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采油工程原理与设计,授课教师:于乐香 办公地点:工科楼B-436,采油工程课程内容体系,第一章 油井流入动态与井筒多相流动计算,第二章 自喷与气举采油,第三章 有杆泵采油,第四章 无杆泵采油,第五章 注水,第六章 水力压裂技术,第七章 酸处理技术,第八章 复杂条件下的开采技术,第九章 完井方案设计与试油,第十章 采油工程方案设计概要,第一章 油井流入动态与井筒多相流动计算,油井流入动态 井筒气液两相流基本概念 计算气液两相垂直管流方法,2.油井流入动态曲线（IPR曲线）：表示产量与井底流压关系的曲线，简称IPR曲线。,1.油井流入动态：油井产量与井底流动压力的关系。它反映了油藏向井的供油能力，反映了油藏压力、油层物性、流体物性、完井质量等对油层渗流规律的影响。,名词解释：,3.采油(液)指数：单位生产压差下的油井产油(液)量，反映油层性质、厚度、流体物性、完井条件及泄油面积等与产量之间关系的综合指标。,对于单相液体流动的直线型IPR曲线，采油指数可定义为产油量与生产压差之比，或者单位生产压差下的油井产油量；也可定义为每增加单位生产压差时，油井产量的增加值，或油井IPR曲线斜率的负倒数。,对于多相流动的非直线型IPR曲线，由于其斜率不是定值，在使用采油指数时，应该说明相应的流动压力，不能简单地用某一流压下的采油指数来直接推算不同流压下的产量。,4.油井的流动效率（FE）：,油井的理想生产压差与实际生产压差之比。,5.流动型态（流动结构、流型）：流动过程中油、气的分布状态。,6.滑脱现象：混合流体流动过程中，由于流体间的密度差异，引起的小密度流体流速大于大密度流体流速的现象。,基本理论与分析:,1.油气两相渗流时的流入动态,(1)Vogel 方法(适用于理想完善井),利用Vogel方程绘制IPR曲线的步骤(两种情况),Vogel方程,a.计算,c.根据给定的流压及计算的相应产量绘制IPR曲线。,b.给定不同流压，计算相应的产量：,已知地层压力和一个工作点：,利用Vogel方程绘制IPR曲线的步骤,油藏压力未知，已知两个工作点,a.油藏平均压力的确定,b.计算,d.根据给定的流压及计算的相应产量绘制IPR曲线,c.给定不同流压，计算相应的产量,(2)费特柯维奇方法,(3)非完善井Vogel方程的修正(流动效率与表皮系数的关系),假设 与压力 成直线关系,油层受污染的或不完善井，,完善井,增产措施后的超完善井，,(4)利用流动效率计算非完善直井流入动态的方法,Standing方法(FE=0.51.5，扩大了 Vogel的使用范围，可以适用于哪些污阻井或经过增产措施的井),Harrison方法（提供了FE=1 2.5的无因次IPR曲线,扩大了Standing曲线的范围,它可用来计算高流动效率井的IPR曲线和预测低流压下的产量。),会绘制IPR曲线的方法步骤,2.斜井和水平井的IPR曲线,Cheng对溶解气驱油藏中斜井和水平井进行了数值模拟，并用回归的方法得到了类似Vogel方程的不同井斜角井的IPR回归方程：,Bendakhlia等用两种三维三相黑油模拟器研究了多种情况下溶解气驱油藏中水平井的流入动态关系。得到了不同条件下IPR曲线。,3.油气水三相IPR 曲线,Petrobras提出了计算三相流动IPR曲线的方法。,综合IPR曲线的实质:按含水率取纯油IPR曲线和水IPR曲线的加权平均值。当已知测试点计算采液指数时，是按产量加权平均；当预测产量或流压时是按流压加权平均。,图1-12 油气水三相IPR 曲线,4、多层油藏油井流入动态,（1）多油层油井流入动态迭加型IPR,图1-13 多层油藏油井流入动态,（2）含水油井流入动态,图1-14 含水油井流入动态与含水变化(),图1-15 含水油井流入动态曲线(),(1)气液两相流动与单相液流的比较,5.井筒气液两相流动的特性,(2)气液混合物在垂直管中的流动结构变化(流型及特点),总结：油井生产中可能出现的流型自下而上依次为：纯油(液)流、泡流、段塞流、环流和雾流。实际上，在同一口井内，一般不会出现完整的流型变化。,图1-17 油气沿井筒喷出时的流型变化示意图纯油流；泡流；段塞流；环流；雾流,以计算段下端压力为起点，重复步，计算下一段的深度和压力，直到各段的累加深度等于管长为止。,6.多相垂直管流压力分布计算步骤,重复的计算，直至。,1)按深度增量迭代的步骤,已知任一点(井口或井底)的压力作为起点，任选一个合适的压力降作为计算的压力间隔p。,估计一个对应的深度增量h。,计算该管段的平均温度及平均压力，并确定流体性质参数。,判断流型，并计算该段的压力梯度dp/dh。,计算对应于p的该段管长(深度差)h。