采油工程-第二章自喷及气举采油.ppt

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1、自喷采油法：完全依靠流体自身的能量将原油采出地面的方法叫自喷采油法，这样的生产井叫自喷井。优点：不需要补充能量，设备简单,操作方便,投资少,经济效益高。,第二章 自喷与气举采油,第一节 自喷采油,一、油井自喷的条件1.自喷井的结构2.油井自喷的条件,gH井内静液柱压力Pfr摩擦阻力Pt油压,二、油管特性曲线反映油管流通特性的流通量与压力的关系曲线，叫油管特性曲线。根据已知压力点位置，分成两种：,1流量与井口压力的关系曲线 假设油井以不同产量qi生产,由流入动态关系,得出相应井底流压Pwfi,由压力梯度计算方法,计算出相应的井口压力Pti。,作出井口压力与产量的关系曲线,2.流量与井底压力的关系

2、曲线 流入动态关系描述地层流入井筒的规律,给出关于地层渗流的井底压力与产量的关系如果：井口压力Pt一定，假设油井以不同的产量qi生产，利用压力梯度计算对应的井底流压Pwfi,这一Pwf与q关系曲线，描述油管的流通特性，与地层渗流无关。,作出曲线:,第二节 自喷井的协调生产及系统分析一、四个流动过程 1.地层渗流：遵守渗流规律,IPR曲线；2.垂直管流：两相流动规律,油管曲线；3.咀流：多相咀流规律,咀流曲线；4.地面管流：被油嘴分隔开。,1.井底：地层渗流出来的产量q与所剩Pwf正好等于垂直管推送该产量所需的井底压力。即：地层产量=油管的举升量 井底流压=油管举升所需的管鞋压力2.井口：流体的

3、剩余压力Pt正好等于油咀推送该产量所要求的咀前压力。,二、各流动过程的衔接,三、全井的协调1.协调条件：井底井口都能衔接。2.协调点：两曲线的交点。,当q=qc时，Pwf-Pt有较低值。表明该产量下油管中压力损失较低。,四、协调点的分析,五、协调点的调节方法1.改变地层参数 如：注水、压裂、酸化等2.改变油管工作参数（管径）3.换油嘴 简单易行，故常用。,油咀直径不同，咀流曲线不同，得不同的协调生产点。控制油井产量就是选用合适的油咀，达到合适的协调点。,六、协调在自喷井管理中的应用1.利用油咀控制油井生产,当Pt较低时，大直径油管的产量比小直径的高;当Pt较高时，大直径油管 的产量比小直径的低

4、。因此，大直径油 管不一定好。,高产井用大油管，低产井用小油管。,2优选油管直径,当地层压力下降，IPR曲线下移，油管曲线随之下移，使协调点左偏，产量下降。,3预测地层压力的变化对产量的影响,欲保持油井产量，需更换油咀，使新的协调点的产量与原来相同。,4预测停喷压力,若要求油压Pt，过Pt作水平线EC与B相交。EC不能与B3相交，表明地层压力 下降到A3前,油井已不能正常 自喷了。应采取相应措 施维持生产。,七、井筒分析,1.井筒内的压力关系油管系统：Pt油压Pfr沿油管流动时的摩阻损失mgH油管中的全部重力损失套管系统：Pwf=Pc+PG+LLgL液面以下液体的平均密度L环空中的液柱高度PG

5、环空气柱所造成的压力,忽略PG，则：Pwf=Pc+LLgPwf Pb时，气体在某一高度处分离出来。套压和油压的关系：mgH+Pfr+Pt=Pc+LLg当 Pwf Pt自喷井正常生产时，各压力之间的关系为：Pwf Pc Pt PB,2生产分析a.井筒中流动阻力和液柱重力增大,导致Pt 如：油管中结蜡、原油脱气、含水增多。b.油嘴被刺大时，Pt;油嘴被堵时，Pt,油管受堵,油嘴受阻,c.套压变化反映井底流压的变化。若：Pt Pc Pwf q，一般认为是出油管线被堵所致。,对象：油气井生产系统；基本思想：设置节点,隔离油井系统为子系统主要线索：压力和流量变化，联系各流动过 程，确定系统的流量。一、基

