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自喷与气举采油第1页，本讲稿共62页人工举升采油自喷采油采油方法分类人工给井筒流体增加能量增加能量将井底原油举升至地面的采油方式。利用油层自身能自身能量量将原油举升到地面的采油方式。第2页，本讲稿共62页第一节 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第3页，本讲稿共62页图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油藏中的压力损失通过井壁通过井壁(射孔孔眼、射孔孔眼、污染区污染区)的的压力损失压力损失通过井下通过井下节流器的节流器的压力损失压力损失通过井下通过井下安全阀的安全阀的压力损失压力损失穿过地面穿过地面油嘴的压油嘴的压力损失力损失地面出油管线地面出油管线的压力损失的压力损失地面管线总压力损失，包括地面管线总压力损失，包括 和和油管总压油管总压力损失，力损失，包括包括 和和 第4页，本讲稿共62页油井连续稳定自喷条件油井连续稳定自喷条件油井连续稳定自喷条件油井连续稳定自喷条件：四个流动系统四个流动系统相互衔接相互衔接又又相相相相互协调互协调互协调互协调起来。起来。协协协协调调调调条条条条件件件件质量守恒质量守恒能量守恒能量守恒各子系统质量流量相等各子系统质量流量相等各子系统质量流量相等各子系统质量流量相等各子系统压力相衔接，前各子系统压力相衔接，前各子系统压力相衔接，前各子系统压力相衔接，前系统的残余压力可作为后系统的残余压力可作为后系统的残余压力可作为后系统的残余压力可作为后序系统的动力序系统的动力序系统的动力序系统的动力油井稳定生产时，整个流动油井稳定生产时，整个流动系统必须满足混合物的系统必须满足混合物的质量质量和能量守恒原理和能量守恒原理。第5页，本讲稿共62页二、二、自喷井节点分析自喷井节点分析节点系统分析法：节点系统分析法：节点系统分析法：节点系统分析法：应用系统工程原理，把整个油井应用系统工程原理，把整个油井生产系统分成生产系统分成若干子系统若干子系统，研究各子系统间的相，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。运行及参数调控提供依据。2020世纪世纪世纪世纪80808080年代以来，为进行油井生产系统设计及生年代以来，为进行油井生产系统设计及生产动态预测，广泛使用了产动态预测，广泛使用了节点系统分析节点系统分析的方法的方法节点划分依据：节点划分依据：节点划分依据：节点划分依据：不同系统的流动规不同系统的流动规不同系统的流动规不同系统的流动规律不同律不同律不同律不同第6页，本讲稿共62页节点系统分析对象：节点系统分析对象：整个油井生产系统整个油井生产系统自喷自喷自喷自喷井生井生井生井生产系产系产系产系统统统统油藏渗流子系统油藏渗流子系统油藏渗流子系统油藏渗流子系统井筒流动子系统井筒流动子系统井筒流动子系统井筒流动子系统油嘴流动子系统油嘴流动子系统油嘴流动子系统油嘴流动子系统地面管流子系统地面管流子系统地面管流子系统地面管流子系统常用节点常用节点常用节点常用节点分离器压力：分离器压力：分离器压力：分离器压力：psep井口回压：井口回压：井口回压：井口回压：ph井口油压：井口油压：井口油压：井口油压：pt井底流压：井底流压：井底流压：井底流压：pwf油藏平均压力：油藏平均压力：油藏平均压力：油藏平均压力：pr pr-pwf IPR曲线曲线 pwf-pt 多相管流计算方法多相管流计算方法 pt-ph 嘴流特性曲线嘴流特性曲线 pB-psep 多相管流计算方法多相管流计算方法图2-2 自喷井生产系统节点位置第7页，本讲稿共62页需要解决的问题：需要解决的问题：预测在某些节点压力确定条件下油井预测在某些节点压力确定条件下油井预测在某些节点压力确定条件下油井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。的产量以及其它节点的压力。的产量以及其它节点的压力。的产量以及其它节点的压力。节点系统分析实质节点系统分析实质节点系统分析实质节点系统分析实质:协调理论协调理论在采油应用方面发展在采油应用方面发展通通常常节节点点1 1分分离离器器压压力力psep 、节节点点8 8油油藏藏平平均均压压力力 pr为为定定值值，不不是是产产量量的的函函数数，故故任任何何求求解解问问题题必必须须从从节节点点1或节点或节点8开始。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第8页，本讲稿共62页协调曲线示意图节点流入曲线节点流出曲线协调点求解问题方法：求解问题方法：针对求解点，绘制该节点的针对求解点，绘制该节点的流流流流入曲线入曲线入曲线入曲线和和和和流出曲线流出曲线流出曲线流出曲线，求得其交汇点，得到对应的产，求得其交汇点，得到对应的产量。