,计算该段下端对应的深度及压力。,7.Orkiszewski方法特点(流型类型),8.Beggs&Brill 两相水平管流型(三大类7种流型),针对每种流动型态提出存容比及摩擦损失的计算方法,提出了四种流型，即泡流、段塞流、过渡流及环雾流,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、气举采油原理及油井举升系 统设计方法,名词解释:,1.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。,利用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。,2.气举定义：,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。,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,人工举升采油,自喷采油,4.采油方法分类,人工给井筒流体增加能量将井底原油举升至地面的采油方式。,利用油层自身能量将原油举升到地面的采油方式。,5.气举启动压力:当环形空间内的液面达到管鞋(注气点)时的井口注入压力。,基本理论与分析,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,嘴流,生产流体通过油嘴(节流器)的流动,3.协调条件,能量(压力)守恒,热量守恒,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。,协调曲线示意图,节点流入曲线,节点流出曲线,协调点,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Pf；,由Q及Pf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G；,油管曲线B与油嘴特性曲线G的交点即为该油嘴下的产量与油压。,4.有油嘴系统以油嘴为求解点的节点分析方法的步骤：,5.节点分析在设计及预测中的应用,(1)不同油嘴下的产量预测与油嘴选择,(2)油管直径的选择,(3)预测油藏压力变化对产量的影响,(4)停喷压力预测,6.气举采油原理、优缺点及适用条件,7.气举启动过程,8.气举阀的作用：逐步排除油套环形空间的液体；降低启动压力。,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,9.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。,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)。,10.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,（三）定产量和井口压力确定注气点深度 和注气量,图2-37 定产量和井口压力确定注气点深度和注气量的步骤示意图,图2-38 定产量和井口压力确定注气点深度和注气量的协调图,求解节点：井口,1)根据要求的产量由IPR曲线确定相应的井底流压pwf。2)根据产量、油层中的气液比等以pwf为起点，按多相垂直管流向上计算注气点以下的流体压力分布曲线A。3)由工作压力计算环形空间气柱压力曲线B。此线与曲线A的交点即为平衡点。4)由平衡点沿压力分布曲线A上移所得的点即为注气点。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，利用多相管流向上计算油管压力分布曲线D1、D2及确定井口油管压力。,在给定产量和井口压力下确定注气点深度和注气量,6)根据结果绘制总气液比与井口压力的关系曲线，找出与规定油压相对应的总气液比TGLR。7)由求得的总气液比中减去油层生产气液比可得到注入气液比。根据注入气液比和规定的产量就可算得需要的注入气量。8)根据最后确定的气液比和其它已知数据计算注气点以上的油管压力分布曲线D；此线即为根据设计进行生产时的油管压力分布的计算曲线，可用它来确定启动凡尔的安装位置。,（四）定井口压力和注气量确定 注气点深度和产量,图2-39 定注气量和井口压力确定注气点深度和产量的步骤示意图,图2-40 定注气量和井口压力确定注气点深度和产量的协调图,求解节点：井底,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,1)假定一组产量，根据注气量和地层生产气液比计算出所对应的总气液比；2)以给定的地面注入压力计算环形空间气柱压力分布线B，用地面注入压力减(0.50.7MPa)作B线的平行线，即为注气点深度线C。