6、本概念 1油井生产系统 油井生产系统是指从油层到地面油气分离器这一统一的水力学系统。,第三节节点系统分析,2.节点：节点即位置。a.普通节点:一般指两段不同流动过程的衔接点、系统的起止点。不产生与流量有关的压降。b.函数节点:一般在具有限流作用的装置处。由于在其局部产生的压降为流量的函数而得名。c.解节点:问题获得解决的节点称为求解节点，简称解节点或求解点。它将整个系统划分为流入节点和流出节点两个部分。,1.建立油井模型并设置节点 2.解节点的选择3.计算解节点上游的供液特征4.计算解节点下游的排液特征5.确定生产协调点6.进行动态拟合7.程序应用,二、节点分析的基本步骤,三、示例1.井底为求

7、解点,选井底为求解点，可以：,2.井口为求解点（无油嘴）,3.井口为求解点(安装地面油嘴),一、自喷后期的问题,第四节气举采油概述,地层能量下降，所提供的压力小于举升时要消耗的压力，油井停喷。,二、解决方法 减少自喷过程的压降，在地层所能供给的压能范围内，使油井恢复自喷。,分析压降公式，欲降低P,需降低m。把气体从地面注入井筒内，可以增加R，从而达到降低m的目的。,三、气源1.要求:2.来源：a.高压天然气。b.低压天然气，经压缩机加压注入。,a.具有足够的压力，b.必须不含氧气。,人为地把气体压入井底，使油喷出地面，这种生产方法叫气举采油法。,四、特点优点：井口、井下设备简单，气举不受 套管

8、尺寸限制，生产灵活，管理 比较方便。适用范围广，尤其适 用于海上采油、深井、斜井、含 腐蚀性气体或含砂多、不适于泵 抽的油井。缺点：地面设备复杂、投资大、需要气 源，要求套管能承受高压。,一、气举系统构成1.压缩站；2.地面配气站；3.单井生产系统；4.地面生产系统。重点：单井生产系统。地面生产系统与其他举升方式基本相同。,第五节 气举装置与气举卸载,图2-13,1.气举前状态油井停喷时，油管和环空液面处于同一位置。2.气举过程,二、气举的启动压力和工作压力,向环空注入压缩气时，环空液面被挤压向下，油管中的液面则上升。当环空液面下降到管鞋时，压风机达到最大压力，称为启动压力Pe。压缩气进入油管

9、后，使油管内原油充气，液面不断上升，直至喷出地面。,喷出前，Pwf Ps；喷后，使油管内m越来越低，油管鞋压力急剧降低，井底压力及压风机压力随之急剧下降。当 Pwf Ps 时，地层开始产油，并使油管内m稍有增加，致使压风机压力复而上升。最后，液面在管鞋处达到动态平衡，这时压风机的压力称为工作压力Po。,若：Pe Pc，则气举无法实现。Pc压缩机的额定输出压力。,3.启动时压风机压力变化曲线,启动压力的大小与气举方式、油管下入深度、井径、油管直径以及静液面的位置有关。a、液体溢出井口：启动压力：Pe=LLg(2-1a)Pe最大启动压力；L油管长度 b、液体不溢出井口：启动压力：Pe=(h+h)L

10、g(2-1b),4.启动压力的计算,h(D2-d2)/4=(/4)d2h得：h=(D2/d2-1)h 代入(2-1b)式得：Pe=hLgD2/d2(2-1c),D套管内径 d油管直径 h油管在静液面下的沉没度。,当地层K大，被挤压的液面下降很缓慢时，环空中的液体部分被地层吸收。极端情况，全部吸收。环空液面到达管鞋时，油管液柱几乎没有升高，此时，启动压力由沉没度决定。Pe=hLg Pe最小启动压力 因此：Pe Pe Pe(2-1),若Pe大于压缩机的额定输出压力，该压缩机就无法把环空中的液体压入油管内，气体不能进入油管，就不能实现气举。要想实现气举，需大功率的压缩机来保证气举的启动。但正常生产时

