的負倒數(shù)是采油指數(shù)；在縱坐標（壓力坐標）上的截距即為油藏

4、壓力。當油井產(chǎn)量很高時，井底附近將出現(xiàn)非達西滲流（課本中圖1-1，B井的IPR曲線）：膠結(jié)地層的紊流速度系數(shù)：非膠結(jié)地層紊流速度系數(shù)：C、D值也可用試井資料獲取課堂練習(xí)一、某井位于面積A=45000m2的矩形(長寬比為2：1)泄油面積中心，井徑rw=0.1m,原油體積系數(shù)Bo=1.2，原油粘度uo=4mPa.s,地面原油密度 =860Kg/m3，油井表皮系數(shù)S=2。試根據(jù)下列測試資料繪制IPR曲線，并計算采油指數(shù)J和油層參數(shù)Koh，推算油藏平均壓力。測試數(shù)據(jù)表井底流壓Pwf,MPa20.1116.9114.3712.52油井產(chǎn)量Qo，t/d24.440.553.162.4二、 油氣兩相滲流時的

5、流入動態(tài)o、Bo 、Kro都是壓力的函數(shù)。用上述方法繪制IPR曲線十分繁瑣。通常結(jié)合生產(chǎn)資料來繪制 IPR曲線。平面徑向流，直井油氣兩相滲流時油井產(chǎn)量公式為：(一)垂直井油氣兩相滲流時的流入動態(tài)溶解氣驅(qū)油藏（流體物性和相滲透率隨壓力變化而變化）1、Vogel 方法(1968)假設(shè)條件：a.圓形封閉油藏，油井位于中心；b.均質(zhì)油層，含水飽和度恒定；c.忽略重力影響；d.忽略巖石和水的壓縮性； e.油、氣組成及平衡不變；f.油、氣兩相的壓力相同；g.擬穩(wěn)態(tài)下流動，在給定的某一瞬間，各點的脫氣原油流量相同。通過對不同類型的21個溶解氣驅(qū)動油藏進行模擬計算，得到的結(jié)果的總結(jié)2、Vogel 曲線溶解氣驅(qū)

6、油藏的無因次IPR曲線經(jīng)典方程3、Vogel 方程 a.計算c.根據(jù)給定的流壓及計算的相應(yīng)產(chǎn)量繪制IPR曲線b.給定不同流壓，計算相應(yīng)的產(chǎn)量：、已知地層壓力和一個工作點( qo(test) , pwf(test) )如何利用Vogel方程繪制IPR曲線？、已知兩個工作點，油藏壓力未知a. 油藏平均壓力的確定：已知或利用兩組qopwf 測試計算，即 b.計算c. 由流入動態(tài)關(guān)系式計算相關(guān)參數(shù)圖2-4 計算的溶解氣驅(qū)油藏油井IPR曲線1-用測試點按直線外推；2-計算機計算值；3-用Vogel方程計算值Vogel曲線與數(shù)值模擬IPR曲線的對比對比結(jié)果：按Vogel方程計算的IPR曲線，最大誤差出現(xiàn)在

7、用小生產(chǎn)壓差下的測試資料來預(yù)測最大產(chǎn)量時，但一般誤差低于5。如果用測試點的資料按直線外推，最大誤差可達 7080，只是在開采末期約30%。采出程度 Np 對油井流入動態(tài)影響大，而kh/、Bo、k、So等對其影響不大。2.費特柯維奇方法溶解氣驅(qū)油藏假設(shè)(kro/oBo)與壓力p 成線性關(guān)系，則其中，所以：當 時：令：費特柯維奇基本方程3.不完善井Vogel方程的修正油水井的不完善性： 射孔完成的井打開性質(zhì)不完善井；未全部鉆穿油層的井打開程度不完善井；打開程度和打開性質(zhì)都不完善的井雙重不完善井；在鉆井或修井過程中油層受到損害或進行酸化、壓裂等措施，改變井壁附近油層滲透率，從而改變油井的完善性。Vo

8、gel方程是建立在理想的完善井之上，即油層部分井壁完全裸露，井壁附近的油層未受到損害。 圖1-5 完善井和非完善井周圍 的壓力分布示意圖油井的不完善性導(dǎo)致在井底附近會有增加或降低的壓力降引入流動效率FE的概念：FE的定義：油井的理想生產(chǎn)壓差與實際生產(chǎn)壓差之比 為“正”稱“正”表皮，油井不完善； 為“負”稱“負”表皮，油井超完善。完善井：非完善井：如何計算 （表皮附加壓力降）而：令：非完善井表皮附加壓力降： 則：表皮系數(shù)或井壁阻力系數(shù)表皮系數(shù)或井壁阻力系數(shù)S油層受污染的或不完善井：完善井：增產(chǎn)措施后的超完善井：由于損害半徑和損害區(qū)滲透率難以確定，因而用公式無法確定表皮系數(shù)S，通常由試井方法獲得利