3)以定井口压力为起点，利用多相垂直管流，根据对应产量的总气液比，向下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C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)从每个产量对应的注气点压力和深度开始，利用用井筒多相管流根据油层生产气液比向下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、pwf3,5)根据上步计算结果绘出产量与计算流压的关系曲线（油管工作曲线）与IPR曲线的交点所对应的压力和产量即为该井在给定注气量和井口油管压力下的产量相应的井底流动压力，根据给定的注气量和协调产量Q，可计算出相应的注入气液比，进而计算出总气液比TGLR；6)根据上步求得的井底流压和产量Q，以井底为起点用井筒多相流计算对应的注气点以下的压力分布曲线A，与注气点深度线之C之交点a，即为可能获得的最大产量的注气点，其深度L即为工作凡尔的安装深度。7)根据最后确定的产量Q和总气液比TGLR，以给定的井口压力为起点用井筒多相管流向下计算注气点以上的油管压力分布曲线D。它可用来确定启动凡尔的位置。,第三章 常规有杆泵采油,主要内容：抽油装置及泵的工作原理 抽油机悬点运动规律及悬点载荷 抽油机平衡、扭矩及功率计算 泵效计算 有杆抽油系统设计 有杆抽油系统工况分析,1.平衡率：即抽油机驴头上下行程中电动机电流峰值的小电流与大电流的比值。一般规定，抽油机平衡率不小于70%即认为抽油机已处于平衡状态。,2.背面冲击：当扭矩曲线出现负值时，说明减速箱的主动轮变为从动轮，如果负扭矩值较大，将发生啮合面的“背面冲击”。“背面冲击”通常发生在不平衡或轻载荷的油井上，在悬点载荷突然发生很大变化时，也会出现“背面冲击”,3.等值扭矩：就是指用一个不变化的恒定扭矩代替变化的实际扭矩，使其电机的发热条件相同，则此恒定扭矩即为实际变化扭矩的等值扭矩,名词解释,4.水力功率：在一定时间内将一定量的液体提升一定距离所需要的功率。,5.光杆功率：通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率。,6.泵效：在抽油井生产过程中，实际产量与理论产量的比值。,7.气锁：抽汲时由于气体在泵内压缩和膨胀，吸入和排出阀无法打开，出现抽不出油的现象。,8.扭矩因数：悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩与悬点载荷的比值。,9.抽油机结构不平衡值：等于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁处于水平位置而需要加在光杆上的力。(方向向下为正),10.冲程损失：由于抽油杆和油管在交变载荷作用下发生弹性伸缩，而引起的深井泵柱塞实际行程与光杆冲程的差值。,11.静液面（Ls或Hs）：对应于油藏压力。,动液面（Lf或Hf）：对应于井底压力流压。,13.生产压差：与静液面和动液面之差相对应的压力差。,12.沉没度hs：根据气油比和原油进泵压力损失而定。,14.折算液面：把在一定套压下测得的液面折算成套管压力为零时的液面。,15.示功图：载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图。,16.充不满现象：地层产液在上冲程末未充满泵筒的现象。,17.液击现象：泵充不满生产时，柱塞与泵内液面撞击引起抽油设备受力急剧变化的现象。,18.初变形期：抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕。,1.目前油井人工举升方式的分类；抽油装置组成及泵的工作原理,基本理论与分析,人工举升方式分为：气举采油、有杆泵采油和无杆泵采油三大类。其中气举采油分为连续气举和间歇气举两类；有杆泵采油分为抽油机井抽油和地面驱动螺杆泵采油；无杆泵采油分为潜油电泵采油、水力活塞泵采油、水力喷射泵采油和电动潜油螺杆泵采油。,抽油装置组成：抽油机,抽油杆,抽油泵,其它附件,上冲程：抽油杆柱带着柱塞向上运动，活塞上的游动阀受管内液柱压力而关闭。此时，泵内压力降低，固定阀在环形空间液柱压力与泵内压力之差的作用下被打开。如果油管内已充满液体，在井口将排出相当于柱塞冲程长度的一段液体。下冲程：抽油杆柱带着柱塞向下运动，固定阀一开始就关闭，泵内压力增高到大于柱塞以上液柱压力时，游动阀被顶开，柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞上部，使泵排出液体。