采气工程气井完井与生产系统分析

采气工程气井完井与生产系统分析2采气工程-气井生产系统分析第四节气井节点系统分析

第一节气井流入动态第二节气体井筒稳定流动能量方程第三节气体通过气嘴的流动第1页/共92页3完井工程的研究范围：

衔接钻井工程和采气工程而又相对独立的工程，是从钻开生产层到固井、完井方式选择与实施、下生产管柱、排液、油气井测试，直至投产的一项系统工程。引言

完井工程设计水平的高低和完井施工质量的好坏对油气井生产能否达到预期指标和油气田开发的经济效益有决定性影响。第2页/共92页4引言完井工程研究内容：（1）在油藏地质研究的基础上，根据油气田开发与采油、采气工程要求选择完井方式，并提出钻开油层的要求。（2）考虑油气田开发全过程油气井产能的变化及所要采取的采油、采气工艺，应用节点分析方法，确定油管尺寸和生产方式并进行生产套管尺寸选择及强度设计。（3）从钻井和采油、采气工程出发确定套管程序及井身结构，并提出固井要求。（4）选择完井方式、设计完井工艺方案（如射孔完井的射孔参数优选、射孔方式及工艺设计、砾石充填完井的充填方式、砾石直径选择及工艺参数设计等）。第3页/共92页5为井下作业创造良好的条件满足工艺技术措施要求第一节完井方法完井方法：一口井完成后生产层与井眼的连通方式及井身结构形式。常见的完井方式：裸眼完井、射孔完井、衬管完井、砾石充填完井等。

不同的完井方式有各自的适用条件和局限性，只有根据油气藏类型、储层特性和油气田不同开发时期的工艺技术要求，选择合理的完井方式，才能有效地开发油气田。延长油气井寿命发挥油气层潜力第4页/共92页6（1）油气层和井筒之间保持最佳的连通条件，油气层所受伤害最小；（2）油气层和井筒之间具有尽可能大的渗流面积，油气入井阻力最小；（3）能够有效地封隔油气水层，防止油气窜流或水窜，防止层间干扰；（4）能够有效地控制油气层出砂，防止井壁坍塌及盐岩层挤毁套管，确保油井长期生产；一、完井方式选择原则第一节完井方法（5）能够适应油气田开发全过程中采油、采气工艺要求，具备进行分层注采、压裂、酸化以及堵水、调剖等井下作业措施的条件；（6）综合经济效益好。第5页/共92页7二、完井方式选择应考虑的因素第一节完井方法（1）油气藏地质和工程条件：如产层结构，压力、温度条件，流体的组成与性质，油气层层内、层间性质及其差异等等。（2）采油、采气工程技术措施要求：如油气田开发全过程中的生产方式，分层注采与增产、增注措施，各项流体的产量指标，砂、蜡、水、腐蚀等控制措施等。第6页/共92页8三、完井方式第一节完井方法先期裸眼完井示意图1.裸眼完井方式后期裸眼完井示意图（2）气井完井多采用先期裸眼完井（3）裸眼完井方式优点油气层完全裸露，因而油气层具有最大的渗流面积，这种井称为水动力学完善井，其产能较高，完善程度高。（1）钻井、完井过程第7页/共92页9（4）裸眼完井方式缺点①不能克服井壁坍塌和油气层出砂对油气井生产的影响；②不能克服生产层范围内不同压力的油、气、水层的相互干扰；③无法进行选择性酸化或压裂；④先期裸眼完井法在下套管固井时不能完全掌握该生产层的真实资料，以后钻进时如遇到特殊情况，会给钻进和生产造成被动。三、完井方式第一节完井方法1.裸眼完井方式第8页/共92页10三、完井方式第一节完井方法1.裸眼完井方式（5）裸眼完井方式适用地质条件岩性坚硬致密，井壁稳定不坍塌的碳酸盐岩储层无气顶、无底水、无含水夹层及易塌夹层的储层单一厚储层，或压力、岩性基本一致的多层储层不准备实施分隔层段，选择性处理的储层第9页/共92页11三、完井方式第一节完井方法2.衬管完井方式井下衬管损坏后无法修理或更换油气层不会遭受固井水泥浆的损害；可采用与油气层相配伍的钻井液或其它保护油层的钻井技术打开油气层；当割缝衬管发生磨损或失效时也可以起出修理或更换。第10页/共92页12三、完井方式第一节完井方法2.衬管完井方式

