采气工程课件

采气工程主讲人：廖锐全目录第一章天然气性质第三章排水采气工艺第六章气井井筒和地面管流动态预测第七章气井生产系统分析与工艺设计天然气是指在不同地质条件下生成、运移，并以一定压力储集在地下构造中的气体。我国是世界上最早发现、开采和利用石油及天然气的国家之一。据史料记载，已有三千多年的历史。早在周代(公元前1122--770年间)的<<易经>>上就有了“上火下泽、火在水上，泽中有火”等记载，到了秦、汉时期，在今陕北、甘肃、四川等地区就已发现了石油和天然气，并用来点灯照明、润滑、防腐和煮卤熬盐。

四川自流井气田的开采已约有二千年历史。据<<自流井记>>上的史料记载，早在汉朝就在自流井发现了天然气，宋末元初（十三世纪）已大规模开采自流井的浅层天然气。前言

石油工业是国家的支柱产业，其主要目的任务是将地下的石油和天然气开采出来。所谓采气工程，就是在人为干预下，有目的地将天然气从地下开采到地面，并输送到预定位置的工程。采气工程是一项复杂的系统工程，而且具有鲜明特征：系统的主体部分深埋底下，看不见、摸不着；系统的介质是流体，能够自由流动，是“活的”；天然气是不能再生、难于替代的宝贵资源，不允许重复实验，采气工程又是高投入、高产出的工程，因此要求决策科学合理。前言

采气工程系统气田气藏气井系统前言

气嘴

分离器

地面管线

井筒

气层气井示意图气井系统前言

石油工程4年级学生，对石油开采技术已有了比较系统的了解；天然气和石油性质不同，开采技术方法上有各自的特点；本科程的目的和任务，就是让同学们对天然气的开发和开采工艺技术有比较系统的了解。课程目的、任务前言课程主要内容1、天然气性质2、气田储量计算3、天然气田的开发特点4、气田开发设计与分析5、气井产能6、气井井筒和地面管流动态预测7、气井生产系统与举升工艺8、气井井场工艺5.1理论公式5.2经验公式5.3试井6.1井筒中的压力、温度计算6.2节流装置的压力、温度6.3地面集输管流7.1气井生产系统与分析7.2气井基本参数的确定7.3气井排水采气8.1气液分离与脱水8.2天然气水合物

天然气是指在不同地质条件下生成、运移,并以一定压力储集在地下构造中的气体。

天然气成游离状态集聚的地方——气藏高产有工业价值中产气藏低产无工业价值同一地区的多个气藏=气田第一章

天然气性质

定义

天然气不能用一种固定的组分或混合物来下定义。天然气的组成通常用摩尔分数或百分数表示。如将天然气及它的各种组分视为理想气体，天然气的摩尔体积等于天然气中各组分摩尔体积之和（阿佛伽德罗定律）。并且,摩尔分数等于体积分数。第一章

天然气性质

1.1组成第一章

天然气性质

1.1组成重烃含量少=贫气（干气）高热值天然气非烃含量较高=低热值天然气净气

CO2和H2S=酸气

油气田按气油比分类：气井—气油比>17809m3/m3（100000ft3／bbl）凝析气井—气油比为890-17809m3/m3(5000-100000ft3／bbl)油井—气油比在几百m3/m3（几千ft3／bbl）以内常规天然气藏应根据气藏的原始压力和温度在压力－温度相态图(P-T图)上的位置来定义。第一章

天然气性质

1.2相态特性1.2相态特性第一章

天然气性质图1.1碳氢化合物的p-T图泡点线露点线临界点临界凝析温度临界凝析压力

1.2相态特性第一章

天然气性质图1.1碳氢化合物的p-T图干气藏湿气藏凝析气藏

Z——气体压缩系数（气体偏差系数，Z系数）第一章

天然气性质

1.3物性参数图１.4

斯坦丁—卡兹Z—系数图

三、凝析油/气比假设将n摩尔天然气采到地面,从中分离出nG摩尔气和nL摩尔液体凝析油,摩尔凝析油/气比：RMLG=nL/nG体积凝析油/气比定义为:油罐条件下凝析油体积VLSt与标准状态下的气体体积VGsc之比,即

RVLG=VLst/VGsc

第一章

天然气性质

1.3物性参数

对于湿气气藏，假如有n摩尔湿气分离成nL摩尔液体和nG摩尔气体，n摩尔气体在地层条件下的体积为第一章

天然气性质

1.3物性参数nG摩尔气在地面标准状态下的体积为湿气的体积系数

对于湿气气藏，假如有n摩尔湿气分离成nL摩尔液体和nG摩尔气体，n摩尔气体在地层条件下的体积为第一章

天然气性质

1.3物性参数nG摩尔气在地面标准状态下的体积为湿气的体积系数26第三章排水采气工艺第四节气举排水采气

第一节排水采气工艺的机理第二节优选管柱排水采气

第三节泡沫排水采气

第五节常规有杆泵排水采气

第六节电潜泵排水采气

第七节射流泵排水采气27引言无水气藏：是指产气层中无边底水和层间水的气藏（也包括边底水不活跃的气藏）。驱动方式：天然气弹性能量，进行消耗式开采。有水气藏除少数气井投产时就产地层水外，多数气井是在气藏开发的中后期，由于气水界面上升，或采气压差过大引起底水锥进后才产地层水。驱动方式：水驱28气井产水的负面影响：①井筒积液、回压增大、井口压力下降、气井的生产能力受到严重影响；②井底附近区积液，产层会受到“水侵”、“水锁”、“水敏性粘土矿物的膨胀”等影响，使得气相渗透率受到极大损害。引言30不同储渗类型气藏地质特征第一节排水采气工艺的机理31二、排水采气应具有的地质要素第一节排水采气工艺的机理⑴气藏具有封闭性弱弹性水驱特征。气藏的封闭性、定容性使排水采气成为可能。⑵产水气藏的水体有限、弹性能量有限。⑶地层水分布受裂缝系统控制，多为裂缝系统内部封闭性的局部水。这些水沿裂缝窜流，因此可利用自然能量和人工举升排水。⑷产水气井井底积液。地层水在井底周围区域聚集，有利于人工举升。32三、排水采气工艺方法及评价第一节排水采气工艺的机理气藏的地质特征产水井的生产状态经济投入情况评价依据：

