第02章自噴與氣舉采油

第二章

自噴與氣舉采油主要內(nèi)容一、自噴井生產(chǎn)系統(tǒng)分析

二、氣舉采油原理及氣舉設計協(xié)調(diào)條件質(zhì)量守恒能量守恒各子系統(tǒng)質(zhì)量流量相等各子系統(tǒng)壓力相銜接，系統(tǒng)前一個流動的剩余壓力等于后序流動起始壓力一、自噴井生產(chǎn)系統(tǒng)組成油井連續(xù)穩(wěn)定自噴條件：四個流動系統(tǒng)相互銜接又相互協(xié)調(diào)。自噴井生產(chǎn)的四個基本流動過程第一節(jié)自噴井生產(chǎn)系統(tǒng)分析井口到分離器—地面水平或傾斜管流油層到井底的流動—地層滲流井底到井口的流動—井筒多相管流嘴流二、自噴井節(jié)點分析

1.基本概念節(jié)點系統(tǒng)分析對象：整個油井生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)點（node）指各流動過程的分界點，是一個位置的概念。包括：普通節(jié)點和函數(shù)節(jié)點兩類。（1）普通節(jié)點：兩段不同流動規(guī)律的銜接點。普通節(jié)點本身不產(chǎn)生與流量相關的壓力損失。(2)函數(shù)（功能）節(jié)點（functionalnode）：壓力不連續(xù)的節(jié)點(壓力函數(shù)節(jié)點)。存在壓差的節(jié)點；流體通過該節(jié)點時，會產(chǎn)生與流量相關的壓力損失。一般地，功能節(jié)點位置上裝有起特殊作用的設備，如油嘴、安全閥等。（3）解點（solutionnode）：求解節(jié)點。圖2-1完整的自噴井生產(chǎn)系統(tǒng)的壓力損失示意圖油藏中的壓力損失通過井壁(射孔孔眼、污染區(qū))的壓力損失通過井下節(jié)流器的壓力損失通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地面管線總壓力損失，包括和油管總壓力損失，包括和二、自噴井節(jié)點分析二、自噴井節(jié)點分析2.節(jié)點系統(tǒng)分析思想：

應用系統(tǒng)工程原理，把整個油井生產(chǎn)系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，研究各子系統(tǒng)間的相互關系及其對整個系統(tǒng)工作的影響，為系統(tǒng)優(yōu)化及參數(shù)調(diào)控提供依據(jù)。協(xié)調(diào)曲線示意圖節(jié)點流入曲線節(jié)點流出曲線協(xié)調(diào)點3.求解問題方法：選擇某個節(jié)點作為求解點，繪制該節(jié)點的流入曲線和流出曲線，求得其交匯點，得到對應的產(chǎn)量。求解點的選擇：主要取決于所要研究解決的問題。二、自噴井節(jié)點分析自噴井生產(chǎn)系統(tǒng)油藏滲流子系統(tǒng)井筒流動子系統(tǒng)油嘴流動子系統(tǒng)地面管流子系統(tǒng)常用節(jié)點分離器壓力：psep井口回壓：ph井口油壓：pt井底流壓：pwf油藏平均壓力：pr

pr-

pwf

IPR曲線

pwf-

pt多相管流計算方法

pt-

ph嘴流特性曲線

pB-

psep

多相管流計算方法圖2-2自噴井生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)點位置二、自噴井節(jié)點分析

(一)油藏與油管兩個子系統(tǒng)的節(jié)點分析

(從油藏只到井口）1)井底為求解點當油壓為已知時，可以井底為求解點。圖2-4管鞋壓力與產(chǎn)量關系曲線給定已知條件：油藏深度；油藏壓力；單相流時的采油指數(shù)；油管直徑；以及飽和壓力；氣油比；含水；油氣水密度。節(jié)點（井底）流入曲線:IPR曲線節(jié)點（井底）流出曲線:由井口油壓所計算的井底流壓與產(chǎn)量的關系曲線。交點：該系統(tǒng)在所給條件下可獲得的油井產(chǎn)量及相應的井底流壓。圖2-5油壓與產(chǎn)量的關系曲線2)井口為求解點設定一組產(chǎn)量，通過IPR曲線A可計算出一組井底流壓，然后通過井筒多相流計算可得一組井口油壓曲線。節(jié)點（井口）流入曲線：油壓與產(chǎn)量的關系曲線IPR曲線Pa-Pb是在油管中消耗的壓力曲線B的形狀：油管的上下壓差(Pa-Pb)并不總是隨著產(chǎn)量的增加而加大。產(chǎn)量低時，管內(nèi)流速低，滑脫損失大；產(chǎn)量高時，摩擦損失大，這兩種因素均可造成管內(nèi)壓力損耗大。使用：計算出任意產(chǎn)量下的井口油壓的大小，并用于預測油井能否自噴。Q1(二)從油藏到分離器無油嘴系統(tǒng)的節(jié)點分析方法1)井底為求解點