由于有相当于冲程长度的一段光杆从井外进入油管，所以将排出相当于这段光杆体积的液体。,泵的工作原理：,A-上冲程,B-下冲程,2.后置式与前置式游梁式抽油机的不同点,运动规律不同后置式上、下冲程的时间基本相等；前置式上冲程较下冲程慢。,图3-2 后置式抽油机结构简图,游梁和连杆的连接位置不同。,平衡方式不同后置式多采用机械平衡；前置式多采用气动平衡。,图3-3 前置式气动平衡抽油机结构简图,A-管式泵,B-杆式泵,管式泵：外筒和衬套在地面组装好接在油管下部先下入井内，然后投入固定阀，最后再把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵内。,管式泵特点：结构简单、成本低，排量大。但检泵时必须起出油管，修井工作量大，故适用于下泵深度不很大，产量较高的油井。,杆式泵：整个泵在地面组装好后接在抽油杆柱的下端整体通过油管下入井内，由预先装在油管预定深度(下泵深度)上的卡簧固定在油管上，检泵时不需要起油管。,杆式泵特点：结构复杂，制造成本高，排量小，修井工作量小。杆式泵适用于下泵深度大、产量较小的油井。,3.管式泵与杆式泵的异同点,4、抽油机悬点运动规律,(1)简化为简谐运动时悬点运动规律,假设条件：r/l0、r/b0,游梁和连杆的连接点B的运动可看做简谐运动，即认为B点的运动规律和D点做圆运动时在垂直中心线上的投影(C点)的运动规律相同。,(2)曲柄滑块机构分析法,假设条件：0r/L1/4 将B点绕游梁支点的弧线运动近似为直线运动，这在冲程较小时或游梁前臂较长时是允许的。,(3)真实运动规律求解法,根据游梁式抽油机四连杆机构的几何关系和运动特点，并以游梁的摆动方程为基础，建立悬点运动的位移、速度、加速度的计算公式，从而给出求游梁式抽油机悬点运动参数精确解的一种计算方法。,5.作用在抽油机驴头悬点上的载荷分析,基本理论与分析,抽油机驴头悬点上的载荷：静载荷动载荷摩擦载荷,静载荷,抽油杆柱载荷上冲程：杆柱在空气中的重量下冲程：杆柱在液体中的重量作用在柱塞上的液柱载荷上冲程：作用在柱塞环空面积的载荷下冲程：无沉没压力对悬载的影响上冲程：减轻悬载下冲程：无井口回压对悬载的影响上冲程：增加悬载下冲程：减小抽油杆柱载荷,动载荷,惯性载荷：与加速度大小成正比，方向相反；大小取决于抽油杆柱的质量、悬点加速度及其在杆柱上的分布抽油杆柱惯载（上冲程、下冲程都有）液柱惯载（上冲程有、下冲程无）振动载荷：抽油杆的自由纵振产生，大小与抽油杆柱的长度、载荷变化周期及抽油机结构有关,摩擦载荷,抽油杆柱与油管间：上冲程增加悬载；下冲程减小悬载柱塞与衬套间：上冲程增加悬载；下冲程减小悬载液柱与抽油杆柱间（与抽油杆柱长度、运动速度、液体粘度有关）上冲程无下冲程减小悬载液柱与油管间（与液流速度、液体粘度有关）上冲程增加悬载下冲程无液体通过游动阀的摩擦力（与阀结构、液体粘度、液流速度有关，是造成抽油杆柱下部弯曲的主要原因）上冲程无下冲程减小悬载,6、抽油机平衡,(1)不平衡原因,(2)不平衡造成的后果,上下冲程中悬点载荷不同，造成电动机在上、下冲程中所做的功不相等。,上冲程中电动机承受着极大的负荷，下冲程中抽油机带着电动机运转，造成功率的浪费，降低电动机的效率和寿命；,由于负荷极不均匀，会使抽油机发生激烈振动，而影响抽油装置的寿命。,破坏曲柄旋转速度的均匀性，影响抽油杆和泵正常工作。,(3)平衡原理,在下冲程中把能量储存起来，在上冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功，从而使电动机在上下冲程中都做相等的正功。,所以，为了使抽油机平衡，在下冲程中需要储存的能量或上冲程中需要释放的能量应该是悬点载荷在上下冲程中所做功之和的一半。,下冲程：,上冲程：,平衡条件：,7、平衡方式,机械平衡曲柄平衡：平衡重加在曲柄上，适用于大型抽油机游梁平衡：在游梁尾部加平衡块，适用于小型抽油机复合平衡：在游梁尾部和曲柄上都有平衡重，适用于中型抽油机气动平衡（主要用在前置型抽油机上）多用于大型抽油机随动平衡方式：平衡块在悬点的一个冲程中是往复运动的 二次平衡方式：在抽油机后部安装一个带小链轮的副曲柄装置 利用可调相位角平衡装置实现抽油机平衡：用组合平衡重来调节相位角的平衡方式,8.判断抽油机的平衡状况常用的方法,扭矩曲线法：如果上冲程峰值扭矩大于下冲程峰值扭矩，则表明上重下轻，平衡不够，需要增大平衡扭矩；否则需要减小平衡扭矩。观察法：观察驴头和曲柄的停留位置和运行状况，驴头停在上死点，即曲柄方向向下，则表明平衡块偏重，测时法：上冲程快，下冲程慢，则说明所加的平衡块过重；如果下冲程快，上冲程慢，则说明所加的平衡块过轻。但是，测时法不适用于异相平衡或气平衡的游梁式抽油机的平衡判断。