排水采气工艺：⑴优选管柱排水采气⑵泡沫排水采气⑶气举排水采气⑷活塞气举排水采气⑸常规有杆泵排水采气⑹电潜泵排水采气⑺射流泵排水采气33

我国已开发的气田，大多数属于低孔低渗的弱弹性水驱气田。第二节优选管柱排水采气

实践证明：气井的积液对气井特别是中后期低压气井的生产和寿命影响极大。只有气井产层的流入和油管产出的工作相互协调，才能把地层的产出液完全连续排出井口，获得较高的采气速度和采收率。34第二节优选管柱排水采气一、工艺原理气水气流流速必须达到连续排液的临界流速井口有足够的压能关键：优选气井合理管柱目标：使气井正常生产，延长气井的自喷采气期。35第二节优选管柱排水采气二、工艺设计计算⒈气井连续排液的临界流速与临界流量

根据气体状态方程，在油管鞋处的气体体积流量与标准状况下的体积流量的关系为：（1）气流速度：36

若液滴在井筒中的沉降速度和气流举升速度相等，即液滴处于滞止状态悬浮于气井管鞋处，油管鞋处液滴的沉降速度（滞止速度）为：第二节优选管柱排水采气

在气流中自由下落的液滴，受到一种趋于破坏液滴的速度压力的作用；而液滴表面张力的压力却趋于使液滴保持完整。这两种压力对抗能够确定可能得到的最大液滴直径与液滴沉降速度关系：（2）油管鞋处液滴的沉降速度（滞止速度）37第二节优选管柱排水采气油管鞋处液滴的沉降速度（滞止速度）为：38第二节优选管柱排水采气

为了确保气井连续排液，气体临界流速须为滞止速度的1.2倍，即：（3）气井连续排液的条件实验与经验临界流速：临界流量：39第二节优选管柱排水采气2.气井连续排液的合理油管直径3.油管下入深度的确定40第二节优选管柱排水采气三、优选管柱诺模图

当油管直径一定时，在双对数坐标系中，井底流压和临界流量、临界流速都成直线关系。

根据上述公式，编程计算，求得不同井深和井底流压下的临界流速和临界流量与一定实际产量相对应的对比流速和对比流量。然后在双对数坐标纸上绘制诺模图。自学：图3-2

取41第二节优选管柱排水采气四、影响气井举升能力的因素

1.油管举升高度

气井连续排液的临界流速与气井的井底流压和油管举升高度有关，而与油管的管径无关。当井底流压一定时，油管举升高度越大，需要的临界流速越大，反之亦然。42第二节优选管柱排水采气2.油管尺寸

气井连续排液的流量与管柱直径的平方成正比，自喷管柱直径越大，气井连续排液所需临界流量也就越大；反之亦然。因此，小直径油管具有较大举升能力，这就是小油管法排水采气工艺的基本原理。四、影响气井举升能力的因素

43第二节优选管柱排水采气3.井底压力

提高井底压力会对气井的举液能力起反作用，在气体质量速率、自喷管径、油管举升高度相同条件下，压力较高，气体体积较小，就意味着气流速度较小时，需要较大的临界流量才能将液体连续排出井口。四、影响气井举升能力的因素

44第二节优选管柱排水采气4.临界流量

气井自喷管柱、举升高度、井底流压一定时，气井连续排液所需的临界流量也一定。

如果油管举升高度相差较大，由于油管鞋处的温度和天然气偏差系数相差较大，因而连续排液所需的临界流量较大；而且更为重要的是，油管下入深度的不合理将直接影响举升效果。四、影响气井举升能力的因素

45第二节优选管柱排水采气五、工艺技术界限及条件（1）关键：确定气井的产量，满足连续排液的临界流动条件。①在气水产量较大时，流动摩阻损失是主要矛盾，宜优选较大尺寸油管生产。但要保证油管鞋处的对比流速Vr≥1。②在气水产量较小时，流动滑脱损失是主要矛盾，宜优选小尺寸油管生产，以确保油管鞋处的对比流速Vr≥1。（2）油管设计必须进行强度校核，对于深井可采用复合油管柱，并按等抗拉强度计算进行组合。46第三节泡沫排水采气泡沫排水采气：

从井口向井底注入某种能够遇水起泡的表面活性剂（称为泡沫助采剂），井底积水与起泡剂接触后，借助天然气流的搅动，生成大量低密度含水泡沫，随气流从井底携带到地面。

“泡排”的工艺特点：设备简单、施工容易、见效快、成本低、不影响气井正常生产。47泡沫助采剂主要是一些具有特殊分子结构的表面活性剂和高分子聚合物，其分子上含有亲水基团和亲油基团，具有双亲性。主要包括：起泡剂、分散剂、缓蚀剂、减阻剂、酸洗剂及井口相应消泡剂等。第三节泡沫排水采气48一、泡沫排水采气机理第三节泡沫排水采气⒈泡沫效应

在气层水中添加一定量的起泡剂，就能使油管中气水两相管流流动状态发生显著变化。气水两相介质在流动过程中高度泡沫化，密度显著降低，从而减少了管流的压力损失和携带积液所需要的气流速度。49一、泡沫排水采气机理第三节泡沫排水采气⒉分散效应

气水同产井中，存在液滴分散在气流中的现象，这种分散能力取决于气流对液相的搅动、冲击程度。搅动愈激烈，分散程度愈高，液滴愈小，就愈易被气流带至地面。

气流对液相的分散作用是一个克服表面张力作功的过程，分散得越小，作的功就越多。

起泡剂的分散效应：起泡剂是一种表面活性剂，可以使液相表面张力大幅度下降，达到同一分散程度所作的功将大大减小。50一、泡沫排水采气机理第三节泡沫排水采气⒊减阻效应

减阻剂是一些不溶的固体纤维、可溶的长链高分子聚合物及缔合胶体。减阻剂能不同程度地降低气水混合物管流流动阻力，提高液相的可输性。

减阻的概念起源于“在流体中加少量添加剂，流体可输性增加”。51

起泡剂通常也是洗涤剂，它对井筒附近地层孔隙和井壁的清洗，包含着酸化、吸附、润湿、乳化、渗透等作用，特别是大量泡沫的生成，有利于不溶性污垢包裹在泡沫中被带出井口，这将解除堵塞，疏通孔道，改善气井的生产能力。一、泡沫排水采气机理第三节泡沫排水采气⒋洗涤效应52二、工艺流程第三节泡沫排水采气

