第5章排水采气工艺课件

第五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1第5章排水采气工艺引言无水气藏：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（1）确定合理的采气速度（2）充分利用气藏能量2第5章排水采气工艺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3第5章排水采气工艺一、气藏的地质特征第一节排水采气工艺的机理

气藏地质特征主要是指气藏形态、边界性质、气水关系及压力特征等，在很大程度上与储渗类型有直接关系。

造成地质特征差别的主要原因：储层储渗空间的连通性与均质程度。

孔隙型储层具有较好、较广泛的连通特点，气水分异能得以充分进行，在沉积上以河流、湖泊相为主，砂体多为层状，能较容易地确定气藏范围与储量。

裂缝型储层其裂缝发育程度主要取决于地应力的大小与岩石的抗压强度，常为有限封闭体，气水分布、含气范围完全受裂缝网络形态、大小所控制。4第5章排水采气工艺不同储渗类型气藏地质特征第一节排水采气工艺的机理5第5章排水采气工艺二、排水采气应具有的地质要素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。第一节排水采气工艺的机理6第5章排水采气工艺三、排水采气工艺方法及评价(1)气藏的地质特征(2)产水井的生产状态(3)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射流泵排水采气第一节排水采气工艺的机理7第5章排水采气工艺

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。自喷排水采气8第5章排水采气工艺第二节优选管柱排水采气一、工艺原理气水（1）气流流速必须达到连续排液的临界流速（2）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。稳定自喷排水采气的两个条件：9第5章排水采气工艺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：10第5章排水采气工艺

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力的作用；而液滴表面张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）11第5章排水采气工艺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：12第5章排水采气工艺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：13第5章排水采气工艺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14第5章排水采气工艺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5-2

取15第5章排水采气工艺第二节优选管柱排水采气四、影响气井自喷排水采气能力的因素

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。16第5章排水采气工艺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、影响气井自喷排水采气能力的因素

17第5章排水采气工艺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、影响气井自喷排水采气能力的因素

18第5章排水采气工艺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相差较大，因此，油管下入深度的不合理将直接影响举升效果。四、影响气井自喷排水采气能力的因素

19第5章排水采气工艺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。20第5章排水采气工艺第二节优选管柱排水采气六、优选管柱排水采气工艺设计思想动态模拟的思想：21第5章排水采气工艺第二节优选管柱排水采气七、连续油管排水采气

针对更换管柱难度大的低压、小产气量气井中，连续油管管径小、可有效避免压井对气层的伤害，且价格便宜、操作简单、恢复产能较快等优点。国外连续油管排水采气已有较长的历史，每年实施达1500井次以上，最大下入深度6248.4m。我国张家场气田（川东地区典型的低孔、低渗透储集层的裂缝—孔隙型气藏）和苏里格气田（内蒙古鄂尔多斯市境内的苏里格庙地区）等推广使用连续油管排水采气工艺。22第5章排水采气工艺第二节优选管柱排水采气八、空心抽油杆排液采气

白庙气田（位于山东省菏泽市与东明县的交界处）为了增加管内流速，降低临界流量，应用空心抽油杆代替小油管，配合气举阀，在N2气举诱喷后可实现连续生产，取得了预期效果。23第5章排水采气工艺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。24第5章排水采气工艺

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。

泡沫助采剂主要包括：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25第5章排水采气工艺一、泡沫排水采气机理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。第三节泡沫排水采气26第5章排水采气工艺一、泡沫排水采气机理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。第三节泡沫排水采气27第5章排水采气工艺一、泡沫排水采气机理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”。第三节泡沫排水采气28第5章排水采气工艺

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⒋洗涤效应第三节泡沫排水采气29第5章排水采气工艺二、工艺流程

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。第三节泡沫排水采气30第5章排水采气工艺三、工艺技术界限与条件

⒈优选泡排气流速度

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第三节泡沫排水采气31第5章排水采气工艺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第三节泡沫排水采气32第5章排水采气工艺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。第三节泡沫排水采气33第5章排水采气工艺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。第三节泡沫排水采气34第5章排水采气工艺

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。⒌消泡剂及用量第三节泡沫排水采气35第5章排水采气工艺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。36第5章排水采气工艺第四节气举排水采气

气举系统示意图

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，将流到井内的流体举升到地面。

气举阀一般常开状态第一级气举阀关闭37第5章排水采气工艺一、连续气举排水采气第四节气举排水采气38第5章排水采气工艺1.定产量和井口压力确定注气点深度和注气量定产量和井口压力确定注气点深度和注气量的步骤示意图定产量和井口压力确定注气点深度和注气量的协调图求解节点：井口气举设计①②③④⑤⑥⑦假设一系列的注气量→气液比39第5章排水采气工艺2.定井口压力和注气量确定注气点深度和产量定注气量和井口压力确定注气点深度和产量的步骤示意图定注气量和井口压力确定注气点深度和产量的协调图求解节点：井底①②③④⑤⑥⑦假设一系列的产量→气液比气举设计？40第5章排水采气工艺3.气举阀位置确定方法（1）计算法①第一个阀的下入深度一般采用计算法或图解法来确定阀位置和数量。当井中液面较深，中途未溢出井口：当井筒中液面在井口附近，在压气过程中即溢出井口：气举设计41第5章排水采气工艺②第二个阀的下入深度阀Ⅱ处压力平衡等式为：