量。第9页，本讲稿共62页(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。第10页，本讲稿共62页图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第11页，本讲稿共62页(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。第12页，本讲稿共62页图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。第13页，本讲稿共62页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第14页，本讲稿共62页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 油管和油藏部分第15页，本讲稿共62页图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。第16页，本讲稿共62页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第17页，本讲稿共62页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第18页，本讲稿共62页图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。第19页，本讲稿共62页4)平均油藏压力为求解点图2-18 变化的影响以油藏压力为求解点的目的：研究在给定条件下油藏平均压力对油井生产的影响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。假设一组产量第20页，本讲稿共62页(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，一油嘴的孔眼直径很小，一般只有几毫米，油气在般只有几毫米，油气在嘴嘴前压力前压力pt和和嘴后压力嘴后压力ph作作用下通过油嘴。用下通过油嘴。第21页，本讲稿共62页图2-20 关系空气流过喷管的临界压力比为：天然气流过喷管的临界压力比为：在临界流动条件下，流在临界流动条件下，流量不受嘴后压力变化的量不受嘴后压力变化的影响，临界压力影响，临界压力pc。嘴前压力：嘴前压力：p1嘴后压力：嘴后压力：p2第22页，本讲稿共62页分析：对于含水井：根据矿场资料统计，嘴流相关式可表示为：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 线当油嘴直径和气油比一定时，产量和井口油压成线性关系。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。第23页，本讲稿共62页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：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。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。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。第24页，本讲稿共62页图3-22 自喷井三个流动过程关系根据设定产量Q，在油井IPR曲线上找出相应的pwf；由Q及pwf按垂直管流得出满足油嘴临界流动的Qpt油管曲线B；油嘴直径d一定，绘制临界流动下油嘴特性曲线C；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。有油嘴系统按照流动的衔接与协调方法分析的步骤油层渗流消耗的压力油管流动消耗的压力第25页，本讲稿共62页(四)节点分析在设计及预测中的应用先绘出满足油嘴临界流动的ptQ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作出相应的油嘴曲线；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。第26页，本讲稿共62页油压较低时，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。原因原因：滑脱损失、摩擦损失相互作用。第27页，本讲稿共62页当油嘴直径不变时，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。