泡沫注采剂由井口注入，油管生产的井，从油套环行空间注入；套管生产的气井，则由油管注入。对于棒状助采剂，经井口投药筒投入。消泡剂的注入部位一般是在分离器的入口处，与气水混合进入分离器，达到消泡和抑制泡沫再生，便于气水分离。53三、工艺技术界限与条件

第三节泡沫排水采气⒈优选泡排气速

试验表明：气速大致在1～3m/s范围内不利于泡排。因此控制合适的气速，可获得最佳的助排效果。气流速度对泡沫排水的影响54第三节泡沫排水采气⒉最易泡排的流态环雾流：气井自身能量充足，带水生产稳定，不需要采用助采措施。泡沫排水的主要对象是泡流、段塞流和过渡流，尤其以段塞流的助采效果最佳。流态和浓度与排水量增值关系图55第三节泡沫排水采气⒊合理使用浓度

泡沫排水中，助采剂的加入受气体流动速度、产水量、井深、助采剂种类等因素的影响。各类表面活性剂都有各自的特性参数—临界胶束浓度，该值可作为理论用量的依据。对于多组分助采剂，可参考表3—3。56第三节泡沫排水采气⒋日施工次数⑴产凝析水或产地层水少的气井，宜采用间歇排水方式，助采剂的加入周期为数天或数月；⑵地层水产量Qw>30m3/d，助采剂在这些井上的加入周期越短、越均匀、越好，最好是连续加入。一般每天加2～3次。57

泡沫排水时，起泡剂过量或产生的泡沫过于稳定时，大量的泡沫会被带到集输管线，引起堵塞，导致集输压力升高。

消泡剂的用量，按配方推荐浓度确定，通常间歇注入，以分离器出水中不积泡为原则。第三节泡沫排水采气⒌消泡剂及用量58第四节气举排水采气气举排水采气：利用天然气的压能来排除井内的液体。按排水装置的原理分类：气举阀排水采气柱塞间歇排水采气等。影响气举方式选择的因素：

气井产率、井底压力、产液指数、举升高度及注气压力等。对井底压力和产能高的井，通常采用连续气举生产；对产能和井底压力低的井，则采用间歇气举或柱塞气举。59第四节气举排水采气一、连续气举排水采气60第四节气举排水采气二、柱塞气举排水采气柱塞气举的工作过程61第四节气举排水采气柱塞气举工艺流程及设备62第五节常规有杆泵排水采气常规有杆泵排水采气与有杆泵采油有明显区别：（1）气井产出腐蚀性流体；（2）地层水矿化度高；（3）气液比高；（4）井口压力和输压高；（5）排液量大，动液面深；（6）油管排水，油套环行空间采气。63一、工艺流程第五节常规有杆泵排水采气64二、井下气水分离器第五节常规有杆泵排水采气FL－1型井下气水分离器65第六节电潜泵排水采气电潜泵排水采气与电潜泵采油的区别：（1）抽汲介质（气水混合物）（2）泵的工况（从单相流逐渐变为两相流）（3）生产方式（油管排水、套管采气）66第六节电潜泵排水采气一、工艺原理及流程67第六节电潜泵排水采气二、影响因素分析⒈气体的影响措施：①使用变频调速电潜泵和气体分离器；②增加泵吸入口压力值；③控制套压值；④将电潜泵机组下到射孔产层下部等。68第六节电潜泵排水采气二、影响因素分析⒉腐蚀性介质的影响

气井产出的流体中通常含有强腐蚀性的硫化氢、二氧化碳、氯离子等成分。特别是在高温高压下这些强腐蚀剂对电潜泵机组的井下部件的电化学腐蚀十分严重，常以点蚀、穿孔和大小不同侵蚀面出现。另外腐蚀性介质对电力电缆的铠皮腐蚀也十分严重。措施：采用高镍铸铁、耐蚀合金、铁素体不锈钢材料制造的泵和分离器，采用洛氏硬度小于22°的低碳合金钢和中碳合金钢制造的电机、保护器、泵、分离器外壳，或在外壳上喷涂有蒙乃尔涂层，或在外壳喷上高温烤漆。69第六节电潜泵排水采气二、影响因素分析⒊温度的影响（1）当温度比电机的额定温度每高出10℃，电机的使用寿命就将缩短一半；（3）研究资料表明：在腐蚀介质相同的条件下，腐蚀速度与温度的平方成正比。（2）当温度比电缆的极限使用温度每高出8.4℃时，电缆的寿命也将降低一半。70第六节电潜泵排水采气二、影响因素分析⒋套压的影响（1）在满足泵有足够的沉没度的条件下，一般保持较高的套压值生产，对减小天然气从套管环空产出时对泵的影响有一定作用，且有利于保护套管。（2）值得注意的是：由于套压的存在，会使井下电缆的绝缘层和保护套渗入一小部分高压气体。在电潜泵停机后，要防止套压的下降速度过快，造成电缆鼓泡胀裂而损坏。应使用角式节流阀控制套压的下降速度≤0.5MPa/h，以保护电缆。71第六节电潜泵排水采气二、影响因素分析⒌泵挂深度的影响

开始泵抽汲纯地层水，随着累计排水量的增加和井筒动液面的降低，形成一定的复产压差后，井中产出的天然气量逐渐增加，泵抽汲的介质逐渐变为气水混合物。由于天然气的影响，从动液面到气层中部的气水混合物密度随深度不同，差别范围很大，因此需要确定一个最佳的泵挂深度。72第六节电潜泵排水采气二、影响因素分析⒍井的流入动态特性的影响