11、不需要这么大的功率，造成浪费，增加了设备的成本。为实现气举，同时降低成本，必须减小Pe，有效的方法是安装气举凡尔。,1.U 型管等压面原理；2.压缩机以Po气举，不能把环空液面完全压入油管内，只能把液面向下压一定深度(液面位于油管内压力等于Po点)。,三、气举的卸载过程,3.在这一位置上方的油管上打孔,气体可将油管内孔之上的这段液体举出。4.液体举出，油管内压力下降,环空液面下降到一定深度后达到稳定,打第二个孔。5.当第二个孔进气时，第一个应封住。,6.逐级将液面压向一定位置。能满足打开和封闭油管孔眼的装置 叫气举凡尔，这样只需要工作压力就能启动气举。正常气举时开启的凡尔叫工作凡尔 上面其余的

12、凡尔称启动凡尔,图2-19,1.注气通道；2.油管柱上注气孔的开关；3.降低注气的启动压力。以注气工 作压力按预期的产量进行开采；4.灵活改变注气深度，适应供液能 力的变化；,四、气举阀的作用,5.间歇气举的工作阀可以防止过高 的注气压力影响下一个注气周期,控制每次注气量；6.改变举升深度，增大油井生产压 差，以清洁油层解除污染；7.气举阀中的单流阀可以阻止井液 从油管倒流向油套环空。,五、气举凡尔的类型,1.按压力控制方式可分为：节流阀 气压阀或称套压操作阀 液压阀或称油压操作阀 复合控制阀,节流阀在关闭状态时与气压阀相同，但一旦打开后，仅对油压敏感。打开阀，需要提高套压，关闭阀则降低油压或

13、套压；气压阀在关闭状态时，有50-100%对套压敏感，而打开后，仅对套压敏感。为了开、关气举阀，必须分别提高或降低套压；,液压阀与气压阀正好相反，为了开、关气举阀，必须分别降低或提高油压；复合控制阀，也称液压打开，气压关闭阀。即提高油压则打开阀，降低套压则关闭阀。,2.按气举阀在井下所起的作用，气举阀可分为:卸载阀、工作阀和底阀。3.按气举阀自身的加载方式可分为:充气波纹管阀和弹簧气举阀。4.按气举阀安装作业方式分为：固定式气举阀和投捞式气举阀。,所谓套压控制或油压控制是指气举凡尔对Pt或Pc 哪个更敏感。与凡尔接触面积大的压力就是凡尔的支配压力。用于连续气举的凡尔,要在打开状态时对Pt敏感一

14、些，油压下降，凡尔关闭一些，减小进气量；油压上升，凡尔打开一些，增大进气量，以保持Pt趋于稳定。用于间歇气举的凡尔，在打开时，应最大限度扩张孔眼，并在关闭前一直保持全开状态。以保证注气期间把液体段塞举出地面。,当凡尔关闭时：试图打开凡尔的力:Fo=Pc(Ab-Ap)+PtAp 充气室保持凡尔关闭的力:Fc=PdAb以Pvo表示凡尔将要开启瞬间凡尔处的套管压力,六、气举凡尔的工作原理,1.套管压力操作凡尔,开启瞬间:Fo=Fc 即：PdAb=Pvo(Ab-Ap)+PtAp凡尔开启压力为:(2-2)Pvo=(PdAb-PtAp)/(Ab-Ap),Pd凡尔在井下时封包内的压力；R 凡尔孔面积与封包面

15、积之比，即:R=Ap/Ab 当凡尔处的套管压力 PcPvo时，凡尔就被打开。,(2-4),(2-6),当凡尔打开时：保持凡尔开启的力:Fo=Pc(Ab-Ap)+PcAp=PcAb欲使凡尔关闭的力:Fc=PdAb欲使凡尔关闭则 FcFo,即:PdAbPcAb以Pvc表示凡尔关闭瞬间凡尔处的套管压力 Fo=Fc 即：Pvc=Pd(2-7a)当凡尔处的套管压力PcPd时,凡尔就会关闭凡尔关闭压力仅与封包压力有关,与Pt无关。因为AbAp，所以，对Pc敏感。,当凡尔关闭时：试图打开凡尔的力:Fo=Pc(Ab-Ap)+PtAp 保持凡尔关闭的力:Fc=PdAb+St(Ab-Ap)St由弹簧张力所产生的等

