采气工程8第7章

气田开发第七章气井生产系统与举升工艺

主讲：张志全

2010年11月-2010年12月

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举升工艺第七章气井生产系统分析与举升工艺第一节

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

3.1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

3.1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3.1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3.1气井生产系统分析

3.1气井生产系统分析

一、气井生产系统组成图3.1气井生产系统示意图3.1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3.1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3.1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3.1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3.1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3.1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3.1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

3.1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3.1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=PwhMPa5.050.17015.17017.550.37525.375210.050.64985.649812.550.98845.988415.051.36956.369517.551.79656.796520.052.25817.25813.1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△P6-35.013.4612.4141.0449.8012.6127.513.4611.7071.7519.1982.50810.013.4610.8992.5598.4892.40912.513.469.9773.4827.6562.32115.013.468.91494.5446.6582.25617.513.467.66265.7965.4141.86620.013.466.10947.3494.6871.4223.1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

3.1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

3.1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

3.1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

3.1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

3.2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

3.2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。获得了储层开发经验，并调查过市场需气量后，才有可能进行全面分析，决定气井的合理管径大小。

3.3气井产气管柱的确定三、影响气井生产工作制度的因素3.3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3.3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

3.3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

3.3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

3.4

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.

3.4

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;

3.4

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。

3.4

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

。

3.4

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3.4

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3.5

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3.5

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3.5

气举排水采气

3气举阀参数的确定对于深度为的气举阀，阀处打开压力可用下式计算根据气体定律，可以确定出从环空中析放出气体所需要降低的压力，MPa；气举阀的关闭压力可取为,MPa；气举阀的阀座面积与风包面积比R=2/pvo；根据R即可确定出阀孔径dv，mm；阀处风包压力用下式计算

设计方法3.5

气举排水采气

4最佳循环次数N的确定和产量预测间歇气举的日排液量可用下式表达：q为间歇气举日排液量，m3/d；n为每天的循环次数,次/d；γl为产液的压力梯度，MPa/m；pr为地层平均压力，MPa；T为每次循环的注气时间，d；pm为注气期间作用于地层的回压，MPa。Qm为注气期末油管中液体的最小体积（回落量），m3；回落量可近似地取为22%/1000m。

设计方法3.5

气举排水采气

4最佳循环次数N的确定和产量预测假定T和pm不受每天循环次数n的影响，则对任何一口具体的气井，J(Pr-Pm)就可以认为是一个常数，于是间歇气举的排液量的优化，取决于循环次数n的函数f(n)的优化。

设计方法3.5

气举排水采气

所以当df(n)/dn=0时，f(n)有极大值，其对应的n即是最佳循环次数N，且有：exp(b/N)=(1+b/N)exp(bT)

由上式，利用牛顿-拉夫逊迭代法，就可求得b,T值一定时的N。

设计方法3.5

气举排水采气

三柱塞气举气井停喷与否取决于井底积液的多少。当套管压力恢复到能使环空的气体突破油管尾部足以举升油管中的积液和柱塞时，井才能生产。柱塞下面举升气体的压力必须大于柱塞上部压力的1/3才能进行有效的举升。柱塞气举的能量主要来源于地层气，这就要求气液比相当高，通常约大于534.3～890.5m3/m3。当地层气能量不足时，它可以额外注气。靠气井自身能量进行举升的称为常规柱塞气举；需要额外注入气体的称为组合式柱塞气举。

设计方法3.5

气举排水采气

三柱塞气举

设计方法3.5

气举排水采气

图7.10柱塞举升装置示意图三柱塞气举

设计方法3.5

气举排水采气

图7.11柱塞气举一个循环的压力变化三柱塞气举1965年，美国的（Foss&Gaul）总结了文杜里（Ventura）油田85口柱塞举升井的实测资料，给出了静力学的分析方法。

当柱塞和柱塞上部的液体段塞一起在油管内某一深度上升时，其压力平衡公式为：井口套压+油套环空中由气柱重量产生的压力-油套环空中气体摩阻损失=油管中柱塞之下的气体摩阻损失+柱塞下部的气柱压力+柱塞的摩阻损失+举升柱塞和液体段塞所需的压力+液体段塞的摩阻损失+液体段塞上部气体的摩阻损失+液体段塞上部由气柱重产生的压力+井口油管回压+柱塞下部生产液体所产生的压力

设计方法3.5

气举排水采气

三柱塞气举1.最小套压正如前面所述，柱塞上升过程中的临界点是柱