第28页，本讲稿共62页油井生产过程中，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29页，本讲稿共62页第二节第二节 气举采油原理气举采油原理气举气举气举气举是从地面向井筒注入高压气体将原油举升至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。地面的一种人工举升方式。从地面注入井内的从地面注入井内的从地面注入井内的从地面注入井内的高压气高压气体体与油层产出液在井筒中与油层产出液在井筒中与油层产出液在井筒中与油层产出液在井筒中混合，混合，混合，混合，利用气体的膨胀利用气体的膨胀和使井筒中的混合液密和使井筒中的混合液密度降低度降低，将流到井内的，将流到井内的原油举升到地面。原油举升到地面。第30页，本讲稿共62页必须有足够的气源；需要压缩机组和地面高压气管线，地面设备系统复杂；一次性投资较大；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。适用条件第31页，本讲稿共62页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)第32页，本讲稿共62页二、气举启动当油井停产时，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停产时第33页，本讲稿共62页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:当当环环形形空空间间内内的的液液面达到管鞋时的井口注入压力。面达到管鞋时的井口注入压力。第34页，本讲稿共62页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，液流喷出地面。井底流压随之降低，油层产液，并随注入的高压气体一同排出井筒，最后达到一个协调稳定状态。图2-28 气举井（无阀）的启动过程c气体进入油管第35页，本讲稿共62页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启动压力。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(气举工作压力气举工作压力)。第36页，本讲稿共62页（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。即图2-28 气举井（无阀）的启动过程b环形液面到达管鞋第37页，本讲稿共62页第二种情况：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：一般情况下，气举系统的启动压力介于一般情况下，气举系统的启动压力介于 和和 之间。之间。第38页，本讲稿共62页三、气举阀(一）气举阀的作用 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。气举阀的作用：降低启动压力;控制进气量。第39页，本讲稿共62页作用原理：逐步排除油套环形空间的液体。图2-41 凡尔深度计算示意图第40页，本讲稿共62页气举阀实质：一种用于井下的压力调节器图2-30 压力调节器结构示意图阀关闭条件：阀打开条件：第41页，本讲稿共62页按安装方式分为：绳索投入式、固定式。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。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。气举凡尔的分类第42页，本讲稿共62页(二）几种常用的气举阀简介自学要点：(1)结构状况，类型；(2)工作条件下阀的开启压力；(3)工作条件下阀的关闭压力；(4)阀的工作压差(阀的距)；(5)静气柱压力分布计算相关式。第43页，本讲稿共62页套压控制阀(1)工作条件下阀的开启压力；(2)工作条件下阀的关闭压力；(3)阀的工作压差(阀的距)；第44页，本讲稿共62页(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=PdAb油管效应 油管效应系数 第45页，本讲稿共62页(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）第46页，本讲稿共62页(3)阀的工作压差(阀的距)当Pt=0时，Pmax=(T.E.F.)Pd 当Pt=Pd时，Pmin=0第47页，本讲稿共62页四、气举设计设计内容：气举方式和气举装置类型；气举点深度、气液比和产量；阀位置、类型、尺寸及装配要求等（一）气举装置类型在油管柱底部下一个集液箱，提高液体汇聚空间，以达到提高总产油量的目的。