割缝衬管完井既具有裸眼完井渗流面积大的优点，又能防止井壁坍塌，同时起到防砂作用。其它方面与裸眼完井方式类似。第11页/共92页13①套管射孔完井优点：a.可选择性地射开不同压力、不同物性的油气层，以避免层间干扰；b.可避开夹层水、底水和气顶，避开夹层的坍塌；c.具备实施分层注、采和选择性压裂或酸化等分层作业的条件。c.对固井质量要求高，水泥浆可能损害油气层。缺点：a.流动面积小、完善程度较差；b.对井深和射孔深度要求严格；三、完井方式第一节完井方法3.射孔完井方式第12页/共92页143.射孔完井方式b.减少套管重量和固井水泥的用量，从而降低完井成本。优点：a.可以采用与油气层相配伍的钻井液以平衡压力、欠平衡压力的方法打开油气层，有利于保护油气层；②尾管射孔完井三、完井方式第一节完井方法第13页/共92页15射孔完井方式适用地质条件：（1）有气顶或有底水、或有含水夹层、易坍塌夹层等复杂地质条件，要求实施分隔层段的储层（2）各分层之间存在压力、岩性等差异，要求实施分层测试、分层采油、分层注水、分层处理的储层（3）要求实施大规模水力压裂作业的低渗透储层（4）砂岩储层、碳酸盐裂缝性储层3.射孔完井方式三、完井方式第一节完井方法第14页/共92页16四、完井方式选择与工艺设计方法（略）第一节完井方法第15页/共92页17

完井方法的选择、钻井液的密度、产层在钻井液中的浸泡时间、固井时水泥浆的性能、水泥浆的顶替效率、井口装置及井下管柱的质量等。五、完井质量与评价第一节完井方法1.影响完井质量的因素第16页/共92页182.完井质量评价方法（1）测压力恢复曲线，可判断钻井液对气层的损害程度；（2）通过声波幅度测井、变密度测井、胶结强度的水力测试等来确定固井质量的好坏；（3）井口装置在关井测压时必须保证密封良好；（4）井下管柱能抵御井底高温、高压及酸性气体的腐蚀。五、完井质量与评价第一节完井方法第17页/共92页19一、油气层的损害与保护第二节油气层保护技术1．油气层损害的定义在钻开油气层、注水泥、完井、试油、酸化、压裂、开采、修井等作业过程中都会不同程度地破坏油气层原有的平衡状态，入井流体与储层及其流体不配伍时造成近井地带油气层渗透率下降的现象。2．油气层损害的后果

影响新区的勘探和新油气层的发现。

影响油气水井的生产（产量和注入量）。

影响油气田勘探开发的经济效益。第18页/共92页203．油气层保护的目的

保证油气水井在各项工程技术措施中储层内流体渗流阻力不增加。一、油气层的损害与保护第二节油气层保护技术４．油气层保护的范围

油气田开发的全过程油气田开发所采取的各项工程技术措施第19页/共92页215．油气层保护的研究一、油气层的损害与保护第二节油气层保护技术

所有的保护油层措施都建立在储层岩性特征分析、岩心分析、入井流体敏感性试验以及对可能造成油层损害的主要因素分析的基础上，其关键是优选入井介质和优化作业工艺，提出适用、有效、可操作且经济可行的保护油层要求及措施。第20页/共92页22二、油气层损害因素分析第二节油气层保护技术