給定的已知條件：油藏深度；油藏壓力；單相流時的采油指數(shù);油管直徑；分離器壓力；出油管線直徑及長度；氣油比；含水；飽和壓力以及油氣水密度。2-6簡單管流系統(tǒng)選取了中間節(jié)點(井底)為求解點，求解時，要從兩端(井底和分離器)開始，設定一組流量，對這兩部分分別計算至求解點上的壓力(井底流壓)與流量的關系曲線。整個生產(chǎn)系統(tǒng)將從井底分成兩部分：(1)油藏中的流動；(2)從油管入口到分離器的管流系統(tǒng)。圖2-7求解點在井底的解節(jié)點（井底）流入曲線：油藏中流動的IPR曲線；節(jié)點（井底）流出曲線：以分離器壓力為起點通過水平或傾斜管流計算得井口油壓，再通過井筒多相流計算得油管入口壓力與流量的關系曲線。交點：在所給條件下可獲得的油井產(chǎn)量及相應的井底流壓。②研究油井由于污染或采取增產(chǎn)措施對完善性的影響選取井底為求解點的目的①預測油藏壓力降低后的未來油井產(chǎn)量圖2-8預測未來產(chǎn)量圖2-9油井流動效率改變的影響2)井口為求解點整個生產(chǎn)系統(tǒng)以井口為界分為油管和油藏部分以及地面管線和分離器部分圖2-10地面管線和分離器部分圖2-11油管和油藏部分圖2-12求解點在井口的解流入曲線：油藏壓力為起點計算不同流量下的井口壓力，即油管及油藏的動態(tài)曲線。流出曲線：以分離器壓力為起點計算水平管流動態(tài)曲線。交點：產(chǎn)量及井口壓力。求解點選在井口的目的：研究不同直徑油管和出油管線對生產(chǎn)動態(tài)的影響，便于選擇油管及出油管線的直徑。圖2-13不同直徑的油管和出油管線的井口解3)分離器為求解點圖3-15分離壓力與產(chǎn)量關系以油藏為起點，分離器為終點，計算并繪制分離器壓力與產(chǎn)量關系曲線交點：已知的分離器壓力，所給條件下分離器壓力及產(chǎn)量圖2-16分離器壓力對不同油井產(chǎn)量的影響分離器壓力對多井生產(chǎn)的影響說明：分離器壓力對后續(xù)工程設備選擇和效率有影響，需要進行經(jīng)濟技術的綜合考慮。4)平均油藏壓力為求解點圖2-18變化的影響以油藏壓力為求解點的目的：①研究在給定條件下油藏平均壓力對油井生產(chǎn)的影響②預測不同油藏平均壓力下的油井產(chǎn)量。分離器壓力→井口壓力→井底壓力→油藏平均壓力,油藏平均壓力與流量關系曲線。假設一組產(chǎn)量(三)從油藏到分離器有油嘴系統(tǒng)的節(jié)點分析方法

臨界流動：流體的流速達到壓力波在流體介質(zhì)中的傳播速度時的流動狀態(tài)。圖2-19嘴流示意圖1.嘴流規(guī)律油嘴的孔眼直徑很小，一般只有幾毫米，油氣在嘴前壓力pt和嘴后壓力ph作用下通過油嘴。圖2-20油壓給定時

關系空氣流過噴管的臨界壓力比為：天然氣流過噴管的臨界壓力比為：在臨界流動條件下，流量不受嘴后壓力變化的影響，臨界壓力pc：嘴前壓力(油壓)：p1=Pt嘴后壓力(回壓)