16、效压力。以Pvo表示凡尔开启瞬间凡尔处的套管压力。,2.双元件套压操作凡尔,比套压操作凡尔多了一个弹簧，由弹簧和气室共同提供关闭力。,开启瞬间：Fo=Fc 于是，凡尔开启压力为:Pvo=(PdAb-PtAp)/(Ab-Ap)+St当凡尔打开时：保持凡尔开启的力:Fo=Pc(Ab-Ap)+Pc Ap=PcAb,欲使凡尔关闭的力:Fc=PdAb+St(Ab-Ap)欲使凡尔关闭，则：FcFo 即：PdAb+St(Ab-Ap)PcAb以Pvc表示凡尔关闭瞬间凡尔处的套管压力 关闭瞬间：Fo=Fc 即：Pvc=Pd+St(1-R),3.油压(液压)操作凡尔,在关闭条件下,Pt作用在封包上，而Pc则作用在

17、凡尔上。与套压操作凡尔相反，它对油压更敏感。,此时的开启压力是指凡尔打开瞬间的油管压力,Pvc=Pd+St(1-R),4.弹簧凡尔（压差式凡尔）,正常情况下，在弹簧的作用下,凡尔坐在下凡尔座上,处于开启状态。因孔眼节流，PtPc 当压差大于弹簧张力的作用后,凡尔便会关闭.当凡尔打开时：保持凡尔开启的力:Fo=AdSt+PtAd,St弹簧张力折算到Ad面积上的等效力。Ad 下凡尔座孔眼面积。欲使凡尔关闭的力:Fc=PcAd 欲使凡尔关闭则：FcFo,即:PcPt+St 关闭瞬间:(Pt)c=Pc-St 凡尔关闭压差：Pc=Pc(Pt)c=St 凡尔进气后，油管压力减小,使P增大，当PPc(即St

18、)时，凡尔关闭。,关闭状态下：试图打开凡尔的力:Fo=AdSt+PtAu 保持凡尔关闭的力:Fc=PcAuAu 上凡尔座孔眼面积凡尔开启压力：(Pt)o=Pc-凡尔开启压差：Po=Pc-(Pt)o=由于Ad/Au(Pt)c,此凡尔通常用作启动凡尔，一旦关闭，就完成了使命,再不容易打开。正常气举过程中,希望它一直关闭。为了减少井下凡尔数，要求凡尔有尽量大的Pc，可增大St；为使启动后凡尔有可靠的关闭状态，要获得小的Po，则应减小Ad/Au，即增加孔径差。,七、气举阀的安装与调试,安装方式主要有两种：固定式（阀只能同油管一齐进出）投捞式 偏心工作筒用于安装、固定气举阀,并为投捞气举阀起导向作用。,

19、调试的步骤为：充氮气:(MPa)老化处理：(模拟井下承压,加至2.98MPa,并保持15min)恒温：15.6C(60F),并保持15min 气压阀的气室压力:,(2-8),(2-9a),Tv井下阀所处位置的预测温度,F。pti第i级阀位置处的预测油压。,试验架打开压力：,Ct氮气压力随井筒温度变化的修正系数。,(2-9b),(2-9c),(2-10),1.开式气举装置：无封隔器 地面注气压力波动会引起油套环空液面升降,每次关井后,必须重新卸载。2.半闭式气举装置：单封隔器完井 注入气不能从油管底部进入油管。且油井一旦卸载，流体就无法回到油套环空。适用于连续气举和间歇气举。,八、气举装置类型,

20、图2-14,单封隔器及单流阀完井 与半闭式装置类似，并在油管柱底端装有固定单流阀。避免了开式装置的弊端，使高压气体和井筒液体不能进入地层。,3.闭式气举装置,一、气举的最大产量1.最佳油气比 在一定q下,dp/dz最小的R叫该产量下的最佳油气比。2.最佳油气比曲线 同样管径下，产量不同，最佳油气比不同。产量越高，最佳油气比越小。作出q与R最佳的关系曲线，叫最佳油气比曲线。,第六节气举生产参数的确定,q,最佳R,假设井口要求的压力一定，根据不同的产量qi与之对应的最佳气液比Ri，可算得不同产量下的井底流压。所得的井底流压与产量的关系曲线叫最佳油气比油管曲线。它与IPR曲线的交点就是满足最佳油气比

