石油工程概论

石油工程概论第1页/共90页油气开发的基本目的：

尽可能多的开采出地层深处的油、气资源。提高采收率，降低成本。采收率：油田开发结束后，累积的采油量与实际的储油量之比。§5.1概述第2页/共90页本章主要内容：油藏驱动能量自喷井采油机械采油采气工艺§5.1油藏驱动能量第3页/共90页§5.1油藏驱动能量采油是指将流到井底的原油采到地面所用的方法。第4页/共90页采油的两大主题：如何使地层中的原油流向井底？

——油藏驱动能量如何将井下的原油提升到地面并向外输送？

——采油方法§5.1油藏驱动能量第5页/共90页在地下某一深处，取一岩石单元。如果将岩石单元分为两部分：骨架和骨架所包含的流体。一、油藏压力骨架所受的的压力流体中的压力1.有关“地层压力”的概念——上覆岩层压力——油层压力第6页/共90页地静压力：指上覆岩石骨架和孔隙空间流体的总重量所产生的压力。①上覆岩层压力（地静压力）随上覆岩层骨架的增厚而加大，也与岩层及其孔隙空间流体的密度大小有关。②静水柱压力静水柱压力：指由静水柱造成的压力。与水柱的高度有关，而与液柱形状无关。其计算公式为：第7页/共90页式中：pH—静水柱压力，Mpa；

ρw—流体密度，Kg/m3

h—静水柱高度，m。如，1000m深处的静水柱压力为：9.8MPa≈100大气压。③

地层压力地层压力：指地层岩石孔隙中流体所承受的压力，常用Pi（Pe）表示。在含油、气区域内的“地层压力”又叫“油（气）层压力”。地层压力指作用在流体上的压力，又称“孔隙流体压力”。第8页/共90页“油层压力”或“孔隙流体压力”是地层流体流动的驱动能量，直接关系到油藏的开发与开采。在油气藏未开发之前，油气层内各处的压力保持相对平衡状态，一旦油气层被钻开并投入开采，原油、气层内压力的相对平衡状态就被打破。当在油、气层的压力大于井筒的液柱压力时，油气层内的流体就会喷出地面。清楚认识油藏压力的分布及变化特征对油藏的合理、高效开发至关重要。第9页/共90页原始油层压力：指油气层尚未钻开时（原始状态下）所具有的压力。通常可以用第一口井或第一批井的实测压力来表示。目前油层压力：指油藏投入开发后某一时期的地层压力。根据每一时期油层内部的压力分布及其变化，可以对油田地下的许多重大问题作出判断。井底流动压力（井底流压）：油井生产时测得的井底压力称为井底流压。它代表井口剩余压力与井筒内液柱重量对井底产生的回压。第10页/共90页在正常压实条件下，或者地层中孔隙流体与地表水处于连通状况地状况下，地层压力（作于孔隙流体的压力）等于或相当于其埋深的静水柱压力。但是，漫长地史过程中各种因素的影响，常常使作用于地层孔隙流体的压力发生变化而不等于静水柱压力。2.压力梯度和压力系数通常把偏离静水柱压力的地层孔隙流体压力称之为“异常地层压力”，或称为“压力异常”。在研究异常地层压力时，常用压力系数或压力梯度来表示异常地层压力的大小。第11页/共90页压力梯度：压力梯度是指每增加单位高度所增加的压力值，（MPa／ｍ）。压力系数(ap)：指实测地层压力（Pi）与同一深度静水柱压力（PH）的之比。ap

＝1时，实测地层压力与静水柱压力相等，称其为

“正常地层压力”；ap≠１时，则为“异常地层压力”。ap

＞1时，称为高异常地层压力，或称异常高压；ap

＜1时，称低异常地层压力，或称异常低压。第12页/共90页异常高压油藏：压力系数＞1.2的油气藏；异常低压油气藏：压力系数＜0.8的油气藏；异常高压气藏：压力系数＞1.5的油气藏；一般情况下，油气藏的压力系数在0.9～1.1之间，这样的油气藏称为正常油气藏；

国内外研究表明，从新生界到古生界的地层中，碎屑岩和碳酸盐岩地层中都存在异常压力油气藏。异常地层压力是普遍存在的。在自然界中，异常高压油藏常见，但异常低压力油藏不多。第13页/共90页

油气井完井之后，就可以进行油气生产。油气藏一旦投入开发生产，油气藏中的油气就会发生流动，从油层中流至井底，再从井底流到地面。促使油气发生流动的动力是什么呢？二、油气藏驱动能量和驱动方式第14页/共90页油气藏驱动能量：在油气藏或油气井生产过程中，促使油气流体流动的能量。天然能量：油气藏自身天然具有的能量.人工能量：人为向油气藏中注入流体提高油气藏压力而补充的油藏能量。1.油气藏驱动能量第15页/共90页天然驱动能量：静水压头气顶膨胀油层弹性溶解气的膨胀力：指油藏中溶解天然气膨胀所释放的能量。原油重力：指原油自身重量产生的势能。第16页/共90页