：p2=Php2=p1p2=0分析：對于含水井：根據(jù)礦場資料統(tǒng)計，臨界流動條件下嘴流相關式可表示為：根據(jù)油井資料分析，常用的嘴流公式為：圖2-21油嘴、油壓與產(chǎn)量的關系曲線①當油嘴直徑和氣油比一定時，產(chǎn)量和井口油壓成線性關系。②只有滿足油嘴的臨界流動，油井產(chǎn)量不隨井口回壓而變化，油井生產(chǎn)系統(tǒng)才能穩(wěn)定生產(chǎn)。①以系統(tǒng)兩端為起點分別計算不同流量下節(jié)點上、下游的壓力，并求得節(jié)點壓差，繪制壓差－流量曲線。2.有油嘴自噴井系統(tǒng)分析1）節(jié)點系統(tǒng)分析方法：②根據(jù)描述節(jié)點設備(油嘴、安全閥等)的流量—壓差相關式，求得設備工作曲線。③兩條壓差－流量曲線的交點為問題的解，即節(jié)點設備產(chǎn)生的壓差及相應的油井產(chǎn)量。圖3-22自噴井三個流動過程關系①根據(jù)設定產(chǎn)量Q，在油井IPR曲線上找出相應的pwf；②由Q及pwf按垂直管流得出滿足油嘴臨界流動的Q—pt油管曲線B；③油嘴直徑d一定，繪制臨界流動下油嘴特性曲線C；④油管曲線B與油嘴特性曲線C的交點即為該油嘴下的產(chǎn)量與油壓。

2）按照流動的銜接與協(xié)調(diào)原則的分析方法：油層滲流消耗的壓力油管流動消耗的壓力(四)節(jié)點分析在設計及預測中的應用①先繪出滿足油嘴臨界流動的pt～Q油管工作曲線B；1.不同油嘴下的產(chǎn)量預測與油嘴選擇圖2-23不同油嘴直徑時的產(chǎn)量②作出相應的油嘴曲線；③根據(jù)交點所對應的產(chǎn)量確定與之對應的(或較接近的)油嘴直徑。油壓較低時，大直徑油管的產(chǎn)量比小直徑的要高；2.油管直徑的選擇圖2-24不同油管直徑對產(chǎn)量的影響Q1Q2油壓高時，大直徑油管的產(chǎn)量比小直徑的要低。原因：滑脫損失、摩擦損失相互作用。當油嘴直徑不變時，油藏壓力降低后產(chǎn)量隨著降低。3.預測油藏壓力變化對產(chǎn)量的影響圖2-25油藏壓力下降對產(chǎn)量的影響如果要保持原來的產(chǎn)量，就必須換用較大的油嘴直徑。油井生產(chǎn)過程中，pr連續(xù)下降，相應的油管曲線要向橫軸方向移動。4.停噴壓力預測圖2-26停噴壓力預測若要求油壓大于一定值生產(chǎn),則在縱軸上沿油壓值點做水平線，若水平線與油管曲線不相交，則表明油井不能自噴生產(chǎn)。第二節(jié)氣舉采油原理氣舉是從地面向井筒注入高壓氣體將原油舉升至地面的一種人工舉升方式。從地面注入井內(nèi)的高壓氣體與油層產(chǎn)出液在井筒中混合，利用氣體的膨脹和使井筒中的混合液密度降低，將流到井內(nèi)的原油舉升到地面。①必須有足夠的氣源；②需要壓縮機組和地面高壓氣管線，地面設備系統(tǒng)復雜；③一次性投資較大；④系統(tǒng)效率較低。優(yōu)點井口和井下設備比較簡單，適用性強，運行費用低。缺點高產(chǎn)量的深井；含砂量少、含水低、氣油比高和含有腐蝕性成分低的油井；定向井和水平井等。適用條件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。主要用于油層供給能力差，產(chǎn)量低的油井。氣舉連續(xù)氣舉將高壓氣體連續(xù)地注入井內(nèi)，排出井筒中液體。適應于供液能力較好、產(chǎn)量較高的油井。間歇氣舉一、氣舉分類(按注氣方式)二、氣舉啟動(1)啟動過程停產(chǎn)時環(huán)空液面到達管鞋氣體進入油管③高壓氣體進入油管，液流噴出地面，井底流壓隨之降低，油層產(chǎn)液。①當油井停產(chǎn)時，井筒中油套管內(nèi)的液面在同一位置②向環(huán)空注氣，環(huán)空液面下降，液體進入油管②當高壓氣體進入油管后，由于油管內(nèi)混合液密度降低，井底流壓將不斷降低。圖2-29氣舉井啟動時的壓縮機壓力隨時間的變化曲線(2)氣舉過程中壓縮機壓力變化①壓縮機向油套環(huán)形空間注入高壓氣體，隨著壓縮機壓力的不斷提高，環(huán)形空間內(nèi)的液面將最終達到管鞋（注氣點）處，此時的井口注入壓力為啟動壓力。③當井底流壓低于油層壓力時，液流則從油層中流出，這時混合液密度又有所增加，壓縮機的注入壓力也隨之增加，經(jīng)過一段時間后趨于穩(wěn)定(氣舉工作壓力)。（3）啟動壓力計算第一種情況：不考慮液體被擠入地層，而且當環(huán)空液面降低到管鞋時，液體并未從井口溢出，啟動壓力與油管液柱靜壓相平衡。圖2-28氣舉井（無閥）的啟動過程