21、的气举产量，因而也是气举可能的最大产量。因此:（1）气举的产量是有限的；（2）气举的产量还取决于入井动态。,3最佳油气比油管曲线,q,P,最佳油气比油管曲线,我们已知在最佳油气比下的产量，根据最佳油气比曲线可定出其油气比。已知生产油气比：Rp要求的最佳油气比为R最佳 则注入气量：,二、注入气量,根据协调点得井底压力Pwf，气体要进入油管，PdiPwf 取：Pdi=Pwf，而：Pwf=Psi-Pfr+Pg，因此：Psi=Pwf+Pfr-Pg，其中：Psi地面注气压力 Pg环空气柱产生的压力,三、注入压力,第七节 气举设计,由设备的注气量、注气压力及IPR确定。内容：气举方式、装置类型、气举点深度

22、、气液比、产量、凡尔位置、类型、尺寸及装配要求。,一、气举井内的压力分布 环空气柱静压力分布近似为直线：,Pg(X)X处的气柱压力,(绝对);Pko井口压力,(绝对);g重力加速度gs 标准状况下的气体密度；X深度Ts、Ps 标准状况下的温度和压力；Tav、Zav平均温度、气体压缩因子。,注气点以上,压力梯度低注气点以下,压力梯度高气举时的压力平衡式：Pt+GfaL+Gfb(D-L)=Pwf,油管内压力分布,1.已知IPR、qL、Pt、Pko 确定qg、L(1)由qL和IPR曲线定Pwf(2)根据qL、井底流压、生产油气比，按多相管 流法算压力分布曲线。,P,Pwf,Pt,Pko,D,L,平衡

23、点,注气点,二、生产参数的计算,(3)计算环空的气柱压力分布曲线得交点，即平衡点；MPa,得注气点位置。(5)从注气点起，取不同的总气液比按两相 垂直管规律，计算出井口压力Pti，根据 所要求的Pt,内插求出气液比：,(7)由R、Pt计算压力分布曲线，即生产时的油管压力分布曲线。可作为气举凡尔的设计压力线。,(6)由所求出的总R、生产油气比及产量，确定注气量：qgi=(R-Rp)qL,Pt2,平衡点,注气点,Pwf,Pt1,Pko,L,Pt,Pt3,P,2.已知Pt,qg,Pko,IPR确定qo和注气点深度(1)假定若干个产量，由生产油气比和注入气量得气举油气比Ri=(qg+q0iRp)/q0

24、i;根据井口压力由多相流计算不同产量的压降曲线。(2)计算套管的压力分布线，并减去MPa后得平行线C,与压降曲线的交点是不同产量的注气点。,(3)由各注气点的压力与深度起，按生产油气比，计算各产量下的压降曲线得井底压力Pwfi。(4)作出井底压力与产量的关系曲线，它是一半气举，一半自喷的油管曲线，它与IPR的交点就协调生产点。(5)计算出协调产量下压力分布曲线与C线的交点为注气点。,L,Pt,Pko,Pwf1,注气点,C,P,Pwf2,Pwf,Pwf 3,(1)液面离井口距离较小a.下压过程 b.Pt=LILg=Pmax LI=Pmax/Lg-20 LI第一凡尔的下入深度；Pmax压缩机额定输

25、出压力。,三、气举凡尔的安装位置,1.第一个气举凡尔的下入深度,(2)液面离井口距离较远a.(/4)d2h=(/4)(D2-d2)h h=(D2/d2-1)hPt=(h+h)Lg=Pmax解出:h=(d2/D2)Pmax/Lg 设Ls为停喷时的液面深度，则 LI=h+Ls=Ls+(d2/D2)Pmax/Lg-20,(1)举升过程：随油管流体被举升到地面，环空液面下降。后期举升量减少，液面下降缓慢，最后几乎停止。(2)Pt2=Pt1+ZLg=Pmax(3)Z=(Pmax-Pt1min)/Lg(4)LII=LI+(Pmax-Pt1min)/Lg-10(5)关闭压差:Pt1min是液面到凡尔II处时

26、凡尔I处的油管压力。这时，我们要求凡尔I关闭，Pmax-Pt1min叫关闭压差。,2.第二个凡尔的安装深度,(1)推广前式：Li=Li-1+(Pmax-Pti-1)/Lg-10Li第i个凡尔的下入深度；Pti-1 第i-1个凡尔关闭时的油管压力。结论：确定以后各级凡尔的下入深度，关键 是确定上一凡尔的关闭压差；或确定 上一凡尔的后期油管压力。(2)气举凡尔处的压力Pti 根据设计气举参数时的油管压力分布曲线确定(3)凡尔孔径 根据凡尔处的压差，注入气量，由气体咀流公式确定凡尔孔径。,3.第i个尔凡尔的下入深度,间歇气举成本低、灵活性好，常用于低压地层、中低产量井。,一、常规间歇气举 它是连续气