油气井作业过程中可能导致油气层损害的原因及因素第21页/共92页23二、油气层损害因素分析第二节油气层保护技术第22页/共92页24二、油气层损害因素分析第二节油气层保护技术第23页/共92页25二、油气层损害因素分析第二节油气层保护技术第24页/共92页26二、油气层损害因素分析第二节油气层保护技术

油气田的勘探和开发是一个系统工程，如果其中的某个环节造成了严重的油气层损害，都可能使其它工作无效，影响油气田开发效果。因此，了解生产过程中可能造成的油气层损害的机理，不但有助于采取保护油气层的措施，而且也是判断油气层损害程度的基础。主要损害机理（1）外来流体与储层岩石矿物不配伍造成的损害；（2）外来流体与储层流体不配伍造成的损害；（3）毛细现象造成的损害；（4）固相颗粒堵塞引起的损害。第25页/共92页27第二节油气层保护技术三、储层敏感性

储层敏感性是指储层对可能造成损害的各种因素的敏感程度。为了保护油气储层，充分发挥其潜力，有必要对储层的各种敏感性进行系统评价。

储层敏感性评价主要是通过岩心流动实验，考察油气层岩心与各种外来流体接触后所发生的各种物理化学作用对岩石性质，主要是对渗透率的影响及其程度。此外，对于与油气层敏感性密切相关的岩石的某些物理化学性质，还必须通过化学方法进行测定，以便在全面、充分认识油气层性质的基础上，优选出与油气层配伍的工作液，为油气水井各项工程技术措施的设计和实施提供必要的参数和依据。第26页/共92页28（1）速敏

在钻井、油气开采、增产作业和注水等作业或生产过程中，流体与地层无任何物理和化学作用的条件下，当流体在油气层中流动时，引起油气层中微粒运移并堵塞喉道造成油气层渗透率下降的现象。速敏评价实验目的：

找出由于流速作用导致微粒运移从而发生损害的临界流速，以及找出由于速敏引起的油气层损害程度。第二节油气层保护技术三、储层敏感性第27页/共92页29

速度敏感程度评价指标岩心速度敏感性评价图（1）速敏第二节油气层保护技术三、储层敏感性第28页/共92页30（2）水敏

油气层中的粘土矿物在原始油藏条件下处于一定矿化度的环境中，当淡水进入储层时，某些粘土矿物就会发生膨胀、分散、运移，从而减小或堵塞地层孔隙和喉道，造成地层渗透率的降低，油气层的这种遇淡水后渗透率降低的现象称为水敏。水敏评价实验目的：

了解粘土矿物遇淡水后的膨胀、分散、运移过程；找出发生水敏的条件及水敏引起的油气层损害程度；为各类工作液的设计提供依据。第二节油气层保护技术三、储层敏感性第29页/共92页31

主要是测定三种不同盐度（地层水、次地层水、去离子水）液体下岩心的渗透率。首先用地层水测定岩心的渗透率，然后再用次地层水测定岩心的渗透率，最后用淡水（一般为去离子水）测定岩心的渗透率，从而确定淡水引起岩心中粘土矿物的水化膨胀及造成的损害程度。岩心水敏实验曲线（2）水敏第二节油气层保护技术三、储层敏感性第30页/共92页32（3）盐敏

在钻井、完井及其它作业中，各种工作液具有不同的矿化度，当高于地层水矿化度的工作液滤液进入油气层后，可能引起粘土的收缩、失稳、脱落，当低于地层水矿化度的工作液滤液进入油气层后，则可能引起粘土的膨胀和分散，这些都将导致油气层孔隙空间和喉道的缩小及堵塞，引起渗透率的下降从而损害油气层的现象。盐敏评价实验目的：