b—環(huán)形液面到達管鞋第二種情況：不考慮液體被擠入地層，其靜液面接近井口，環(huán)形空間的液面還沒有被擠到油管鞋時，油管內(nèi)的液面已達到井口，液體中途溢出井口。此時，啟動壓力就等于油管中的液柱壓力:第三種情況：當油層的滲透性較好時，且液面下降很緩慢時，則環(huán)形空間有部分液體被油層吸收。極端情況下，液體全部被油層吸收，當高壓氣到達油管鞋時，油管中的液面幾乎沒有升高。此時，啟動壓力由油管中靜液面下的深度確定，即：一般情況下，氣舉系統(tǒng)的啟動壓力介于和之間。三、氣舉閥(一）氣舉閥的作用氣舉閥的作用：降低啟動壓力;控制進氣量。圖2-41凡爾深度計算示意圖氣舉生產(chǎn)過程中，由于啟動壓力較高，這就要求壓縮機額定輸出壓力較大，但由于氣舉系統(tǒng)在正常生產(chǎn)時，其工作壓力比啟動壓力小得多，勢必造成壓縮機功率的浪費。為了降低壓縮機的啟動壓力與工作壓力之差，必須降低啟動壓力。①按安裝方式分為：繩索投入式、固定式。②按使凡爾保持打開或關閉的加壓元件分為：封包充氣凡爾、彈簧加壓凡爾、充氣室和彈簧聯(lián)合加壓的雙元件凡爾。③按井下凡爾對套壓和油壓的敏感程度又分為：套壓控制凡爾與油壓控制凡爾。氣舉凡爾的分類(二）幾種常用的氣舉閥簡介套壓控制閥(1)工作條件下閥的開啟壓力；分析關閉狀態(tài)（打開前瞬間）打開力：F0=Pc(Ab-Ap)+PtAp

關閉力：Fc=PdAb

在平衡條件下：F0=Fc

即：

Pc(Ab-Ap)+PtAp=PdAb油管效應油管效應系數(shù)(2)工作條件下閥的關閉壓力；分析打開狀態(tài)打開的力：F0=PcAb

關閉的力：Fc=PdAb

當F0=Fc時，Pc=Pd∴Pvc=Pd

（關閉壓力計算）(3)閥的工作壓差(閥的距)當Pt=0時，ΔPmax=(T.E.F.)Pd

當Pt=Pd時，ΔPmin=0四、氣舉設計設計內(nèi)容：氣舉方式和氣舉裝置類型；氣舉點深度、z注氣量和產(chǎn)量；閥位置、類型、尺寸及裝配要求等（一）氣舉裝置類型在油管柱底部下一個集液箱，提高液體匯聚空間，以達到提高總產(chǎn)油量的目的。僅限于連續(xù)氣舉，下井的油管柱不帶封隔器，使氣體從油套環(huán)空注入，產(chǎn)液自油管舉出，油、套管是連通的。封隔器封隔油套環(huán)空，其余均與開式裝置相同。封隔器封隔油套環(huán)空，在油管柱上安裝了一個固定閥，其作用是防止氣體壓力通過油管作用于地層。半閉式裝置閉式裝置箱式裝置開式裝置氣舉裝置示意圖（二）連續(xù)氣舉設計基礎(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)1.設計所需基本資料(2)油井基礎數(shù)據(jù)：井深；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、結蠟等情況(5)流體物性：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2.氣舉設計理論-井筒壓力及分布②油管內(nèi)的壓力分布以注氣點為界，明顯的分為兩段。在注氣點以上，由于注入氣進入油管而增大了氣液比，故壓力梯度明顯地低于注氣點以下的壓力梯度。