静水压头

即与油层相连的地层水所具有的静水柱压力。根据地层水与油层的连通情况，有边水驱动与底水驱动之分。

边水驱动底水驱动1-油井2-供水区3-边/底水4-不渗透层第17页/共90页气顶压缩气体的膨胀力

在油井生产时，随着油层压力的降低，处于高度压缩状态的顶部气体膨胀，推动原油流向井筒并喷出，气顶驱油能量的大小与气顶的体积和气体的压缩性等有关。第18页/共90页油气藏驱动方式：驱动油气流动而使其得以采出的能量方式。天然能量驱动：利用天然能量驱动开采油气的方式。人工能量驱动：利用人为补充能量驱动开采油气的方式。2.油气藏驱动方式第19页/共90页水驱：用油气藏中天然边水、底水驱油开采油气藏的方式.靠天然水驱开采油气藏的方式是一种消耗内能的开采方式，这种方式对整个油气藏的开采是非常不利的。一般情况下，仅在油气藏开发初期使用。除非油气藏的边部或底部的天然水体特别大或与地表水连通，否则不能在较长时期中使用水驱方式开采油气藏。天然水驱的采收率较低，一般为5－20%。天然能量驱动第20页/共90页气顶驱（弹性气驱）：用油气藏顶部压缩天然气的能量开采油气藏的方式。“气顶驱”也是一种消耗内能开采的开采方式。气顶驱采收率：20－40%。溶解气驱：用油气藏中溶解的天然气的能量开采油气藏的方式。溶解气驱”也是一种消耗内能开采的开采方式。溶解气驱方式的采收率一般较低：5－30%。“气顶驱”和“溶解气驱”都称为“衰竭式驱替”。重力驱：利用油藏中原油的重力开采油气藏的方式。重力驱能量弱，采收率较低：10-20%；第21页/共90页注水：从油藏某些部位的注水井中人为地向油藏中注入一定数量的水体，维持油藏能量或减缓油藏压降速度。注气：从油藏顶部注入一定数量的气体，补充气顶能量。人工补充能量第22页/共90页注水开发（刚性水驱）：利用人工注水开采油气藏中油气的方式。注水是油藏开发中最主要的人工补充能量的开发方式。注水开发的采收率较高，一般可达50％，甚至更高。人工能量驱动注气开发（刚性气驱）：利用人工注气开采油气藏中油气的方式。注气比注水的驱油效率低，采收率最高可达40％。第23页/共90页自喷采油机械采油有杆泵采油方法常规（抽油机）螺杆泵无杆泵潜油电泵水力泵水力活塞泵水力射流泵气举连续气举间歇气举潜油电动离心泵潜油电动螺杆泵采油方法第24页/共90页自喷采油：油层具有的能量足以自喷。自喷井的地面设备简单、容易管理、产量较高。§5.2自喷井采油第25页/共90页§5.2自喷井采油5.2.1自喷原理：驱动力—地层中的各种压力。驱动过程－先将原油从地层内推向井筒，若还有剩余的能量，再将原油举升到地面。第26页/共90页自喷采油前的诱喷作业

完井时井内液柱压力一般大于油、气层压力，加上钻井和射孔过程中污染物的堵塞和阻碍，油、气一般不能流入井筒内，更不能自动喷到地面。

因此，采油之前一般要降低井简内的液性压力，清除堵塞油层的污物，使油、气能够畅流到地面。这种诱导作业过程称作诱喷或诱流。§5.2自喷采油第27页/共90页诱喷的方法

清水替喷法抽汲提捞法气举法井下泵排法

§5.2自喷采油第28页/共90页垂直管流地层渗流嘴流水平管流自喷采油的四种流动过程：§5.2自喷采油地层渗流垂直管流嘴流水平管流第29页/共90页流动方式：在远离井底的地方，一般情况下为单相流；井底附近：Pf＞Pb→单相流（液或气）；

Pf＜Pb→多相流（气、液）；能量耗损：占总压降的10－15％。

地层渗流：指原油从油层→井底的流动过程；（从地层到分离器压力之差）影响压力损耗的因素：地层特性：K；流体性质：μ；井底附近有无污染等。第30页/共90页流动方式：一般情况下，垂直管流大多为多相流。能量耗损：最大，可达总压降30－80％。流动结构：垂直管柱中流体流动时气、液的流动状态和分布形式。纯液流、泡流、段塞流、环状流、雾流

