采油工程-第二章 自喷及气举采油

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qpqi0PtiPwfiIPRB2.流量与井底压力的关系曲线

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:PwfPIPR油管工作特性曲线qOqB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。qPPtPwfBdqcC1.如PwfPwf1qq1PtPt1而使q1通过该油嘴需要PT的油压，所以，q1不能完全通过油嘴，而地层又以q1继续供给，造成井底流体堆积Pwf回到C点。四、协调点的分析dPwfPIPRBCPtPTAqPt1q1qPwf12.如PwfPwf1qq1PtPt1而使q1通过该油嘴只需要PT的油压，引起大于q1的流量通过油嘴，而地层又以q1继续供给，造成井底亏空。Pwf回到C点。CqPwfPqdIPRBPtPTAq1Pwf1Pt1五、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。q4681016Pq5q4q3q2q1六、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。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。31/221/2PqPtPt2．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。qd1d2Pq1q2若d1不变，则q1q2若q1不变，则d1d23．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。qPA3A2A1B1B2B3EC(Pt)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—环空气柱所造成的压力PtPBPcLH忽略PG，则：Pwf=Pc+LLgPwf<Pb时，L=0Pwf=PcPwf>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<Pb时，L=0则：Pc=mgH+Pfr+Pt一般有：Pc>Pt自喷井正常生产时，各压力之间的关系为：Pwf>

Pc>Pt>PB2．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：PtPc

Pwfq，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.井底为求解点（c）（d）p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)q5q4681016Pq4q3q2q1dqPPtPwfBqcC一、自喷后期的问题q2d1Pq1q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ΔP,需降低ρm。把气体从地面注入井筒内，可以增加R，从而达到降低ρm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2-131.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。压缩气进入油管后，使油管内原油充气，液面不断上升，直至喷出地面。

喷出前，PwfPs；喷后，使油管内ρm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PwfPs时，地层开始产油，并使油管内ρm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：PePc，则气举无法实现。Pc—压缩机的额定输出压力。PePtPo3.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)Lg(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)hΔhD—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=hLgPe—最小启动压力因此：PePe

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凡尔称启动凡尔图2- 191.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AbPdApPcPcPt封包充气室六、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积之比，即:R=Ap/Ab

当凡尔处的套管压力Pc≥Pvo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Fc≥Fo,即:PdAb≥PcAb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Pc≤Pd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Ab>Ap，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)+PcAp=PcAbAbPdApPcPcPt封包充气室St欲使凡尔关闭的力:Fc=PdAb+St(Ab-Ap)欲使凡尔关闭，则：Fc≥Fo

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则作用在凡尔上。与套压操作凡尔相反，它对油压更敏感。AbPdApPcPt封包充气室St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，Pt<Pc

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+PtAdAdPcPcPtAuSt—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：Fc≥Fo,即:Pc≥Pt+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P>Pc(即St)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<1，Po<Pc，即(Pt)o>(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。调试的步骤为：充氮气:(大于设计打开压力0.03-0.05MPa)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qP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、气液比、产量、凡尔位置、类型、尺寸及装配要求。连续气举间歇气举气举方式装置类型半闭式开式闭式一、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)=PwfPPwfPtPkoDL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。PPwfPtPkoDL平衡点注气点二、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；(4)取0.5-0.7MPa,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)qLPt2平衡点注气点PwfPt1PkoLPtPt3

P2.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)/q0i;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0.5-0.7MPa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。qoPwfqPwfLPtPkoPwf1注气点CPPwf2PwfPwf3(1)液面离井口距离较小a.下压过程b.Pt=LIρLg

=Pmax

LI=Pmax/ρLg-20LI—第一凡尔的下入深度；Pmax—压缩机额定输出压力。

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)ρLg=Pmax解出:h

=(d2/D2)Pmax/ρLg

设Ls为停喷时的液面深度，则LI=h

+Ls=Ls+(d2/D2)Pmax/ρLg-20DhhLs(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+ZρLg=Pmax(3)Z=(Pmax-Pt1min)/ρLg(4)LII=LI+(Pmax-Pt1min)/ρLg-10(5)关闭压差:Pt1min是液面到凡尔II处时凡尔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)/ρLg-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