9、用流動效率計算直井流入動態(tài)的方法圖1-6 FE 1時的無因次IPR曲線(standing IPR曲線)Standing方法(1970) (FE=0.5 1.5) FE=1,Vogel方程，完善井的公式a.根據(jù)已知pr和pwf計算在FE=1時最大產(chǎn)量standing方法計算不完善井IPR曲線的步驟：b.根據(jù)FE計算不同Pwf對應(yīng)的Pwf,然后由下式計算相應(yīng)的產(chǎn)量。c.根據(jù)計算結(jié)果繪制IPR曲線Vogel方程的變形，其中都為已知數(shù)注：運用Standing方法的范圍只能是（FE=0.51.5）Harrison方法 (FE=1 2.5) 圖1-7 Harrison無因次IPR曲線(FE1)擴大了Sta

10、nding的曲線范圍注：用來計算高流動效率井的IPR曲線和預(yù)測低流壓下得產(chǎn)量Harrison方法的計算步驟如下：a.計算FE=1時的qomax 先求pwf/pr，然后查圖1-7中對應(yīng)的FE曲線上的相應(yīng)值 qo/qomax(FE=1)，則b.計算不同流壓下的產(chǎn)量c.根據(jù)計算結(jié)果繪制IPR曲線d.求FE對應(yīng)的最大產(chǎn)量，即pwf=0時的產(chǎn)量其中的 都是測試點，都為已知數(shù)查圖得到 (二)斜井和水平井的IPR曲線1990年，Cheng對溶解氣驅(qū)油藏中斜井和水平井進行了數(shù)值模擬，并用回歸的方法得到了類似Vogel方程的不同井斜角井的IPR回歸方程：p=pwf/pr； q=qo/qomax ；A、B、C為取

11、決于井斜角的系數(shù)優(yōu)點：使用簡單，僅需一組測點，便可得IPR曲線缺點：方程沒有歸一化斜井和水平井的流入動態(tài)與垂直井不同，不可直接用Vogel方程1989年，Bendakhlia等用兩種三維三相黑油模擬器研究了多種情況下溶解氣驅(qū)油藏中水平井的流入動態(tài)關(guān)系。得到了不同條件下IPR曲線。 圖1-8 擬合的IPR曲線與實際曲線的對比 _擬合的IPR曲線,實際曲線曲線表明：早期的IPR曲線近似于直線，隨著采出程度的增加，曲度增加，接近衰竭時曲度稍有減小。Bendakhlia建議用以下公式來擬合IPR曲線圖： 圖1-9 參數(shù)v、n與采出程度之間的關(guān)系IPR曲線的應(yīng)用油井流入動態(tài)反映了油藏向該井供油的能力。根

12、據(jù)測試資料確定IPR曲線。根據(jù)IPR曲線確定流壓和產(chǎn)量的對應(yīng)關(guān)系。prqomax二、某溶解氣驅(qū)油藏一口井測試平均油藏壓力為21MPa，產(chǎn)量Qo=60 t/d ，F(xiàn)E=0.9，Pwf=15MPa.試根據(jù)standing方法計算和繪制IPR曲線，并預(yù)測產(chǎn)量為70 t/d時的井底流壓。三、prpbpwf時的流入動態(tài)（1）基本公式 當油藏壓力高于飽和壓力，而流動壓力低于飽和壓力時，油藏中將同時存在單相和兩相流動，擬穩(wěn)態(tài)條件下產(chǎn)量的一般計算表達式為:需要分段積分，Why? 當pwfpb時，由于油藏中全部為單相液體流動流入動態(tài)公式為：流壓等于飽和壓力時的產(chǎn)量為：采油指數(shù)J可由測試結(jié)果求得當pwfpb后，油

13、藏中出現(xiàn)兩相流動，此時的IPR曲線變?yōu)榍€。如果用pb和qc分別代替Vogel方程中得油藏壓力pr及qmax,則可用Vogel方程來描述pwfpb時）,運用：得到J,qb,qc計算幾個不同流壓下得產(chǎn)量，匯出IPR曲線 若測試的流動壓力低于飽和壓力（即pwf（test）pb時）,運用：消掉qb,qc得到qb,qc采用前面講述的方法得到IPR曲線A-油相IPR曲線（fw=0）B-水相IPR曲線（fw=100%)C-油氣水三相綜合IPR曲線四、油氣水三相IPR 曲線Petrobras提出了計算三相流動IPR曲線的方法綜合IPR曲線的實質(zhì):是按含水率取純油IPR曲線和水IPR曲線的加權(quán)平均值。當已知測