管流是自喷采油的研究重点。自喷井工作制度的确定主要取决于流体在井筒中的流动情况。垂直管流第31页/共90页第32页/共90页流动方式：一般情况下，井口的Pt＜Pb，呈多相流。能量耗损：一般为总压降5－30％。油嘴的作用：有不同的大小，可控制油井产量，调整压力，保证油井稳定生产。流动方式：一般为多相水平管流，或多相倾斜管流。能量耗损：最小，一般为总压降5－10％。出油管线流动（水平管流）嘴流第33页/共90页自喷井采油装置

5.2.2井下管柱§5.2自喷采油(1)—油层；(2)—活动油管头；(3)—油管堵塞器；(4)—偏心配产器；(5)—封隔器；(6)—支撑卡瓦；(7)—撞击筒；(8)—丝堵自喷并分层采油管柱结构示意图第34页/共90页§5.2自喷采油自喷井采油装置

5.2.2井下管柱(4)配产器

用于控制各油层的回压，适当降低高渗透油层的采油量，相对加大中低渗透层的采油量，实现分层配产或不压井起下作业。

(5)油井分隔器

作用是分隔油层，是实行分层开采的主要工具。

自喷并分层采油管柱结构示意图第35页/共90页§5.2自喷采油自喷井采油装置

5.2.2井下管柱(6)锚类或支撑卡瓦

连接在封隔器的下部作为管柱的支点。用于座封封隔器，克服封隔器因受上部压力所产生的向下推力，防止管柱向下移动。自喷并分层采油管柱结构示意图第36页/共90页5.2.3井口装置§5.2自喷采油套管头油管头采油树第37页/共90页§5.2自喷采油套管头作用：连接井下各层套管柱，使各层套管间的环形空间相互密封。

安装井口装置。5.2.3井口装置第38页/共90页§5.2自喷采油5.2.3井口装置油管头安装在套管头之上。

作用：悬挂油管柱；

密封油管与生产套管之间的环形空间；并可通过油、套管空间进行各种工艺作业。

第39页/共90页§5.2自喷采油5.2.3井口装置采油树安装在套管头之上。

作用：引导油井喷出的油气通向地面的输油管线，控制和调节油井的流量和井口压力，必要时可关闭油井。

第40页/共90页机械采油用专门的抽油装置，将油井中的油液举升到地面，以便保持井底和油层之间油液流动的压力差，保证油气源源不断地流向井底。这种采油方式称作机械采油或人工举升采油。用于在低渗透、低压力油层地区的采油。目前，我国的机械采油量占总采油量的80％以上。§5.3机械采油(10.21)第41页/共90页§5.3机械采油分类潜油电动离心泵潜油电动螺杆泵机械采油有杆泵常规（抽油机）螺杆泵无杆泵潜油电泵水力泵水力活塞泵水力射流泵气举连续气举间歇气举第42页/共90页（1）常规抽油机——深井泵采油（2）地面驱动井下螺杆泵采油§5.3机械采油5.3.1有杆泵采油5.3.2无杆泵采油（1）水力活塞泵采油（2）电动潜油离心泵采油（3）电动潜油螺杆泵采油5.3.3气举采油第43页/共90页

有杆泵抽油或称泵抽法是目前世界范围内应用最广的一种采油方法.当今,世界上有80%以上的油井用抽油方式进行生产;在国内也有60-70%的生产井为抽油井.

适用范围广：它能适应任何油藏压力,既能适应日产千吨以上的高产井,也能适应日产几吨的低产井.而且传统的杆式抽油装置结构简单,维修工作量小,因而得到了广泛的应用.

5.3.1有杆泵采油第44页/共90页有杆泵采油占主导地位，占人工举升方式的90％发展时间长技术较成熟工艺比较配套设备装置耐用，故障率低抽深和排量能够覆盖大多数井目前油田上采用的有游梁式抽油机和无游梁式抽油机（链条式抽油机和塔架式抽油机）。第45页/共90页典型杆驱往复泵抽油系统典型杆驱螺杆泵抽油系统第46页/共90页地面部分抽油机：提供动力。地面主要设备；井下部分抽油泵(又称深井泵)；井下设备。主要部件：泵筒、活塞、游动凡尔、固定凡尔。抽油杆。传递动力。连接地面、井下设备的部件。

5.3.1有杆泵采油(1)常规抽油机—深井泵采油第47页/共90页5.3.1有杆泵采油工作原理(1)常规抽油机—深井泵采油第48页/共90页工作原理：在抽油的过程中，抽油机驴头将带动抽油杆及活塞上下运动，每上下运动一次，称为“一个冲程”,也称“一个抽汲周期”。在一个冲程中，深井泵完成一次井筒进油和井口排油的全过程。在上冲程中：抽油杆带动活塞上行时，游动凡尔关闭（活塞上部液柱压力作用），固定凡尔打开（泵筒内部压力降低的作用），泵内吸液（井筒中），井口排液；