气井的流入动态特性决定着气井的最大产水量、泵排量低于最大排水量时的吸入口压力值。⒎套管承压能力的影响

套管的抗挤压强度必须满足电潜泵排水后所建立的大生产压差，保证套管不变形，否则由于腐蚀介质的长期腐蚀，当生产套管的抗挤压强度小于地层压力时，会出现套管变形，使电潜泵机组起下过程中遇卡。73第七节射流泵排水采气1852年在矿井试验中曾使用射流泵排水，到了二十世纪60年代，才用于油井采油，1980年加拿大使用射流泵排水采气，1992年我国四川从美国引进射流泵进行排水采气。74第七节射流泵排水采气一、射流泵的结构及泵的工作原理射流泵的工作件是喷嘴、喉道和扩散管。75第七节射流泵排水采气关键：喷嘴的面积和动力液压力决定输入功率；喷嘴与喉道面积比决定射流泵的工作能力。

对于过流面积一定的喷嘴，选用小的喉道组合将是一压头高而排量低的射流泵，这种泵适用于举升高度大的深井。如果选用大的喉道组合将是一压头低而排量大的射流泵，这种泵适用于低举升高度的浅井。76第七节射流泵排水采气二、射流泵排水采气设备⒈井下系统井下装置一般分为两类：固定型和自由型井下装置。固定型井下装置的井下泵固定安装在油管柱的下部，检泵必须起下油管。这种井下装置有插入式和套管式两类。自由型井下装置的井下泵可以从油管内泵入或泵出，检泵不需起下油管。这种井下装置又有平行式和套管式之分。77第七节射流泵排水采气井下专用工具：哑体及堵塞工具井下压力计固定阀及其起下工具抽吸头和反向皮碗。78①哑体及堵塞工具哑体和堵塞工具的外形尺寸与井下射流泵的尺寸相同，但哑体无流体通过，堵塞工具有流体通道。哑体的作用是通过油管和堵塞射流泵井下装置后对油管试压。堵塞工具的作用是堵塞射流泵井下装置使油管流通，以便进行酸化等井下作业。②井下压力计为了获得不同产量下的井底压力，通常把井下压力计和射流泵一起下入井中。通常把压力计接在射流泵的专用外壳中,它可以获得很平滑的压力记录，但不能测量井的压力恢复。第七节射流泵排水采气井下专用工具：79第七节射流泵排水采气井下专用工具：③固定阀及其起下工具

对于自由泵系统，为了防止循环液进入地层，必须使用固定阀。当泵工作时，固定阀打开，地层流体流入泵的吸入口，停泵时固定阀及时关闭。用钢丝作业车，使用专用起下工具可以起下固定阀。80第七节射流泵排水采气井下专用工具：④抽吸头和反向皮碗

自由型射流泵需要抽吸头和反向皮碗，它们安装在射流泵工作筒上端。在工作筒上有一单流阀，以便起泵时限制通过射流泵的旁流量。81第七节射流泵排水采气二、射流泵排水采气设备⒉井口装置井口装置的重要组成部分是井口控制阀。82第七节射流泵排水采气二、射流泵排水采气设备⒉井口装置①将动力液打入油管进行正循环，使射流泵下入井中并运转；②将动力液打入套管进行反循环，将射流泵从井中起出；③起下泵时，固定和捕捉射流泵；④关闭动力管线，拆卸泵时使油管泄压和排出油管中的气体；⑤过压保护；⑥快速便利地改变动力液的流动方向。井口控制阀的主要功能：83第七节射流泵排水采气二、射流泵排水采气设备⒊地面系统地面系统的作用：分离产出流体作为动力液；除去动力液中的游离气和固体颗粒；加入化学处理剂；在足够的压力下循环动力液，操作井下射流泵。射流泵的地面系统：中心站系统和独立井场动力站系统84四川气田某井射流泵排水采气地面系统示意图第七节射流泵排水采气85第七节射流泵排水采气三、射流泵的适用范围射流泵能在高温、高气流比、出砂和腐蚀等复杂条进下工作，适用于斜井和水平井。总排量范围：16.0~1900.0m3/d；举升高度：450.0~3050.0m；地面泵功率：22.0~460.0kW。END目录第六章气井井筒和地面管流动态预测第一节天然气性质第二节气田储量计算第三节天然气田的开发特点第四节气田开发设计与分析第五节气井产能第六节气井井筒和地面管流动态预测第七节气井生产系统与举升工艺第八节气井井场工艺

采气工程系统气田气藏气井系统

气嘴

分离器

地面管线

井筒

气层气井示意图气井系统前言课程主要内容1、天然气性质2、气田储量计算3、天然气田的开发特点4、气田开发设计与分析5、气井产能6、气井井筒和地面管流动态预测7、气井生产系统与举升工艺8、气井井场工艺6.1干气井井底压力计算6.2

气液井拟单相流井底压力计算6.3气水同产井井底压力计算6.4

井筒中温度分布预测方法6.5节流装置处的压力、温度变化预测6.6

集输气管流计算计算气井井底压力分静止气柱和流动气柱两种计算方法。1、流动气柱气体从井底沿油管流到井口，假定为稳定流，取长度为dH的管段为控制体，则根据能量方程可以写出：（6.1)对于垂直管气体流动：（1）从管鞋到井口没有功的输出，也没有功的输入，即=0；（2）动能损失忽略不计，即；则（6.1）式可以写成：(6.2)第六章井筒和地面管流动态预测

1、干气井井底压力计算标准状态取为：Psc=0.101325MPa,Tsc=293K。qsc为标准状态下气体流量，m3/d；则在管内任意一点（P，T）下，代入（6.2）式，并除以g=9.8，整理后可得：

第六章井筒和地面管流动态预测

1、干气井井底压力计算考虑到井内气体向上流动时，沿气体方向压力是逐渐递减的，上式可略去负号，写成积分形式为：(6.5)（二）求解方法将井筒全长H分成n段，段长为；每一段中，T、Z用该段的平均值，即T==常数，Z==常数，