测电流法：如果测得上冲程电流大于下冲程电流，则表明平衡重偏轻，否则表明平衡重偏重。,9.扭矩曲线的应用,(1)检查是否超扭矩及判断是否发生“背面冲突”,(2)判断及计算平衡,平衡条件：,(3)功率分析,减速箱输出的瞬时功率:,减速箱的平均输出功率：,电动机输出的平均功率：,电动机输入的平均功率：,(4)效率分析,电机、皮带传动、减速箱的效率分析。,10.影响深井泵泵效的因素及提高泵效的措施,影响泵效的因素,(3)漏失影响,(1)抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩,(2)气体和充不满的影响,(4)体积系数的影响,提高泵效的措施,(1)选择合理的工作方式,选用大冲程、小冲次，减小气体影响，降低悬点载荷，特别是稠油的井。,连喷带抽井选用大冲数快速抽汲，以增强诱喷作用。,深井抽汲时，S和N的选择一定要避开不利配合区。,(2)确定合理沉没度。,(3)改善泵的结构，提高泵的抗磨、抗腐蚀性能。,(4)使用油管锚减少冲程损失,(5)合理利用气体能量及减少气体影响,12.玻璃钢杆,玻璃钢杆优点,(1)重量轻，可减少设备投资，节省能源和增加下泵深度。,(2)弹性好，可以实现超冲程。,(3)耐腐蚀，可减少断脱事故。,玻璃钢杆缺点,(1)价格贵：是钢质抽油杆的1.61.8倍。,(2)不能承受轴向压缩载荷，使用温度不能超过93.3。,(3)报废杆不能溶化回收利用。,13.液面位置的测量原理与仪器,11.加重杆的作用,采用下部加重杆柱，既可提高抽油杆刚度和强度，又可克服活塞下行阻力，以减小弯曲。,14.典型示功图分析,典型示功图：某一因素的影响十分明显，其形状代表了该因素影响下的基本特征的示功图。,1.气体对示功图的影响,图3-30 有气体影响的示功图,气锁,由于在下冲程末余隙内还残存一定数量的溶解气和压缩气，上冲程开始后泵内压力因气体的膨胀而不能很快降低，使吸入凡尔打开滞后(点)，加载变慢。余隙越大，残存的气量越多，泵口压力越低，则吸入凡尔打开滞后得越多，即线越长。下冲程时，气体受压缩，泵内压力不能迅速提高，使排出凡尔滞后打开(点)，卸载变慢()。泵的余隙越大，进入泵内的气量越多，则线越长，示功图的“刀把”越明显。,2.充不满影响的示功图,充不满现象：地层产液在上冲程末未充满泵筒的现象。,液击现象：泵充不满生产时，柱塞与泵内液面撞击引起抽油设备受力急剧变化的现象。,图3-31 充不满的示功图,充不满的图形特点是下冲程中悬点载荷不能立即减小，只有当柱塞遇到液面时，则迅速卸载。所以，卸载线较气体影响的卸载线陡而直。有时，当柱塞碰到液面时，因振动载荷线会出现波浪。快速抽汲时往往因撞击液面而发生较大的冲击载荷使图形变形得很厉害,3.排出部分漏失对示功图的影响,图3-32 泵排出部分漏失,上冲程时，泵内压力降低，柱塞两端产生压差，使柱塞上面的液体经排出部分的不严密处漏到柱塞下部的工作筒内，漏失速度随柱塞下面压力的减小而增大。由于漏失到柱塞下面的液体有向上的“顶托”作用，所以悬点载荷不能及时上升到最大值，使加载缓慢。随着悬点运动的加快，“顶托”作用相对减小，直到柱塞上行速度大于漏失速度的瞬间，悬点载荷达到最大静载荷。当柱塞继续上行到后半冲程时，因活塞上行速度又逐渐减慢。在柱塞速度小于漏失速度瞬间C，又出现了漏失液体的“顶托”作用，使悬点负荷提前卸载。到上死点时悬点载荷已降至C点。,4.吸入部分漏失对示功图的影响,图3-33 吸入凡尔漏失,下冲程开始后，由于吸入凡尔漏失使泵内压力不能及时提高，而延缓了卸载过程。同时，也使排出凡尔不能及时打开。当柱塞速度大于漏失速度后，泵内压力提高到大于液柱压力，将排出凡尔打开而卸去液柱载荷。下冲程后半冲程中因柱塞速度减小，当小于漏失速度时，泵内压力降低使排出凡尔提前关闭(A点)，悬点提前加载。到达下死点时，悬点载荷已增加到A。,1.电动潜油离心泵采油装置的组成与工作原理、特点与适用范围,2.水力活塞泵采油装置的组成与工作原理、分类、特点与适用范围,3.射流泵采油装置的组成与工作原理、特点与适用范围,第四章 无杆泵采油,环空过流面积越小，油井产出流体流过该面积的速度就越高。流体的压力随其流速增加而下降，在高流速下压力将下降到流体的蒸汽压，导致蒸汽穴的形成，该过程称之为气蚀。,4.射流泵的气蚀：,气蚀,节流作用,气蚀损害,极限环空过流面积,什么是螺杆泵？螺杆泵又叫渐进式容积泵，由定子和转子组成，两者的螺旋状过盈配合形成连续密封的腔体，通过转子的旋转运动实现对介质的传输。,井下单螺杆泵由哪几部分组成？,井下单螺杆泵由定子和转子组成。定子由钢制外套和橡胶衬套组成，定子内表面呈双螺旋曲面，与转子外表面相配合。转子由合金钢的棒料经过精车、镀铬并抛光加工而成。