第49页/共90页在下冲程中：抽油杆带动活塞下行时，固定凡尔关闭（泵筒内液柱受压，压力增高），游动凡尔打开（泵筒内液柱压力＞泵外油管中液柱压力），泵排液（泵内液体进入油管）。如此，抽油机带动活塞不断的上下运动，深井泵就完成了将油从井下举升到地面的抽油工作。第50页/共90页第51页/共90页5.3.1有杆泵采油常规游梁式抽油机(1)常规抽油机—深井泵采油第52页/共90页5.3.1有杆泵采油曲柄连杆式抽油机链条式抽油机(1)常规抽油机—深井泵采油第53页/共90页5.3.1有杆泵采油抽油泵(1)常规抽油机—深井泵采油第54页/共90页抽油杆第55页/共90页5.3.1有杆泵采油(2)地面驱动井下螺杆泵采油第56页/共90页地面设备部分防爆电动机、皮带轮、减速箱和光杆密封等；井下设备部分抽油杆、接头、转子、定子、定位衬套、扶正器、封隔器或油管锚等；5.3.1有杆泵采油(2)地面驱动井下螺杆泵采油第57页/共90页第58页/共90页螺杆泵采油技术防转装置第59页/共90页螺杆泵采油技术防转装置防转装置第60页/共90页(1)水力活塞泵采油水力活塞泵能用于稠油井、高含蜡井、深井和定向井，且效率较高。装置包括3大部分：井下部分地面部分中间部分§5.3机械采油5.3.2无杆泵采油第61页/共90页5.3.2无杆泵采油(1)水力活塞泵采油井下部分

是水力活塞泵系统的主要机组，由井下液马达、往复容积式抽油泵、控制滑阀等组成，完成抽油的主要动作。第62页/共90页5.3.2无杆泵采油(1)水力活塞泵采油地面部分

由柱塞泵组、井口装置、井口四通、控制阀及动力液系统，起着向井下机组供给高压动力液及处理动力液的作用。第63页/共90页5.3.2无杆泵采油(1)水力活塞泵采油中间部分

各种专用管道及油管。起着将动力液从地面送至井下机组，以及将抽出的地层液和工作过的乏动力液排出地面的作用。第64页/共90页5.3.2无杆泵采油(1)水力活塞泵采油工作原理

地面动力液→中心油管→井下液马达→带动抽油泵的柱塞作往复运动→固定阀和游动阀交替打开和关闭，实现吸油和排油动作→废动力液和抽吸的原油，一起从油、套管环形空间排到地面，通过井口四通阀进入地面输油管道。第65页/共90页§5.3机械采油5.3.2无杆泵采油

(2)电动潜油离心泵采油

是一种比较经济有效、特别适用于海上油井和高产油井的机械采油方法，可以从较深的不同状况的油井中大量提取地层液。第66页/共90页§5.3机械采油5.3.2无杆泵采油

(2)

电动潜油离心泵采油主要设备

由电动机、保护器、吸入口(或气体分离器)、多级沉没式离心泵、电缆、控制柜和变压器等组成。第67页/共90页潜油电动机为离心泵提供动力；5.3.2无杆泵采油(2)电动潜油离心泵采油第68页/共90页多级离心泵将机械能转换为液能，提高油井液的压头，并将其举升到地面；5.3.2无杆泵采油(2)电动潜油离心泵采油第69页/共90页5.3.2无杆泵采油保护器起着补偿漏油和电机平衡室的作用；第70页/共90页5.3.2无杆泵采油油气分离器用于分离井液中的游离气体，并使游离气体进入油、套管环形空间。第71页/共90页§5.3机械采油5.3.2无杆泵采油

(3)

潜油电动螺杆泵采油主要设备

螺杆泵、保护器和潜油电机等。适用于含砂、含蜡、稠油的油井开采。第72页/共90页5.3.2无杆泵采油(3)潜油电动螺杆泵采油结构原理第73页/共90页§5.3机械采油5.3.3

气举采油

气举法采油是应用压缩机等机械手段，将经脱氧的空气、氮气或二氧化碳气等注入油管或油、套管环形空间，并经过油管将井液举升到地面的一种采油方法。第74页/共90页气举采油系统示意图

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。气举采油原理第75页/共90页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。间歇气举第76页/共90页

气举方式示意图

(a)单层管环空进气方式；

(b)单层管中心进气方式；

环形空间进气方式和中心进气方式第77页/共90页§5.4采气工程5.4.1

采气工程内容采气工程是从气井完井投产到集输处理的整个气田开发的采气工艺方案设计和工艺技术的总称。主要任务是：完井及试油作业天然气生产增产措施及作业井下作业与修井地面集输与处理第78页/共90页§5.4采气工程5.4.2

气井完井方法裸眼完井衬管完井套管射孔完井尾管射孔完井第79页/共90页§5.4采气工程5.4.3

气井完井装置井口装置

—采气树采气树采油树第