①套管內(nèi)的靜氣柱壓力分布(近似于直線)：③氣舉井生產(chǎn)時的壓力平衡等式：圖2-36氣舉井壓力及其分布（三）在給定產(chǎn)量和井口壓力下確定注氣點深度和注氣量2)以pwf為起點(產(chǎn)量Qo、油層氣液比RP)，從井底開始向上，用多相管相關式計算井筒壓力分布線A。已知：產(chǎn)量、注入壓力、定油管壓力和IPR曲線計算：注氣點深度、氣液比和注氣量計算步驟（從井底向上計算）1)根據(jù)要求的產(chǎn)量Qo由IPR曲線確定相應的井底流壓pwf。圖2-37定注氣壓力，定井口壓力下確定注氣點深度及氣液比3)由工作壓力pso計算環(huán)形空間氣柱壓力曲線B。B線與注氣點以下的壓力分布曲線A的交點即為平衡點。圖2-37定注氣壓力，定井口壓力下確定注氣點深度及氣液比4)由平衡點沿注氣點以下的壓力分布曲線上移⊿p(平衡點氣體壓力與注氣點油管內(nèi)壓力之差，一般取0.5～0.7Mpa)所得的點即為注氣點，對應的深度為注氣點深度，對應的壓力為工作閥位置的油管壓力。圖2-37定注氣壓力，定井口壓力下確定注氣點深度及氣液比5)假設一組總氣液比（注氣點以上的總氣液比為油層生產(chǎn)氣液比與注入氣液比之和），對每一個總氣液比都以注氣點油管壓力為起點，利用多相管流向上計算油管壓力分布曲線D1、D2…及對應的井口油管壓力。圖2-37定注氣壓力，定井口壓力下確定注氣點深度及氣液比6)繪制總氣液比與井口壓力關系曲線，找出與規(guī)定井口油管壓力相對應的總氣液比TGLR。圖2-37定注氣壓力，定井口壓力下確定注氣點深度及氣液比圖2-38定注氣壓力，定井口壓力下的協(xié)調(diào)產(chǎn)量8)根據(jù)最后確定的氣液比TGLR和其它已知數(shù)據(jù)計算注氣點以上的油管壓力分布曲線，可用它來確定啟動閥的安裝位置。7)總氣液比減去油層生產(chǎn)氣液比得到注入氣液比。根據(jù)注入氣液比和規(guī)定的產(chǎn)量計算需要的注入氣量。圖2-37定注氣壓力，定井口壓力下確定注氣點深度及氣液比（四）定井口壓力和限定注氣量的條件下確定注氣點深度和產(chǎn)量已知：井口壓力、注氣量計算：注氣點深度和產(chǎn)量計算步驟（從井口向下計算）1)假定一組產(chǎn)量，根據(jù)提供的注氣量和地層生產(chǎn)氣液比計算出每個產(chǎn)量所對應的總氣液比TGLR;2)根據(jù)地面注入壓力pso計算環(huán)形空間氣柱壓力分布線B，用注入壓力減⊿p作B線的平行線，即為注氣點深度線（設計時環(huán)空氣柱壓力線）。圖2-39定注氣量，定井口壓力下確定注氣點深度3)以定井口壓力為起點，向下計算，計算每個產(chǎn)量下的油管壓力分布曲線D1、D2、D3…。它們與注氣點深度線的交點，即為各個產(chǎn)量所對應的注氣點a1、a2、a3…和注氣深度L1、L2、L3…。4)應用生產(chǎn)氣液比計算出每個產(chǎn)量所對應的注氣點以下的壓力分布曲線A1、A2、A3…及井底流壓pwf1、pwf2、pwf3…圖2-39定注氣量，定井口壓力下確定注氣點深度5)繪制油管工作曲線，與I