第六章井筒和地面管流动态预测

1、干气井井底压力计算令：则：可积分得

第六章井筒和地面管流动态预测

1、干气井井底压力计算二、静止气柱

对于静止气柱，qsc=0,由(6.5)式得出基本公式为

积分后得

第六章井筒和地面管流动态预测

1、干气井井底压力计算三、环形空间流动气柱

有效管径(EffectiveDiameter)：对于环形空间流动：

值得提请注意的是，切勿将直接替换压力计算式中的d5

因环形空间流速

环形空间摩阻项：第六章井筒和地面管流动态预测

1、干气井井底压力计算第二节气液井拟单相流井底压力计算与油井相比较，气液比远远高于油井，流态属雾流，即气相是连续相，液相是分散相。对这类气井，为简化计算，将它视为均匀的单相流，称之为拟单相流。在计算油管内的压力分布时，直接借鉴单相气流的解题思路和步骤。对气液比大于1780m3/m3的井，用此法处理的结果是令人满意的。

第二节气液井拟单相流第六章井筒和地面管流动态预测

第三节

气水同产井井底压力计算一、基本方程

Poettmaan&arpenter方法Hagedorn&Brown方法Beggs-Brill方法，Aziz方法，OrkiszewshiHasan方法方法，zhmx方法

第三节气水同产井图6.1流态划分图第六章井筒和地面管流动态预测

第四节

井筒中的温度分布预测方法

Kirkpatridk方法，Shiu方法，Sagsr方法，苏联经验法。

JPI预测方法

：气液同时向上流，取长为dl的微元控制体，假定为定常流第四节

井筒中的温度分布第六章井筒和地面管流动态预测

6.2温度分析示意图连续性方程：能量方程：

wm—混合物的总质量流量，kg/s；vm—混合物流速；W—控制体所作的功，N·m/s；Qe—外界传给控制体的热量，kcal/s；J—热功当量，N.m/kcal；hm—气液混合物热焓，kcal/g；θ—井筒与水平面的夹角，（°）。图6.2温度分析示意图第六章井筒和地面管流动态预测

第四节

井筒中的温度分布假定控制体不对外作功，即W=0；且地温按线性分布，梯度为gT，油层中部深度温度为T0，则H处对应的地层温度Te为：假定控制体与外界稳定传热，则dQe为

U0—总的传热系数，kcal/(m2·s·℃)

可以得出下列微分方程：

图6.2温度分析示意图第六章井筒和地面管流动态预测

第四节

井筒中的温度分布图6.2温度分析示意图第六章井筒和地面管流动态预测

第四节

井筒中的温度分布第五节

节流装置处的压力、温度变化预测

气体通过气嘴没有位能变化，也没有功的输出或输入，摩擦损失也可忽略不计，但动能变化在此起重要作用。按此考虑，气体稳定流动能量方程可以写为

从工程热力学的观点分析：高压气体通过气嘴，因孔道短流速急，可视为绝热过程。入口状态与任一状态之间的关系为

第六章井筒和地面管流动态预测

第五节

节流处的压力、温度变化第五节

节流装置处的压力、温度变化预测

定义一个函数：

则得

第六章井筒和地面管流动态预测

第五节

节流处的压力、温度变化＜为临界流(CriticalFlow)；

时，为非临界流相对密度为0.6的天然气，

当上游压力P1和气嘴开孔直径一定时，一旦出口端面上的速度达到音速，气流的压力波就不能反馈影响上游，气嘴出口与入口之间的压力差就不能再增大。此时，通过气嘴的气体流量达到最大值，既不能继续增大，也不会降低为零，如图6.3所示。

第六章井筒和地面管流动态预测

第五节

节流处的压力、温度变化最大气量公式：

第六章井筒和地面管流动态预测

图6.3～关系图第五节

节流处的压力、温度变化通过节流装置后的天然气温度可以按下述办法计算。由真实气体的状态方程，在节流装置上游进口处有：而节流装置喉部，则为

天然气节流装置的流动可视为绝热过程，则有

综合以上三式，可导得天然气过节流装置喉部的温度T2为

第六章井筒和地面管流动态预测

第五节

节流处的压力、温度变化第六节集输气管流计算

对于一条等径的水平输气管，如果管内是纯气体，符合稳定流动条件，无功和热的交换，且动能可以忽略不计，则稳定流动能量方程可简化为通过变换并积分得对任何标准状态都适用的计算输气量的公式第六章井筒和地面管流动态预测

第六节集输气管流计算第六节集输气管流计算

用计算输气量的公式计算输气量，计算值总比实际输气量大，对于长输管线更为突出。为此，引进效率系数(EfficiencyFactor)的概念，并用符号E表示，其值小于1。具体数值可参照下表第六章井筒和地面管流动态预测

第六节集输气管流计算气体性质

干

气

套管气

凝析油和气

液相含量

Ml/(106m3)0.17.2800Gal/(106Sef)0.01340.963106.996

E0.920.770.662．输气管内的平均温度

前两项表示管线与外界换热，第三项表示焦耳-汤姆逊效应，第四项反映管段的高差变化，第五项代表速头。最后两项数值太小，使用时可不计入。如果管段压降较小，气体膨胀产生的温降也可忽略不计。则式(6.64)可以简化为：第六章井筒和地面管流动态预测

第六节集输气管流计算3．输气管内允许流速计算输气量应该顾及气体高速流动产生的冲蚀作用。通常，管内某点的流速达到18.29～21.34m/s(60～70ft/s)时，冲蚀作用十分明显。产生冲蚀作用的流速称为冲蚀流速(ErosinalVelocity)。精确估计较为困难，如果气体中含有砂粒等固相颗粒，较低流速也会产生冲蚀。1984年，Beggs提出计算冲蚀速度的公式ue—冲蚀速度，m/s；ρg—气体密度，kg/m3;C—常数，C=122。第六章井筒和地面管流动态预测