14、試點計算曲線，可按產(chǎn)量加權(quán)平均；當預(yù)測產(chǎn)量或流壓，可按流壓加權(quán)平均。 圖1-12 油氣水三相IPR 曲線采液指數(shù)計算(由測試點確定曲線)已知 pr、pb和一個測試點pwf(test)、qt(test) (1) (2) 產(chǎn)量的加權(quán)平均算法qc在一定產(chǎn)量下確定井底流壓(自學(xué)）按產(chǎn)量的大小可將其分為3個部分1、在零至飽和壓力產(chǎn)量之間的部分（0QtQb）2、在飽和壓力下的產(chǎn)量與最大產(chǎn)油量之間的部分（QbQtQomax）3、在最大產(chǎn)油量與最大產(chǎn)量之間的部分（QomaxQtQtmax）1、在零至飽和壓力產(chǎn)量之間的部分（0QtQb）此時，產(chǎn)量與流壓呈線性關(guān)系，總產(chǎn)量Qt下的井底流壓可以通過以下公式計算：2、

15、在飽和壓力下的產(chǎn)量與最大產(chǎn)油量之間的部分（QbQtQomax）此時，對流壓進行加權(quán)平均，有公式：對于水的IPR曲線，由于是單向流，則有公式：對于油的IPR曲線，有公式：令 為X，則上式變?yōu)榻舛淮畏匠蹋喝绾谓?？則有3、在最大產(chǎn)油量與最大產(chǎn)量之間的部分（QomaxQtQtmax）此時的綜合IPR曲線的斜率可以近視為常數(shù)。此時對下式求導(dǎo)若Qt=Qomax,則此時的Pwf為：此時產(chǎn)油最多，油相流壓為0.只有水相流壓的加權(quán)。當（QomaxQtQtmax）時，pwf為：三、已知油藏平均壓力為16MPa，飽和壓力Pb 為13MPa，流壓Pwf為15MPa時的產(chǎn)量qo為25 t/d。試計算J、qb、qom

16、ax,繪制該井的IPR曲線并預(yù)測井底流壓為10MPa時的產(chǎn)量。五、多層油藏油井流入動態(tài)（1）多油層油井流入動態(tài)圖1-13 多層油藏油井流入動態(tài)流壓低于14MPa后，只有第三個層工作；流壓降低到12MPa和10MPa后，則I層和II層陸續(xù)出油。總的IPR曲線則是分層的迭加。其特點是：隨著流壓的降低，由于參加工作的小層數(shù)增多，產(chǎn)量將大幅度增加，采油指數(shù)也隨之增大。（2）含水油井流入動態(tài)圖1-14 含水油井流入動態(tài)與含水變化 ( )在層間差異較大的水驅(qū)油藏中，當水層靜壓高于油層靜壓時，在井底流壓降到油層靜壓以前，油層不出油，水層產(chǎn)生的一部分水轉(zhuǎn)滲到油層，油井含水為100%，當流壓低于油層靜壓后，油層

17、出油，含水率降低。放大壓差可以增加產(chǎn)油量，而且可以降低含水率。圖1-15 含水油井流入動態(tài)曲線 ( )當油層靜壓高于水層靜壓時，情況完全相反，油井含水將隨流壓的降低而上升。放大壓差也可以增加產(chǎn)油量，但是含水率會上升。注：當油層與水層壓力相同或油水同層時，含水率將不隨產(chǎn)量而變化小 結(jié)(1) 上述介紹的方法闡明了油井流入動態(tài)的物理意義，也是目前現(xiàn)場最常用的計算方法。(2) 油井流入動態(tài)研究主要有三種途徑： 基于Vogel、Fetkovich、Petrobras方法的完善。 建立不同類型油藏和井底條件的滲流模型。 利用單井流入動態(tài)的油藏數(shù)值模擬技術(shù)。(3) 油井流入動態(tài)是采油工程各項技術(shù)措施設(shè)計、分

18、析與評價的依據(jù)。第二節(jié) 井筒氣液兩相流基本概念什么是相？ 相是體系中具有相同化學(xué)組成和物理性質(zhì)的一部分 ，與體系的其它均勻部分有界面隔開 例：水-冰系統(tǒng)、泥漿、油-氣-水等均是多相體系油氣是深埋于地下的流體礦藏采油設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計和工況分析、油氣集輸設(shè)計等都離不開氣液兩相流的理論與計算方法隨壓力的降低，溶解氣將不斷從原油中逸出，因此，井筒中將不可避免地出現(xiàn)氣液兩相流動。（一）井筒氣液兩相流動的特性(一)氣液兩相流動與單相液流的比較(二)井筒氣液兩相流動的特性 純液流 當井筒壓力高于飽和壓力時，天然氣溶解在原油中，產(chǎn)液呈單相液流。1、當井口壓力高于原油飽和壓力，井筒中為單相液體流動壓力平衡等式：2

