采油工程课件-第3章自喷与气举采油-PPT课件.ppt

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第三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 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。 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—生产流体通过油嘴(节流器)的流动 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穿过井壁(射孔孔眼、污染区)的压力损失穿过井下节流器的压力损失穿过井下安全阀的压力损失穿过地面油嘴的压力损失地面出油管线的压力损失地面管线总压力损失，包括和油管总压力损失，包括和油藏压力井底流压油压回压套压 二、自喷井节点分析节点系统分析法：应用系统工程原理，把整个油井生产系统分成若干子系统，研究各子系统间的相互关系及其对整个系统工作的影响，为系统优化运行及参数调控提供依据。节点划分依据：不同的流动规律相关式图2-2自喷井生产系统节点位置 节点系统分析对象：整个油井生产系统节点系统分析实质：协调理论在采油应用方面的发展协调条件质量守恒能量(压力)守恒热量守恒自喷井生产系统组成：油藏渗流子系统井筒流动子系统油嘴(节流器)流动子系统地面管流子系统 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 (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；油管直径；气油比；含水；油、气、水密度；油藏压力；饱和压力(低于油层压力)及单相流时的采油指数。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。 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B。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，这两种情况均可造成管内压力损耗大。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。 (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：分离器压力；出油管线直径及长度；油藏深度；油管直径；气油比；含水；油、气密度；油藏压力；饱和压力(低于油层压力)及单相流时的采油指数PI。2-6简单管流系统由于选取中间节点(井底)为求解点，所以求解时，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，亦即油管鞋压力)与流量的关系曲线。整个生产系统将从井底(节点6)分成两部分：油藏中的流动；从油管入口到分离器的管流系统。 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。 ②研究油井由于污染或采取增产措施对油井产量的影响选取井底为求解点的目的①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 2)井口为求解点整个生产系统分为地面管线和分离器部分、油管和油藏部分两个子系统。图2-10地面管线和分离器部分图2-11油管和油藏部分 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地面管流动态曲线。交点：产量及井口压力。 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 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 图2-16分离器压力对不同油井产量的影响研究分离器压力对油井生产的影响说明：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。求解点选在分离器处的目的： 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：①研究在给定条件下油藏平均压力对油井生产的影响②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 (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 图2-20关系根据热力学理论，气体流动的临界压力比为：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，流量不受嘴后压力变化的影响。 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①当油嘴直径和气油比一定时，产量和井口油压成线性关系。②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。 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：①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－流量曲线。②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。③两条压差－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。 图3-22自喷井三个流动过程关系①根据设定产量Q，在油井IPR曲线上找出相应的Pf；②由Q及Pf按垂直管流得出满足油嘴临界流动的Q∼Pt油管曲线B；③油嘴直径d一定，绘制临界流动下油嘴特性曲线G；④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。有油嘴系统以油嘴为求解点的节点分析方法的步骤：油层渗流消耗的压力油管流动消耗的压力 (四)节点分析在设计及预测中的应用①先绘出满足油嘴临界流动的Pt～Q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②作出相应的油嘴曲线；③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。 油压较低时，大直径油管的产量比小直径的要高；油压高时，大直径油管的产量比小直径的要低。原因：滑脱损失。2.油管直径的选择图2-24不同油管直径对产量的影响 当油嘴直径不变时，油藏压力降低后产量随着降低，如果要保持原来的产量，就必须换用较大的油嘴直径。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 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，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。4.停喷压力预测图2-26停喷压力预测 小结(1)自喷井生产系统一般包括四个基本流动过程，每一过程遵循各自的流动规律。(2)自喷井生产系统设计与分析采用节点系统分析方法，求解点的选择取决于需要解决的问题。(3)为了保证自喷井生产的稳定性，对有油嘴系统的设计要求嘴流达到临界流动条件。(4)自喷井生产系统设计的内容主要包括产量的预测、油嘴的选择、生产管柱的选择、出油管线的选择、停喷条件的预测等。 第二节气举采油原理及油井举升系统设计方法①必须有足够的气源；②需要压缩机组和地面高压气管线，地面设备系统复杂；③一次性投资较大；④系统效率较低。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。气举定义：优点：井口和井下设备比较简单缺点：高产量的深井；气油(液)比高的油井；定向井和水平井等。适用条件： 一、气举采油原理依靠从地面注入井内的高压气体与油层产出流体在井筒中混合，利用气体的膨胀使井筒中的混合液密度降低，将流到井内的原油举升到地面。图2-27气举采油系统示意图 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。气举分类（按注气方式分）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 二、气举启动①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 ②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:当环形空间内的液面达到管鞋(注气点)时的井口注入压力。 ③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，井底流压随着高压气体的进一步注入，也将不断降低，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 ②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①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。③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)。 （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相平衡。即第二种情况：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: 当油层的渗透性较好时，且被液体挤压的液面下降很缓慢时，则从环形空间挤压出的液体有部分被油层吸收。在极端情况下，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。在这种情况下，启动压力由油管中静液面下的沉没深度确定，即：一般情况下，气举系统的启动压力介于和之间。 三、气举阀(一）气举阀工作原理气举生产过程中，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，增加投入成本。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：逐步排除油套环形空间的液体；降低启动压力。 气举凡尔实质：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凡尔关闭条件：凡尔打开条件： ①按安装方式分为：绳索投入式、固定式。②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。③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 (二）几种常用的气举凡尔简介（自学）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；(5)静气柱压力分布计算相关式。 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 （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：井身结构；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：饱和压力、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 2.气举井内的压力分布计算②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。①套管内的静气柱压力分布(近似于直线)：③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 （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 已知：产量、注入压力、油压和IPR曲线；计算：注气点深度、气液比和注气量。计算步骤：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。设计步聚是采用节点分析方法，以井口作为求解点来寻求满足规定条件的注气点深度和注气量。 （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在有些情况下并不规定产量，而是希望在可提供的注气压力和注气量下，尽量获得最大可能的产量。设计步骤：1)假定一组产量，根据可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)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(0.5~0.7MPa)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上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。 （五）气举阀位置确定方法1）计算法①第一个阀的下入深度一般采用计算法或图解法来确定阀位置和数量。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： ②第二个阀的下入深度阀Ⅱ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Ⅱ处的环空压力为PaII，阀I处的油压为PtI。 ③第i个阀的下入深度2）图解法(p89)图2-42图解法确定阀位置 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)小结(1)气举是利用气体膨胀使井筒流体密度降低的机理采油。(2)气举的类型可按注气方式和装置类型进行分类。(3)气举阀的作用是降低气举启动压力，从而选择小功率的压缩机，节约投资。(4)气举阀的类型很多，可根据油井的具体情况进行选择。(5)气举生产系统的设计内容主要包括：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。