找出渗透率明显下降的临界矿化度，以及由盐敏引起的油气层损害程度。第二节油气层保护技术三、储层敏感性第31页/共92页33降低矿化度的盐敏评价实验：第一级盐水为地层水，将盐水按一定的浓度差逐级降低矿化度，直至注入液的矿化度接近零为止，求出的临界矿化度为Cc1。升高矿化度的盐敏评价实验：第一级盐水仍为地层水，将盐水按一定的浓度差逐级升高矿化度，直至找出临界矿化度Cc2或达到工作液的最高矿化度为止。盐敏损害的入井流体有效矿化度区间（3）盐敏第二节油气层保护技术三、储层敏感性第32页/共92页34降低矿化度的盐敏曲线升高矿化度的盐敏曲线（3）盐敏第二节油气层保护技术三、储层敏感性第33页/共92页35（4）碱敏

地层水pH值一般呈中性或弱碱性，而大多数钻井液和水泥浆的pH值在8～12之间，当高pH值流体进入油气层后，促使粘土水化、膨胀、运移或生成沉淀物而造成的地层损害称为碱敏。碱敏评价实验目的：

找出碱敏发生的条件，主要是临界pH值，以及由碱敏引起的油气层损害程度，为各类工作液的设计提供依据。第二节油气层保护技术三、储层敏感性第34页/共92页36

通过注入不同pH值的地层水并测定其渗透率，根据渗透率的变化来评价碱敏损害程度，找出碱敏损害发生的条件。碱敏实验曲线（4）碱敏第二节油气层保护技术三、储层敏感性第35页/共92页37（5）酸敏

油气层与酸作用后引起的渗透率降低的现象。碱敏评价实验目的：

酸液进入油气层后，一方面改善油气层的渗透率；另一方面又与油气层中的矿物及地层流体反应产生沉淀并堵塞油气层的孔喉。因此，酸敏评价实验的本质是研究酸液与油气层的配伍性，为油气层基质酸化时确定合理的酸液配方提供依据。第二节油气层保护技术三、储层敏感性第36页/共92页38

酸敏实验包括原酸（一定浓度的盐酸、氢氟酸、土酸）和残酸（可用原酸与另一块岩心反应后制备）的敏感实验，有现行的部颁标准。

酸敏实验曲线(①、③曲线敏感，②曲线不敏感)（5）酸敏第二节油气层保护技术三、储层敏感性第37页/共92页39

应力敏感性是考察在施加一定的有效应力时，岩样的物性参数随应力变化而改变的性质。它反映了岩石孔隙几何学及裂缝壁面形态对应力变化的响应。实验时，在CMS—300全自动岩心测试装置上，测量出不同应力值下的渗透率和孔隙度，观察和分析应力对渗透率和孔隙度的影响。（6）应力敏第二节油气层保护技术三、储层敏感性第38页/共92页40（6）应力敏第二节油气层保护技术三、储层敏感性第39页/共92页41

为了判别岩石对应力的敏感程度，正常采用无因次渗透率的立方根，即(Ki/K1000)1/3与应力的对数建立关系曲线。（6）应力敏第二节油气层保护技术三、储层敏感性第40页/共92页42应力敏感程度的指标（6）应力敏第二节油气层保护技术三、储层敏感性第41页/共92页43（7）储层敏感性评价结果汇总第二节油气层保护技术三、储层敏感性第42页/共92页44表皮效应：井底周围油气层受损害后油气井产能下降的现象。用表皮系数为指标来评价油气层损害的大小。M·F·霍金斯（Hawkins）表达式:第二节油气层保护技术四、储层损害评价指标1.表皮系数(S)第43页/共92页45常用计算公式：m为单对数试井曲线径向流直线段斜率值，第二节油气层保护技术四、储层损害评价指标2.附加压力损失附加压力损失：在同一产量条件下，油气井受损害后生产压差与未损害时的生产压差之差值。第44页/共92页463.损害比(DR)近井地带被损害区的渗透率与未被损害区的渗透率之比。第二节油气层保护技术四、储层损害评价指标第45页/共92页474.流动效率(FE)第二节油气层保护技术四、储层损害评价指标流动效率：在流动时因损害而造成的压力损失比例。第46页/共92页48平均损害半径表示损害区的大小。常用B.C.克莱特(Cratt)和M.F.赫金（Hawkin）的公式导出：5.平均损害半径第二节油气层保护技术四、储层损害评价指标第47页/共92页49第二节油气层保护技术四、储层损害评价指标思考题：如何根据上述储层评价指标的大小判别油气损害层状况？第48页/共92页50⒈目的