第六节集输气管流计算根据ue，计算标准状态下的日输气量

qe—日输气量，104m3/d;A—输气管截面积，m2。

第六章井筒和地面管流动态预测

第六节集输气管流计算4.输气管允许工作压力由输气量计算公式可看出，提高首站输气压力可以增加输气能力。但是，对已选定的输气管，管线的材质、壁厚和直径为定值，输气时只能承受一定的输气压力。输气最大工作压力由下式确定：式中

pmax为输气管最大的内工作压力；为满足工作压力、机械加工、腐蚀和冲蚀余量所需要的最小壁厚；c为机械加工、腐蚀和冲蚀余量之和；d0为输气管外径；S为管材的允许应力；ф为纵向焊接系数；Y为铁素体钢的适用系数。

第六章井筒和地面管流动态预测

第六节集输气管流计算采气工程

第七章气井生产系统分析与工艺设计

主讲人：廖锐全

气嘴

分离器

地面管线

井筒

气层气井示意图气井系统前言第七章气井生产系统分析与工艺设计第一节

气井生产系统分析

第二节气井生产工作制度分析第三节

气井产气管柱的确定

第四节排水采气方法第五节

气举排水采气

第六节电潜泵排水采气第七章气井生产系统分析与工艺设计第一节

气井生产系统分析

第二节气井生产工作制度分析第三节

气井产气管柱的确定

第四节排水采气方法第五节

气举排水采气

第六节电潜泵排水采气

1系统的组成

2基本原理

3节点分析方法

4例题

7.1气井生产系统分析

一、气井生产系统组成图7.1气井生产系统示意图“系统是相互作用的多元素的复合体”

系统分析：组分关联整体小系统

简单系统直接综合大系统系统简单巨系统统计综合

巨系统

复杂巨系统

7.1气井生产系统分析二、基本原理尽管各气井由于结构不同，气井生产系统模型因井而异。开采过程中，天然气从地层流经气井系统的气层供气子系统、井筒子系统和地面子系统。天然气作为流体，应该遵循流体流动的基本定律——质量守衡和能量守衡定律。质量守衡定律在气井系统中可以表达为：通过各部分（子系统）的流体质量相等；而能量守衡则表现为：各部分的压力具有累加性，即流体从前一子系统的流出压力正好等于下一子系统的流入压力。根据质量守衡和能量守衡定律，就可以将油层子系统、井筒子系统和地面子系统的模型组合成气井系统的模型。

二、基本原理7.1气井生产系统分析气体通过系统的每一部分都有压力消耗，即在每一部分都产生压力降。这些压力降包括：△P1=Pr-Pwfs—通过气层的压降；△P2=Pwfs-Pwf—通过完井段的压降；△P3=PUR-PDR—通过井底气嘴的压降；△P4=PUSV-PDSV—通过井下安全阀的压降；△P5=Pwh-PDSC—通过地面气嘴的压降；△P6=PDSC-Psep—通过集气管的压降；△P7=Pwf-Pwh—油管内的总压降；△P8=Pwh-Psep—井口到集气站的总压降。Pr为地层压力；Pwfs为井底油层面上的压力；Pwf为井底流压；PUR

、PDR为井下节流器上、下游压力；PUSV

、PDSV为井下安全阀的上、下游压力；PDSC为地面气嘴下游压力；Pwh为井口油压；Psep为分离器压力。

三、节点分析方法7.1气井生产系统分析

7.1气井生产系统分析

一、气井生产系统组成图7.1气井生产系统示意图7.1气井生产系统分析

（一）、节点设置

节点－两段不同流动规律的衔接点。节点可以分为普通节点和函数节点两种。普通节点——节点本身不产生与流量有关的压降。对于图（7.1）所示的气井生产系统，分离器的压力和地层压力，通常可视为常数，在一段时间内认为这两个压力与系统流量无关。因此，其相应的位置（分离器和气井控制范围的外边界）即图中的①和⑧可取为普通节点。在图中的③、⑥和⑦点也属于普通节点。函数节点（FunctionalNode）是指当气体通过井下安全阀、地面气嘴等部件时，将产生与流过气量相关的压降，取这些部件为节点称为函数节点（压力函数节点）。函数节点产生与流量相关的压降，其值可通过一定的数学模型进行计算。三、节点分析方法7.1气井生产系统分析

二）解节点的选择在运用节点分析法分析系统的具体问题时，通常集中分析系统中的某一节点，此节点一般称为解节点。通过解节点的选择，气井生产系统被划分成始节点到解节点和解节点到末节点两部分，即为流入和流出两大部分。通过对这两部分的模拟计算，求得流入和流出动态特性参数，并分析比较，便可了解气井生产系统的动态。解节点的选择与系统分析的最终结果无关。即解节点的位置可以在生产系统内任意选择，而不会影响系统分析得出的结果。但为了简化计算，解节点的位置应该依据所要求解问题的目的而定。原则上，应该使解节点尽可能靠近分析对象。三、节点分析方法7.1气井生产系统分析

三）气井节点分析方法与应用：1、分析方法与步骤（1）选取解点；（2）建立流入部分模型，计算流入动态；（3）建立流出部分模型，计算流出动态；（4）作出流入、流出动态曲线；（5）分析三、节点分析方法7.1气井生产系统分析

三）气井节点分析方法与应用：2、应用（1）分析系统动态三、节点分析方法

图7.2系统分析曲线7.1气井生产系统分析

由图（7.2）可见，流入与流出动态曲线的交点为A。在A点的左侧，例如在产量q1下，对应的井底流压P1>P1/，说明生产系统内流入能力大于流出能力，这说明油管或流出部分的管线设备系统的设计能力过小或流出部分有阻碍流动的因素存在，限制了气井生产能力的发挥。而在A点的右侧，例如在产量下，情况刚好相反。在该处表明气层生产能力达不到设计流出管道系统的能力，说明流出管路的设计过大，造成了不必要的浪费或气井的某些参数控制不合理，或气层伤害降低了井的生产能力，需要进行解堵、改造等措施。只有在A点，产层的生产能力刚好等于流出管路系统的生产能力，表明井处于流入与流出能力协调的状态，该点称为协调产量点。三、节点分析方法7.1气井生产系统分析