凡尔深度计算示意图当第二个阀进气时，第一个阀关闭。阀Ⅱ处的环空压力为PaII，阀I处的油压为PtI。气举设计42第5章排水采气工艺气举设计③第i个阀的下入深度2）图解法(p89)图解法确定阀位置①②③④⑤⑦⑥⑧⑨43第5章排水采气工艺二、柱塞气举排水采气柱塞气举是将柱塞作为气液之间的机械界面，利用气井自身能量推动柱塞在油管内进行周期地举液，能够有效地阻止气体上窜和液体回落，减少液体“滑脱”效应，增加间歇气举效率。柱塞气举的工作过程第四节气举排水采气44第5章排水采气工艺柱塞气举工艺流程及设备第四节气举排水采气45第5章排水采气工艺第四节气举排水采气设计方法：

活塞的运行参数主要是指活塞每周期的运行时间和每天运行的周期数。通常，活塞的运行数与活塞的结构以及井的压力恢复有关，而参数设置是否合理直接影响活塞的举升效果，日前活塞气举排水采气尚没有一套较为成熟的设计计算方祛，参数的设置多采用现场试验法。利用现场试验的方法来确定活塞的运行参数．具有既直观、又简单易行的优点。46第5章排水采气工艺第四节气举排水采气利用现场试验的方法来确定活塞的运行参数的具体步骤：（l）活塞下行时间的确定①首先，根据活塞的结构类型假设一个关井时间，然后关闭气动薄膜阀，打开手动捕捉器，让活塞在井筒内下落；③待关井时间达到预定值后，打开气动薄膜阀，注意观察活塞上升至井口的时间以及这一周期活塞举升的液量，并记录下来；③将假设的关井时间延长或缩短，重复第一步和第二步的试验。直到在不同的关井时间下，开井生产时活塞上升至井口的时间和所举升出的液量基本相同为止。最后选则一个较短的关井时间作为活塞的下行时间。47第5章排水采气工艺第四节气举排水采气利用现场试验的方法来确定活塞的运行参数的具体步骤：（2）开井生产时间的确定在活塞气举的排水采气中，开井时间的确定除考虑活塞上升到井口的时间外，还应考虑天然气的产出和油压的变化情况。48第5章排水采气工艺三、球塞气举排水采气第四节气举排水采气采用U型双油管柱举升结构。49第5章排水采气工艺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。50第5章排水采气工艺一、工艺流程第五节常规有杆泵排水采气油管排水，油套环行空间采气。51第5章排水采气工艺二、井下气水分离器FL－1型井下气水分离器第五节常规有杆泵排水采气52第5章排水采气工艺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）53第5章排水采气工艺一、工艺原理及流程第六节电潜泵排水采气54第5章排水采气工艺二、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。①离心泵扬程降低；②气锁。第六节电潜泵排水采气55第5章排水采气工艺二、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。第六节电潜泵排水采气56第5章排水采气工艺二、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。第六节电潜泵排水采气57第5章排水采气工艺二、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。第六节电潜泵排水采气58第5章排水采气工艺二、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。第六节电潜泵排水采气59第5章排水采气工艺二、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。第六节电潜泵排水采气60第5章排水采气工艺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。61第5章排水采气工艺一、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。第七节射流泵排水采气62第5章排水采气工艺

井下射流泵工作示意图动力液地面加压；油管或专用动力液管输送；动力液被传至井下喷嘴；通过喷嘴将压能转换动能；嘴后形成低压区；动力液与油层产出液在喉管中混合；经扩散管动能转换成压能；混合液的压力提高后被举升到地面。一、射流泵的结构及泵的工作原理第七节射流泵排水采气63第5章排水采气工艺关键：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。第七节射流泵排水采气64第5章排水采气工艺第七节射流泵排水采气

井下射流泵工作示意图射流泵无量纲特性曲线射流泵特性曲线65第5章排水采气工艺二、射流泵排水采气设备第七节射流泵排水采气高压泵机组井下器具管柱结构井口高压控制管汇计量装置动力液处理装置地面管线系统组成油井装置地面流程射流泵66第5章排水采气工艺二、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。第七节射流泵排水采气67第5章排水采气工艺井下专用工具：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。第七节射流泵排水采气68第5章排水采气工艺①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。井下专用工具：第七节射流泵排水采气69第5章排水采气工艺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。井下专用工具：第七节射流泵排水采气70第5章排水采气工艺井下专用工具：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。第七节射流泵排水采气71第5章排水采气工艺井下专用工具：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。第七节射流泵排水采气72第5章排水采气工艺二、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。第七节射流泵排水采气73第5章排水采气工艺二、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：第七节射流泵排水采