通过测试稳定的气产量而进行配产，也为增产措施、建设采气场站和集输管线提供依据。⒉特点

测试时间一般比较短。通常测试一个回压下的产量，即“一点法试井”。对于重点测试气井要进行稳定试井。第三节气井完井测试一、气井完井测试的目的与特点第49页/共92页51常压气井测试流程、气水井测试流程、高压气井测试流程1.常压气井测试流程(1)组成：采气井口、放喷管线、气水分离器、临界速度流量计和放喷出口的燃烧筒。(2)适用条件：不产水或产少量凝析水的气井。第三节气井完井测试二、气井完井测试流程第50页/共92页523.高压气井测试流程

高压气井或超高压气井，由于测试中井口压力降低较多，大压差会造成管线和分离器结冰，因此需要一套降压保温装置，通过热水或蒸汽在管线上的热交换，防止测试管线水化物凝结。第三节气井完井测试二、气井完井测试流程2.气水井测试流程

对于产水气井，由于临界速度流量计测试要求必须是干气，需要安装气液分离器进行脱水后才能测试。第51页/共92页53⒈临界速度流量计测试与计算⑴原理及结构原理：气流流经孔板节流，在孔板上、下游产生了压力差，上游压力大于下游压力约一倍，即P2≦0.546P1时，达到临界气流。此时，增加上游压力，流束断面最小处的速度并不增加，只增加气体密度和质量流量，故利用上游压力就可算出体积流量。第三节气井完井测试三、测试方法及产量计算第52页/共92页54⒈临界速度流量计测试与计算第三节气井完井测试三、测试方法及产量计算标准孔板结构示意图第53页/共92页55⒈临界速度流量计测试与计算第三节气井完井测试三、测试方法及产量计算⑵流量计算公式：当气流达到临界状态时：当气流未能达到临界状态时：第54页/共92页56(1)原理：根据气体流经孔板所形成压差的变化测量流量。气体流经孔板时，流速大大增加，部分压能转化为动能，所以在孔板前后形成压差。压差越大，流经孔板的流量就越大，利用压差即可算出流量。2．垫圈流量计测试与计算第三节气井完井测试三、测试方法及产量计算第55页/共92页57⑵计算公式：2．垫圈流量计测试与计算第三节气井完井测试三、测试方法及产量计算END第56页/共92页58采气工程-气井生产系统分析第四节气井节点系统分析

第一节气井流入动态第二节气体井筒稳定流动能量方程第三节气体通过气嘴的流动第57页/共92页59气井生产系统的组成引言(1)油气层子系统(2)井筒子系统(3)地面集输子系统(4)采气设备子系统稳定工作条件：协调第58页/共92页60一、气井流入动态计算方法1.气井的达西(Darcy)公式假设条件：不可压缩气体在定压边界下，以某一稳定产量在均匀介质中作平面径向流动。x为供气面积系数：第一节气井流入动态

第59页/共92页61S2为气层打开不完善系数S3为射孔几何形态表皮系数S4为射孔压实带表皮系数S1为机械伤害表皮系数S(q,t)为产量和时间诱导表皮系数Dq为紊流表皮系数地层的总表皮系数S的构成:第一节气井流入动态

第60页/共92页622.紊流条件下的琼斯公式

地层层流系数(径向)：地层紊流系数(径向)：第一节气井流入动态

第61页/共92页633.费特柯维奇（Fetkovich）公式当n=1时，完全符合达西渗流定律:

当0.5<n<1时，表示气流入井符合非达西渗流定律：

第一节气井流入动态

第62页/共92页643.费特柯维奇（Fetkovich）公式C与n与值可由试井数据分析确定。第一节气井流入动态

第63页/共92页65二、完井方式对气流入井的影响一般不考虑井筒与岩石表面之间的压力损失。如果地层岩面在钻井和完井过程中受到损害，可在流入动态计算中的表皮系数内加以考虑。⒈裸眼完井第一节气井流入动态

第64页/共92页66流体通过射孔孔眼的流入特性，采用Jones公式修改形式来描述:2.射孔完井影响流入动态的主要参数有孔密、孔径、孔深、相位角等。射孔孔眼层流系数射孔孔眼紊流系数第一节气井流入动态

第65页/共92页673.射孔—砾石充填完井

描述砾石完井段的流入特性时，采用Jones公式的修正形式：砾石衬管层流系数：砾石衬管紊流系数：第一节气井流入动态

第66页/共92页68三、气井流入动态关系预测⒈利用费特柯维奇（Fetkovich）公式进行预测对一口气井可将n视为常数；c可近似表示为：第一节气井流入动态

第67页/共92页69⒉利用无因次气井产能方程进行预测预测现在值：

预测将来值：

Mishra和Caudle对气井生产资料进行拟合，提出两个无因次气井产能方程，可以用于非裂缝性气藏预测现在和将来气井的流入动态。(1)非裂缝性气藏第一节气井流入动态

第68页/共92页70预测现在值：(2)裂缝性气藏第一节气井流入动态

Chase和Williams在上述研究基础上，针对裂缝性气藏，提出了预测现在和将来的气井流入动态。第69页/共92页71第一节气井流入动态

预测将来值：(2)裂缝性气藏第70页/共92页72井筒多相流理论：研究各种举升方式油井生产规律基本理论研究特点：流动复杂性、无严格数学解研究途径：基本流动方程实验资料相关因次分析近似关系第二节气体井筒稳定流动能量方程

第71页/共92页73一、基本能量方程

气体稳定流动：在所讨论的管段内（热力体系内），任何断面上气体的一切参数都不随时间变化。图2-2流体流动示意图

对于m千克质量的气体，截面1、2之间的能量平衡关系式为：第二节气体井筒稳定流动能量方程

第72页/共92页74对于单位质量流体，气体稳定流动方程式的微分形式为：

对于井筒与水平成角的倾斜井，以dL表示实长，以dh表示实高，则dh=dLsin，直接代入上式得：一、基本能量方程

第二节气体井筒稳定流动能量方程

第73页/共92页75为简化计算，假设dW=0，则气体稳定流动能量方程式为：一、基本能量方程

第二节气体井筒稳定流动能量方程

第74页/共92页76二、井筒摩阻计算

单相流体（水或气），计算管内摩阻的达西阻力公式为：确定式中的摩阻系数，可以查图版或通过公式计算。摩阻系数第二节气体井筒稳定流动能量方程

第75页/共92页77单相管流Moody图第二节气体井筒稳定流动能量方程

第76页/共92页78⒈Colebrook公式

该公式覆盖完全粗糙管、光滑管和过度区三个流态区域。

当Re相当大时,该公式即转化为适用于完全粗糙管的Nikuradse公式：二、井筒摩阻计算

第二节气体井筒稳定流动能量方程

第77页/共92页79二、井筒摩阻计算

⒉Jain公式Jain公式覆盖完全粗糙管、光滑管和过渡区三个流态区，为目前计算所广泛采用。第二节气体井筒稳定流动能量方程

第78页/共92页80第二节气体井筒稳定流动能量方程

二、井筒摩阻计算

3.Chen公式第79页/共92页81气体通过气嘴时没有位能变化，也没有功的输入或输出，摩擦损失也可忽略不计，但动能变化在此起重要作用。气体稳定流动能量方程可以写为:气嘴：泛指气体通过的任何一种限流或节流装置。第三节气体通过气嘴的流动第80页/共92页82从工程热力学的绝热过程观点分析：同时：则：第三节气体通过气嘴的流动第81页/共92页83临界流速：通过气嘴出口端面