三）气井接点分析方法与应用：（2）系统的优化选择

三、节点分析方法

图7.3系统优化分析图解7.1气井生产系统分析

例1：对气井生产系统进行节点分析。假定如图7.1系统不装安全阀和气嘴，已知：产能指数方程为

油管深度

H=3000m；地面水平集气管

L=3000m；油管和集气管内径

d=6.20㎝；管内平均温度=293K；气体相对密度=0.6；分离器压力=5MPa。目标：在所给参数条件下，求系统最大产能。解：取③为解点，系统被分割为两部分（1）流入

(2)流出三、节点分析方法

7.1气井生产系统分析

一、气井生产系统组成图7.1气井生产系统示意图7.1气井生产系统分析

分析步骤如下：表7.1（1）假设一系列气体流量:5、7.5、10、12.5、15、17.5和20，单位为104m3/d；（2）在Psep=5MPa条件下，利用水平管输气公式计算各流量相应的井口压力Pwh值，计算结果列入表7.1第4栏；三、节点分析方法

qsc104m3/dpsepMPa水平输气管△P3-1MPaP3=PwhMPa5.050.17015.17017.550.37525.375210.050.64985.649812.550.98845.988415.051.36956.369517.551.79656.796520.052.25817.25817.1气井生产系统分析

表7.2（3）取=13.459MPa，利用所给气井产能指数方程，计算各流量下的Pwf值，计算结果列入表7.2第3栏；（4）利用垂直管单相气流公式计算，计算结果列入表7.2第6栏；

三、节点分析方法

qsprIPR垂直管单相流P6△P8-6P3△P6-35.013.4612.4141.0449.8012.6127.513.4611.7071.7519.1982.50810.013.4610.8992.5598.4892.40912.513.469.9773.4827.6562.32115.013.468.91494.5446.6582.25617.513.467.66265.7965.4141.86620.013.466.10947.3494.6871.4227.1气井生产系统分析

（5）在同一图上画出流入、流出动态曲线，如图7.4所示；

(6）由流入、流出动态曲线的交点，求出系统在目前条件下的最大产能为15.4×104m3/d。

图7.4

三、节点分析方法

7.1气井生产系统分析

例2在图（7.1）的生产系统中，井口安装一个气嘴，可供选择的气嘴尺寸分别为26/64，32/64和40/64in，即1.03、1.27和1.59㎝；其它参数同前例。试分析安装气嘴后对系统产能的影响。解：（1）选气嘴②为解点；（2）从例1，由流出动态曲线求得不同流量下流出系统的P3值，并令P3=PDSC；同时，由流入动态曲线可求得对应流量下流入系统的P3值，且P3=Pwh。图7.4

三、节点分析方法

7.1气井生产系统分析

(3)令▽P1

＝Pwh-PDSC。

表7.3三、节点分析方法

△p1/MPa

Qsc/104m3/d0

15.4

2

12.5

3

9.5

4

4.5

7.1气井生产系统分析

（4）气嘴在非临界状态下工作，利用嘴流公式计算不同尺寸气嘴的qsc～▽P2值表7.4

三、节点分析方法

D/㎝（in）

QscPwh△p2=pwh－pDSC1.03(26/64)

5101520

5.5857.5859.101

0.4511.442.73

1.27(32/64)

5101520

5.5166.3437.9299.791

0.3460.6931.5592.533

1.59(40/64)

5101520

5.2405.9307.5858.998

0.070.281.221.74

7.1气井生产系统分析

（5）在同一张图上绘出系统的～曲线和各气嘴的～曲线，如图（7.5）所示。每一组曲线与系统的～曲线相交，每一交点相应的流量为安装该气嘴后系统的产能，

图7.5

三、节点分析方法

7.2气井生产工作制度分析

气井生产工作制度，又称工艺制度，是指适应气井产层地质特征和满足生产需要时产量和压力应遵循的关系。

序号工作制度名称适用条件1定产量制度

气藏开采初期2定井底渗流速度制度C=const疏松的砂岩地层，防止流速大于某值时砂子从地层中产出3定井壁压力梯度制度

气层的岩石不紧密，易坍塌的气井4定井口（井底）压力制度

凝析气井，防止井底压力低于某值时油在地层中凝析出来；当输气压力一定时，要求一定的井口压力，以保证输入管网5定井底压差制度气层岩石不紧密、易坍塌的井；有边、底水的井，防止生产压差过大引起水锥三、影响气井生产工作制度的因素1．自然因素1）产层由非胶结的砂子或胶结很差的砂岩构成时

2）在凝析气藏开发中

3）底水锥进

2．工艺因素影响气井生产工作制度的工艺因素有很多，如：1）延长无压缩机开采阶段；2）防止气井过早水淹；3）减少输气干线前压缩机站和人工制冷装置的功率；

三、影响气井生产工作制度的因素

7.2气井生产工作制度分析4）地层温度比较低的气井，要确定一个可允许的无水合物形成的产量或采取其它防水合物的措施。5）CO2含量高的气井，当气体沿油管流动的速度超过一定值后（约11m/s），对管柱的接头产生强烈的腐蚀作用，若气体有水，则电化学腐蚀作用更强。除了采取相应的材料和防腐蚀措施外，另一种辅助方法是尽可能保持一种腐蚀小的流速。6）当气井井底有积液时，要设法保持能带出液体的流速。7）在恶劣的气候条件或艰苦地区钻井，要求最大限度的缩短钻井周期，这也会影响到气井生产工作制度的确定。3、经济条件4、其它：不使设备震动；用户要求等

7.2气井生产工作制度分析三、影响气井生产工作制度的因素7.3气井产气管柱的确定

首先，如果管柱在靠近井底处安装有封隔器，则管柱可以保护套管不受产气管柱内流体的高压作用。其次，它可以保护套管不受液体的腐蚀作用。第三，如果尺寸及组合得当，使用产气管柱可以使井身内不会留有烃类液体和水。第四，管柱的尺寸必须足够大，因而可以使气井在井口回压的作用下能通过最大气量。第四项是在有各种限制情况下所起到的作用最重要的一个。一、产气管尺寸对产气量的影响产气管尺寸对产气量的影响可以采用系统分析方法进行分析。如第一节中的例1和例2。