19、、當井口壓力低于原油飽和壓力，井筒中為氣液兩相流動泡流 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?；摚?混合流體向上流動的過程中，由于氣液間的密度差異，氣泡上升速度大于液體流速，這種氣體超越液體上升的現(xiàn)象稱為滑脫。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。段塞流 當混合物繼續(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)； 大氣泡托著油柱向上流動； 氣體膨脹能得到較好的

20、利用； 滑脫損失變小。一般自噴井，段塞流是主要的環(huán)流 隨著混合物繼續(xù)向上流動，壓力不斷下降，氣體體積繼續(xù)增大，氣泡不斷加長，并逐漸由油管中心突破，形成油管中心是連續(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； 氣體舉油作用主要是靠摩擦攜帶； 摩擦損失變大。霧流 當油氣混合物繼續(xù)上升，壓力繼續(xù)下降，氣體的體積流量增加到足夠大時，油管中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、液之間的相對運動速度很小； 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

21、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。圖1-17 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；霧流一般油井不會出現(xiàn)環(huán)流和霧流(三)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。圖1-18 氣液兩相流流動斷面簡圖由于滑脫現(xiàn)象是由氣液密度差引起的，滑脫之后將增大氣液混合物密度，從而增加混合物重力，使其在舉升過程中消耗的能量增加，從而產(chǎn)生壓力損失。無滑脫實際由于有滑脫時，氣體流速大，液體流速小，為了保持體積流量不變，氣體過流斷面將減小，而液體的過流斷面將增加 。由于滑脫存在： 假定有滑脫和無滑脫時液、氣體積流量不變。

22、由于有滑脫時，氣體流速大，液體流速小，為了保持體積流量不變，氣體過流斷面將減小，而液體過流斷面將增大?；摀p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、井筒氣液兩相流能量平衡方程及壓力分布計算步驟 兩個流動斷面間的能量平衡關(guān)系：(一)能量平衡方程推導(dǎo)任何流體流動系統(tǒng)在兩個斷面都是能量守恒的傾斜多相管流斷面1和斷面2的流體的能量平衡關(guān)系為：圖2-19 傾斜管流能量平衡關(guān)系示意圖上式中：單位管長的總壓力損失（總壓力降）：由于動能變化而損失的壓力，或稱加速度引起的壓力損失：克服流體重力所消耗的壓力：克服各種摩擦阻力而消耗的壓力則上式變?yōu)椋毫睿焊鶕?jù)流體你寫管流計算公式有：取 為正值，則有：

23、為了強調(diào)多相混合物流動，將上式的各項流動參數(shù)加上角“m”,則有：單相液體垂直管流的 ；單相液體水平管流的和 均為零。對于氣液多相管流，如果流速不大，則 很小，可以忽略不計。只要求得 就可以計算出壓力梯度，但是，多相管流中這些參數(shù)沿程是變化的。因而不易求出。(三)多相垂直管流壓力分布計算步驟由于多相管流中每相流體影響流動的物理參數(shù)(密度、粘度等)及混合物密度和流速都隨壓力和溫度而變，沿程壓力梯度并不是常數(shù)，因此，多相管流需要分段計算；同時，要先求得相應(yīng)段的流體性質(zhì)參數(shù)，然而，這些參數(shù)又是壓力和溫度的函數(shù)，壓力卻又是計算中需要求得的未知數(shù)。所以，多相管流通常采用迭代法進行計算。有兩種不同的迭代途徑：按深度增量迭代和按壓力增量迭代。以計算段下端壓力為起點，重復(fù)步，計算下一段的深度和壓力，直到各段的累加深度等于管長為止。重復(fù)的計算，直至 。1)按深度增量迭代的步驟已知任一點(井口或井底)的壓力作為起點，任選一個合適的壓力降作為計算的壓力間隔p(0.5 1.0MPa)。估計一個對應(yīng)的深度增量h估計，計算與之對應(yīng)的溫度 。計算該管段的平均溫度及平均壓力，并確定流體性質(zhì)參數(shù)。計算該段的壓力梯度dp/dh。計算對應(yīng)于的該段管長(深度差)h計算。計算該段下端對應(yīng)的深度及壓力。2)按壓力增量迭代的步驟（略）思考題：根據(jù)上述步驟整理出計算壓力