转子有空心转子和实心转子两种。,地面驱动井下单螺杆泵采油系统,地面驱动螺杆泵采油一般适用于井深1000m左右的直井。由螺杆泵、抽油杆柱、抽油杆柱扶正器及地面驱动系统等组成。工作原理：地面动力带动抽油杆柱旋转，使螺杆泵转子随之一起转动，油井产出液经螺杆泵下部吸入，由上端排出，并沿油管柱向上流动。,地面驱动部分 地面驱动装置是螺杆泵采油系统的主要地面设备，是把动力传递给井下泵转子，使转子实现行星运动，实现抽汲原油的机械装置。从传动形式上分，有液压传动和机械传动；从变速形式上分，有无级调速和有级调速。,螺杆泵驱动装置的,种类,机械驱动装置,液压驱动装置,（一）螺杆泵地面驱动装置的种类、组成及工作原理,电潜螺杆泵采油系统的组成及工作原理,中间部分,井下部分,地面部分,自动控制台、自藕变压器及辅助设备(电缆滚筒、导向轮、井口支座和挂垫等)组成,潜油电缆和油管组成,扶正器、四极潜油电机、电机保护器、齿轮减速器、减速器保护器、双万向节、吸入口、螺杆泵、单流阀、泄油阀。,电潜螺杆泵工作原理,地面电网电源通过变压器、控制柜、接线盒连接后，利用井下电缆将地面电力输送到井下潜油电动机，当井底电机接通电源后，电机旋转经过减速器和联轴节驱动螺杆泵在低速下转动，井液经过螺杆泵增压后，通过油管举升到地面，输送到计量站。,电潜螺杆泵机组是将潜油电动机、减速器、保护器、联轴节(带泵吸入口)、与螺杆泵组合在一起，下入井内，螺杆泵与油管、地面管线连接。,第四章 注 水,(1)水源、水质及注水系统,主要内容：,(2)注水井吸水能力分析,(3)分层注水技术,(4)注水指示曲线分析与应用,(5)注水井调剖技术,1.注水井指示曲线：,稳定流动条件下，注入压力与注水量之间的关系曲线。,2.吸水指数：,单位注水压差下的日注水量。,3.比吸水指数或每米吸水指数：,地层吸水指数除以地层有效厚度所得的数值。,4.视吸水指数：,日注水量除以井口压力,名词解释,5.配注误差,配注误差为“正”说明未达到注入量，称欠注,配注误差为“负”则说明注入量超过配注量，称超注,6.相对吸水量：,在同一注入压力下，某一层吸水量占全井吸水量的百分数,7.分层注水指示曲线：,注水层段注入压力与注入量的相关曲线,8.吸水剖面：,一定注入压力下各层段的注入量(吸水量)的分布。,9.注水井调剖,为了调整注水井的吸水剖面，提高注入水的波及系数，改善水驱效果，向地层中的高渗透层注入化学药剂，药剂凝固或膨胀后，降低油层的渗透率，迫使注入水增加对低含水部位的驱油作用的工艺措施。,1.水质处理措施,基本理论与分析,（1）沉淀,悬浮的固体颗粒借自身的重力而沉淀下来。,（2）过滤 清除悬浮物和细小颗粒。,重力式滤池：滤池中的水面与大气接触，利用滤池与底部水管出口，或水管相连的清水池水位标高差进行过滤。,压力滤罐：滤池完全密封，水在一定压力下通过滤池。,（3）杀菌 细菌和藻类,（4）脱氧,除去水中的氧气、碳酸气和硫化氢气体。,（5）曝晒,（6）除油,处理过饱和碳酸盐。,2.注水系统:是指从水源至注水井的全套设备和流程，包括水源泵站、水处理站、注水站、配水间和注水井。,3.投注程序：注水井从完钻到正常注水之间所需进行的工作。它包括排液、洗井、预处理、试注、正常注水等几个方面。,4.影响吸水能力的因素及提高吸水能力的措施,影响吸水能力的因素,(1)与注水井井下作业及注水井管理操作等有关的因素,(2)与水质有关的因素,(3)组成油层的粘土矿物遇水后发生膨胀,(4)注水井地层压力上升,改善吸水能力的措施,(1)加强注水井日常管理,(2)压裂增注,普通压裂：,分层压裂：,吸水指数低，注水压力高的低渗地层和严重污染地层,油层较厚、层内岩性差异大或多油层层间差异大,(3)酸化增注,解除井底堵塞物,提高中低渗透层的绝对渗透率,无机物堵塞,有机堵塞物,盐酸或土酸处理,藻类和细菌,杀菌与酸化联合进行,(4)粘土防膨,5.分层吸水能力测试方法,测定注水井的吸水剖面：,用各层的相对吸水量来表示分层吸水能力的大小。,直接进行分层测试：,用分层测试整理分层指示曲线，求出分层吸水指数来表示分层吸水能力的好坏。,图5-9 载体法测吸水剖面曲线,(1)放射性同位素载体法测吸水剖面,(2)投球法分层测试,图5-10 投球测试管柱示意图,(1 测全井指示曲线,(2 测分层指示曲线,(3 资料整理,第层段注水量=投最后一个球后测得的注水量,第层段注水量=(投第一个球后的注水量)(投第二个球后的注水量),第层段注水量=(全井注水量)(投第一个球后的注水量),6.注水指示曲线的分析和应用,图5-22 曲线平行下移、吸水能力不变,图5-19 曲线右移、斜率变小，吸水能力增强,图5-20 曲线左移、斜率变大，吸水能力下降,图5-21 曲线平行上移、吸水能力不变,7.