27、举的一种变型。在开采的中后期，将连续气举改为间歇气举，可以节省气源或增加排液深度。间歇气举有时可作为强化排液的手段；间歇气举可建立更低的井底流压。,第八节 间歇气举,(1)气体举升液段在油管中上升，并在油管壁形成液膜。同时液体继续从地层流入油管。(2)液段产出阶段，油管中液体段塞长度比上一阶段变短得更快（气体窜入、液体回落、液柱顶部离开井口）。应在井底聚积最大可能的液体量。,流体的举升可分为四个阶段：,(3)夹带液的产出：气泡突破液体到达地面。液柱压力减小,系统阻力随之减小，导致气体流速迅速增加。伴随气流带出大量液滴。(4)液柱的重新形成阶段：未产出的液滴及液膜回落到油管底部与油层流入的液体汇

28、合。再把气体注入环空,开始新的循环周期。只要井底流动压差存在,地层就有液体产出。,(1)每周期实际注气量：是最容易控制的重要参数。实际注入气量总是等于所需注入气量。太小会造成举升液量下降或液体回落量增加，太大将降低效率。(2)间歇气举阀：要求优化设计阀孔径，并能快速打开。,3、常规间歇气举的敏感性参数,(3)油管载荷：给定的生产系统存在最优的油管载荷，可以用多种模型进行预测。井口压力影响初始液段大小和总循环时间，从而影响间歇气举过程。建议设计和生产中使用较小值。(4)注气压力：注气压力相对较低时，系统效率随注气压力的增大而增大。反之，系统效率降低。存在一个最优注气压力。,(5)油管尺寸：选定最

29、佳油管尺寸应基于增产收益和花费增长的关系。(6)液体回落与气体窜流：液体回落量大约为1623%。快速打开阀有助于减少第一阶段的窜流，气体窜流随举气深度增加而增大。,为常规间歇气举生产的一种变型。油管中的活动柱塞形成气液间的固体界面，不仅可降低间歇气举的液体回落，增加每周期的产液，还能阻止或减缓气体窜流,降低气体注入量，提高气体举升效率。还能防止油管结蜡和结垢。,二、柱塞气举,柱塞气举分为：普通柱塞气举 注气柱塞气举地层气液比大于最小气液比,小于等于最佳气液比时，可采用普通柱塞气举。其循环过程分为三个阶段：柱塞上行 柱塞下落 压力恢复,当地层气液比小于最小气液比时,必须给系统注气,即采用注气柱塞

30、气举。其循环划分为四个不同的阶段：柱塞上行 液段产出 气体放喷 段塞再生/气体压力恢复,最低气液比 能进行柱塞举升的最小气液比。当地层气液比大于它时，才能仅依靠地层能量进行柱塞气举。最佳气液比井在最佳周期下运行所需的气液比。,柱塞最大循环次数 在井底和井口几乎没有停留的条件下，每天最大可能的循环次数。它主要取决柱塞气举完成一个工作周期所需的时间。柱塞是柱塞举升的心脏部件。理想柱塞的工作特性包括(1)良好的耐磨性、抗震性和防卡性(2)上行时,与油管间有良好的密封性(3)柱塞下降阻力小,思考题四：,1.分析协调点C点为什么是油井稳定的工作点，而油管工作曲线与油嘴工作曲线的另一交点A点则不是。2.充分理解气举过程、气举原理以及其启 动压力和工作压力。3.了解气举凡尔的类型，弄清楚气举凡尔的工作原理。4.掌握气举设计的主要思路、主要参数的计算方法和步骤。,作业三：,2-6 根据图2-15推导气举启动压力变化范围(式2-1)。若改变为油管注气,油套环空举升其可能的最大启动压力是增大还是减小?2-7 气举装置有哪几种类型？连续气举可选用什么类型的气举装置？2-8 试述连续气举装置的卸载过程。,