一、产气管尺寸对产气量的影响二、选择不同流速下用于举升液体的管径要举起一定直径的液滴，井中的气体速度必须超过不流动气体中液滴的自由降落速度，这个速度由下式给出:当气流速度等于液滴沉降的最终速度时，直径为d的液滴就能被气流夹带到地面，即

二、选择不同流速下用于举升液体的管径7.3气井产气管柱的确定液滴变形的惯性力（）与阻止这种变形的表面压力（）之比，用韦伯数（Webernumber）来表示

许多实验表明，在韦伯数达到30之前，存在着稳定的液滴。因此，稳定的自由降落液滴的最大直径为

则携带最大液滴的最小气体流速为

7.3气井产气管柱的确定二、选择不同流速下用于举升液体的管径为安全计，Turner等人建议取安全系数为20%。有为了矿场使用，对水可以采用如下数值：=60N/m，

=1081kg/m3。则

对于凝析油：=20N/m，=726kg/m3。则

7.3气井产气管柱的确定二、选择不同流速下用于举升液体的管径1、优选管柱：优点：1）属自力式气举，能充分利用气藏自身能量，不需人为施加外部能源助喷，2）变井由间歇生产为较长时期的连续生产，经济效益显著；3）．设计成熟、工艺可靠，成功率高；4）设备配套简单、施工管理方便，易推广。缺点：1）．工艺井必须有一定的生产能力，无自喷能力的井必须辅以其他诱喷措施复产或采用不压井修井工艺作业；2）．工艺的排液能力较小，一般在120m2/d左右；3．对小油管常受井深影响。一般在2600m左右

7.4

排水采气

一、排水采气方法2、泡沫优点

:1)

投资小、经济效益显著;2)设备配套简单，管理施工方便;3)易于推广.

缺点

:1)要求井有一定的自喷能力，自喷能力丧失的水淹井须辅之以放喷或其他诱喷措施，以恢复自喷能力;2)需定时定量向井筒添加泡排剂，工艺的排液能力不高，一般100m3/左右，气液比比较小;3)井身结构要求严格;4)工艺参数的确定难度较大.

7.4

排水采气

一、排水采气方法3、连续气举

优点

:1)工艺井不受井斜、井深和硫化氢限制及气液比影响;2)排液量大,单井增产效果显著;3)可多次重复启动,与投捞式装置配套，可减少修井作业次数;4)设备配套简单，管理方便;5)易测取液面和压力资料，设计可靠，经济效益高

缺点

:1)井受注气压力对井底造成的回压影响，不能把气采至枯竭;2)需要高压气井或工艺压缩机作高压气源;3)套管必须能承受注气高压;4)高压施工，对装置的安全可靠性要求高;

7.4

排水采气

一、排水采气方法4、柱塞气举

优点

:

1)装置设计、安装和管理方便;2)适用于各种条件的井,尤其适用于高气液比的井，但也可用于气液比低到534.3～890.5m3/m3的井；3)勿需外部电源；4)井下设备可用钢丝绳起吊设备安装；

5)柱塞上下移动可防止结蜡和积垢。缺点

:

1)不能把气采至枯竭;2)适合于正常情况下排液量小于30m3/d左右的井;3)为达到正确调节，要求较多的工程监测;

4)除了与气举一起采用外，要求油套管之间连通，以保证正常操作。

7.4

排水采气

一、排水采气方法5、机抽

优点

:1）

设备简单，可用天然气和电作动力，易于实现自动控制；

2）设计方法简单、成熟；

3）投资少，并可使装备多井重复使用；

4）不受采出程度影响，能把气采至枯竭。缺点

:1）受井斜、井深和硫化氢影响较大；

2）鉴于气水井与油井性质差异较大，尚未完全解决配套问题

。

7.4

排水采气

一、排水采气方法6、电潜泵优点

:1）排量大(400m3/d)，扬程高(2500m)、可形成大的生产压差，将气井采至枯竭；2）易于安装井下温度、压力传感元件，在地面通过控制屏，随时直观测出泵吸入口处温度、运行电流、压力等参数；3）自动化程度较高，安装、操作、管理方便；4）不受井斜限制。缺点

:

1）需要装高压电源；2）主要装备在井下，对于单井设备系统，气井复活后，难于取出进行重复运用，使装备的一次性投资较大；3）电机、电缆寿命受井温影响，由于高温下电缆易损坏，使井深受限制，目前仅能应用于3000m左右井深

。

一、排水采气方法7.4

排水采气

气举是一种举升井下流体的方法。这种方法是通过某种机械手段，把具有较高压力的气体注入到井筒中，用作举升液流的介质。气举可分为①连续气举、②间歇气举、③柱塞气举三种①连续气举：就是将高压气体连续地注入气举管内，使井筒中的液体充气并减轻产出液混合物的密度，达到降低井底压力的目的，在地层与井底之间形成足够的生产压差，从而获得所需的产量。②间歇气举：就是周期性地向井筒注入高压气，靠高压气的膨胀能将积聚在井筒中的液体举升到地面的一种举升方法。③柱塞气举：间歇气举的一种特殊形式，柱塞作为一种固体的密封界面，将被举升的液段与举升气体分开，减少气体窜流和液体回落，以提高气举的效率。

一、基本概念7.5

气举排水采气

一间歇气举设计方法建立在产量的基础上的设计方法设计方法百分载荷方法百分载荷方法对工作气举阀深度，或油井生产能力都不知道的间歇气举井比较适用。1气举阀的分布

顶部气举阀的深度为：其余各气举阀深度按下式计算，一直分布到井底为止：

设计方法7.5

气举排水采气

2每次循环需注气量的确定间歇气举一次循环所需注气量,等于当液段达到井口时,在液段下部平均压力和平均温度条件下，充满液段下部的油管柱所需的气量。根据气体定律可得：

为一次循环所需的气量（标准条件下），m3；为油管中气柱段的长度,m；At为油管的内截面积,m2；为油管内液段下面的平均压力，MPa；为油管内液段下面的平均温度，℃；Z为对应、的天然气压缩因子。

设计方法7.5