调剖方法,(1)单液法：,向油层注入一种液体，液体进入油层后，依靠自身发生反应，随后变成的物质可封堵高渗透层，降低渗透率，实现堵水。,常用堵剂,石灰乳,硅酸溶胶,铬冻胶,硫酸,水包稠油,(2)双液法,向油层注入由隔离液隔开的两种可反应（或作用）的液体。当将这两种液体向油层内部推至一定距离后，隔离液将变薄至不起隔离作用，两种液体就可发生反应（或作用），产生封堵地层的物质，达到封堵高渗透层的目的。,常用堵剂,沉淀型堵剂,凝胶型堵剂,冻胶型堵剂,胶体分散体型堵剂,第六章 水力压裂技术,主要内容：,(4)压裂设计,(1)造缝机理,(2)压裂液,(3)支撑剂,1.填砂裂缝的导流能力：,在油层条件下，填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积，常用FRCD表示，导流能力也称为导流率。,2.裂缝内的砂浓度(裂缝内砂比)：是指单位体积裂缝内所含支撑剂的质量。,3.裂缝闭合后的砂浓度(铺砂浓度)：指单位面积裂缝上所铺的支撑剂质量。,4.地面砂比：单位体积混砂液中所含的支撑剂质量。,或支撑剂体积与压裂液体积之比。,名词解释,5.平衡状态:,当液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的能力时，颗粒处于停止沉降的状态。,6.平衡流速：,平衡时的流速，也即携带颗粒最小的流速。,1、水力压裂技术,用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并用支撑剂将裂缝支撑起来，减小油、气、水的流动阻力，沟通油、气、水的流动通道，从而达到增产增注的效果。,(1)水力压裂的工艺过程：,憋压,造逢,裂缝延伸,充填支撑剂,裂缝闭合,(2 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力,(2)水力压裂增产增注的原理:,(1 改变流体的渗流状态：径向流变单向流,基本理论与分析,(3)压裂方法对比,爆炸压裂：用炸药，它的增压速度极快(微秒级)，气体生成量较少，地层裂隙来不及扩张和延伸，大部分能量消耗在井壁岩石的破碎上，井眼内残留的应力场可能完全闭塞所产生的裂缝。,水力压裂：用压裂液，产生的裂缝受地层的地应力控制，一般仅有一个方向；,高能气体压裂：利用火药或火箭推进剂燃烧产生的高温、高压气体处理油层，产生和保持多条、多方位的径向裂缝。,2.造缝条件（垂直缝、水平缝）,（1）形成垂直裂缝的条件,当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗拉强度时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂，即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。造缝条件为：,(2)形成水平裂缝的条件,当井壁上存在的垂向应力达到井壁岩石的垂向的抗张强度时，岩石将在垂直于垂向应力的方向上产生脆性破裂，即在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。造缝条件为：,3.压裂液任务(前置液、携砂液、顶替液的作用),破裂地层、造缝、降温作用。一般用未交联的溶胶。,携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作用。必须使用交联的压裂液(如冻胶等)。,末尾顶替液：替液入缝，提高携砂液效率和防止井筒沉砂。,前置液,携砂液,顶替液,中间顶替液：携砂液、防砂卡；,4.压裂液的性能要求,基本理论与分析,滤失少：,悬砂能力强：,摩阻低：,稳定性好：,配伍性好：,低残渣：,货源广、便于配制、价钱便宜。,取决于它的粘度与造壁性,取决于粘度,摩阻愈小，用于造缝的有效功率愈大,热稳定性和抗机械剪切稳定性,不应引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层,以免降低油气层和填砂裂缝的渗透率,减少压裂液的损害,造长缝、宽缝,易返排：,5.压裂液类型,水基压裂液：,油基压裂液：,泡沫压裂液：,用水溶胀性聚合物(称为成胶剂)经交链剂交链后形成的冻胶。施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂。不适用于水敏性地层。,多用稠化油，遇地层水后自动破胶。缺点是悬砂能力差、性能达不到要求、价格昂贵、施工困难和易燃等。,基液多用淡水、盐水、聚合物水溶液；气相为二氧化碳、氮气、天然气；发泡剂用非离子型活性剂。特点是易于返排、滤失少以及摩阻低等。缺点是砂比不能过高、井深不能过大。