仅限于连续气举，下井的油管柱不带封隔器，使气体从油套环空注入，产液自油管举出，油、套管是连通的。封隔器封隔油套环空，其余均与开式装置相同。封隔器封隔油套环空，在油管柱上安装了一个固定阀，其作用是防止气体压力通过油管作用于地层。半闭式装置闭式装置箱式装置开式装置第48页，本讲稿共62页气举装置示意图第49页，本讲稿共62页（二）连续气举设计基础(1)油层数据：油藏平均压力、油藏平均温度、油 井流入动态1.设计所需基本资料(2)油井基础数据：井深；油、套管尺寸(3)油井生产数据：产量、含水、生产气油比、注气压力、注气量、油压(4)油井生产条件：出砂、结蜡等情况(5)流体物性：地面原油密度、水的密度、天然气的相对密度、地面原油粘度、表面张力(6)地面管线和分离器数据：地面管线尺寸及长度、分离器压力第50页，本讲稿共62页2.气举井内的压力及分布油管内的压力分布以注气点为界，明显的分为两段。在注气点以上，由于注入气进入油管而增大了气液比，故压力梯度明显地低于注气点以下的压力梯度。套管内的静气柱压力分布(近似于直线)：气举井生产时的压力平衡等式：图2-36 气举井压力及其分布第51页，本讲稿共62页（三）在给定产量和井口压力下确定注气点深度和注气量2)根据产量Qo、油层气液比RP等以pwf为起点，按多相垂直管流向上计算注气点以下的压力分布曲线A。已知：产量、注入压力、定油管压力和IPR曲线计算：注气点深度、气液比和注气量计算步骤4)由平衡点沿注气点以下的压力分布曲线上移p(平衡点气体压力与注气点油管内压力之差，一般取0.50.7Mpa)所得的点即为注气点。对应的深度和压力即为注气点深度L和工作阀所在位置的油管压力。1)根据要求的产量Qo由IPR曲线确定相应的井底流压pwf。3)由工作压力pso计算环形空间气柱压力曲线B。此线与注气点以下的压力分布曲线A的交点即为平衡点。第52页，本讲稿共62页8)根据最后确定的气液比TGLR和其它已知数据计算注气点以上的油管压力分布曲线，可用它来确定启动阀的安装位置。5)注气点以上的总气液比为油层生产气液比与注入气液比之和。假设一组总气液比，对每一个总气液比都以注气点油管压力为起点，利用多相管流向上向上计算油管压力分布曲线D1、D2及确定井口油管压力。6)绘制总气液比与井口压力关系曲线，找出与规定井口油管压力相对应的总气液比TGLR。7)总气液比减去油层生产气液比得到注入气液比。根据注入气液比和规定的产量计算需要的注入气量。图2-37 定注气压力，定井口压力下确定注气点深度及气液比第53页，本讲稿共62页图2-38 定注气压力，定井口压力下的协调产量图2-40 定注气量，定井口油压下的协调产量(1-IPR曲线；2-计算的产量井底流压曲线（油管工作曲线）第54页，本讲稿共62页（四）定井口压力和限定注气量的条件下确定注气点深度和产量已知：井口压力、注气量 计算：注气点深度和产量计算步骤1)假定一组产量，根据提供的注气量和地层生产气液比计算出每个产量所对应的总气液比TGLR;2)根据地面注入压力pso计算环形空间气柱压力分布线B，用注入压力减p作B线的平行线，即为注气点深度线。3)以定井口压力为起点，向下计算向下计算，计算每个产量下的油管压力分布曲线D1、D2、D3。它们与注气点深度线的交点，即为各个产量所对应的注气点a1、a2、a3和注气深度L1、L2、L3。4)计算每个产量对应的注气点以下的压力分布曲线A1、A2、A3及井底流压pwf1、pwf2、pwf3第55页，本讲稿共62页5)绘制油管工作曲线，与IPR曲线的交点为协调产量和流压。根据给定的注气量和协调产量Q，计算出相应的注入气液比，总气液比TGLR；6)注气点以下的压力分布曲线A，与注气点深度线C的交点a，即为可能获得的最大产量的注气点，其深度L即为工作阀的安装深度。7)根据最后确定的产量Q和总气液比TGLR，计算注气点以上的油管压力分布曲线D。它可用来确定启动阀的位置。图2-39 定注气量，定井口压力下确定注气点深度第56页，本讲稿共62页（五）气举阀位置确定方法一般采用图解法或计算法来确定阀位置和数量。第57页，本讲稿共62页1）图解法(p89)图2-42 图解法确定阀位置第58页，本讲稿共62页2）计算法当井中液面较深，中途未溢出井口：当井筒中液面在井口附近，在压气过程中即溢出井口：第一个阀的下入深度第59页，本讲稿共62页 第二个阀的下入深度阀处压力平衡等式为：图2-41 凡尔深度计算示意图当第二个阀进气时，第一个阀关闭。阀处的环空压力为paII，阀I处的油压为ptI。第60页，本讲稿共62页第i个阀的下入深度第61页，本讲稿共62页五、气举井试井图2-44 气举井试井曲线气举井试井方法：通过改变注入气量来改变油井产量，测得油井产量和相应的井底流压与注入气量的对应关系，以确定油井的工作条件和工作状况。(结)第62页，本讲稿共62页