,6.压裂液的滤失性(受三种机理控制),压裂液的粘度、,(1)受压裂液粘度控制的滤失系数C,当压裂液粘度大大超过油藏流体的粘度时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度，由达西方程可以导出滤失系数为：,油藏岩石和流体的压缩性、,压裂液的造壁性,(2)受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数C,当压裂液粘度接近于油藏流体粘度时，控制压裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性。根据体积平衡方程可得到表达式：,（3）具有造壁性压裂液滤失系数C,造壁液体的滤失系数,具有固体颗粒及添加有防滤失剂的压裂液，滤失速度将受造壁性控制。,支撑剂的性能要求,(1)粒径均匀，密度小；,(2)强度大，破碎率小,(3)园度和球度高,(4)杂质含量少,(5)来源广，价廉,闭合压力,7.支撑剂的类型,按其力学性质分为两大类：,脆性支撑剂,如石英砂、玻璃球等,特点是硬度大，变形小，在高闭合压力下易破碎,韧性支撑剂,如核桃壳、铝球等,特点是变形大，承压面积大，在高闭合压力下不易破碎,目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是天然砂；二是人造支撑剂（陶粒）。,8、支撑剂在裂缝内的分布,支撑剂在裂缝内的分布规律随裂缝类型(水平、垂直缝)和携砂液性能而异。,(1)全悬浮型支撑剂分布,在忽略裂缝内流动阻力的情况下，可以认为裂缝内的FRCD从缝端到井底是线性增加的，因而要求砂浓度呈线性增加。,支撑面积很大，能最大限度地将压开的面积全部支撑起来。,全悬浮型支撑剂分布特点：,适合于低渗透率地层，不需要很高的填砂裂缝导流能力就能有很好的增产效果。,(2)沉降型支撑剂分布,由于剪切和温度等降解作用,携砂性能并不能达到全悬浮 部分支撑剂随携砂液一起向缝端运动，部分可能沉降下来。,支撑剂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂缝参数有关。,进入裂缝的固体颗粒主要受到水平方向液体携带力、垂直向下重力以及向上浮力的作用。,颗粒相对于携带液有沉降运动 粘滞阻力作用,支撑剂在缝高度上的分布,增加地面排量、与区均将变薄，区则变厚,流速足够大 区可能完全消失,再增加排量 浓度梯度剖面消失，成为均质的悬浮流,9、支撑剂的选择,支撑剂的选择主要是指选择其类型和粒径。,选择的目的是为了达到一定的裂缝导流能力。,对低渗地层，水力压裂应以增加裂缝长度为主。,对中高渗地层，水力压裂应以增加裂缝导流能力为主。,影响支撑剂选择的因素：,1）支撑剂的强度,2）粒径及其分布,3）支撑剂类型与铺砂浓度,4）其它因素 如支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等,研究表明,10、影响压裂井增产幅度的因素,油层特性,裂缝几何参数,指压裂层的渗透率、孔隙度、流体物性、油层能量、含油丰度和泄油面积等,指填砂裂缝的长、宽、高和导流能力,麦克奎尔与西克拉用电模型研究了垂直裂缝条件下增产倍数与裂缝几何尺寸和导流能力的关系。,假设：拟稳定流动；定产或定压生产；正方形泄油面积；外边界封闭；可压缩流体；裂缝穿过整个产层。,图6-12 麦克奎西克拉垂直裂缝增产倍数曲线,裂缝导流能力愈高，增产倍数也愈高；造缝愈长，倍数也愈高,左边 要提高增产倍数，则应以增加裂缝导流能力为主,右边 曲线趋于平缓，增产主要靠增加缝的长度,低渗油藏 增加裂缝长度比增加裂缝导流能力对增产更有利高渗油藏 应以增加导流能力为主,对一定的裂缝长度，存在一个最佳的裂缝导流能力,11、裂缝几何参数计算模型,二维(PKN、KGD)、拟三维(P3D)和真三维模型,主要差别是裂缝的扩展和裂缝内的流体流动方式不同：,二维模型假设裂缝高度是常数，即流体仅沿缝长方向流动。,真三维模型认为缝高沿缝长方向是变化的，在缝长、缝高方向均有流动(即存在压力降)。,拟三维模型认为缝高沿缝长方向是变化的，但裂缝内仍是一维流动(缝长)。,第七章 酸处理技术,主要内容：,1、碳酸盐岩地层盐酸处理,2、酸化压裂技术,3、砂岩油气层的土酸处理,4、酸液及添加剂,5、酸处理工艺,1.酸岩反应速度,指单位时间内酸浓度降低值或单位时间内岩石单位反应面积的溶蚀量。,2.H+的传质速度,H+透过边界层达到岩面的速度。,3.面容比,岩石反应表面积与酸液体积之比,4.残酸,当酸浓度降低到一定浓度时，酸液基本上失去溶蚀能力。,名词解释,7.土酸 1015的HCl及38的HF混合成的酸,8.逆土酸 氢氟酸浓度超过盐