（油气田开发工程专业论文）低压低产油井生产规律分析与举升工艺参数设计.pdf

t h e p r o d u c t i o nr u l ea n a l y s ea n d t h el i f t i n gp a r a m e t e r s d e s i g nf o rl o w - p r e s s u r ea n dl o w - p r o d u c t i o no i lw e l l s s h iz h i r a i n ( o i la n dg a sf i e l de x p l o i t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yc h e nd e c h u n a b s t r a c t b a s e do nt h ei n t e r m i t t e n tp u m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so fl o wp r e s s u r ea n d l o wp r o d u c t i o nw e l l s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l s ，a sw e l la sc o m p u t i n gs o f t w a r e ， w e r ed e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h ep u m p i n gp a r a m e t e r su s i n gt h ed y n a m i c s i m u l a t i o nt e c h n i q u ea n dt h en o d a ls y s t e m sa n a l y s i sm e t h o d t h ed e v e l o p e d m o d e lw a sa p p l i e di nt h ed e s i g no fap r o d u c i n gw e l la tb o n a no i l f i e l d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h er o d p u m p i n gb e h a v i o rf o rb o t ht h ec o n t i n u o u sa n dt h e i n t e r m i t t e n tp u m p i n gm e t h o dw a sd e t e r m i n e db yt h ep u m p i n gp a r a m e t e r s a l s o ，t h ei n t e r m i t t e n tp r o d u c t i o nc a nd e c r e a s et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n d i n c r e a s et h ew o r k i n gl i f eo ft h ep u m p i n ge q u i p m e mw i t har e l a t i v e l yl o w p r o d u c t i o nl o s s m o r e o v e r , i tw a sf o u n dt h a td i f f e r e n tf a c t o r st h a tm a ya f f e c t t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ei n t e r m i t t e n tr o d p u m p i n gm e t h o d ，s u c ha sp u m p i n g p a r a m e t e r s ，l i q u i dl e v e la tt h eb e g i n n i n go f t h ep u m p i n g , s u b m e r g e n c ed e p t h a tt h ee n do fap u m p i n gc y c l e ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，o p t i m i z i n gt h ep u m p i n g p a r a m e t e r sf o rl o wp r e s s u r ea n dl o wp r o d u c t i o nw e l l si sn e c e s s a r y , w h i c hi s o fs i g n i f i c a n c ei n o p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n di n c r e a s i n gt h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c yf o rt h ed e v e l o p m e n t o f l o w p e r m e a b i l i t yo i lf i e l d s k e yw o r d s ：l o w p r e s s u r ea n dl o w * p r o d u c t i o no i lw e l l ，i n t e r m i t t e n tp u m p i n g ，d e s i g n a n da n a l y s i s ，l o wp e r m e a b i l i t yo i l f i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：丕叠 。f 年，r 月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：丕塞重兰 一f 年 ，。月 ，同 导师签名 扩巧每f f 马日 第l 章前言 弟l 草刖蚕 抽油机井采油是国内外最广泛采用的机械采油方式。随着我国石油 勘探和开发程度的深入，低渗透油田储量所占比例愈来愈大。低渗透油 田开发中的两个主要任务：一是如何采用先进适用的技术提高己开发低 渗透油田的经济效益和降低生产成本；二是如何依靠技术进步和先进的 管理体制将未投入开发的低渗透油田投入开发。因此，在目前石油后备 储量紧张，同时在探明未动用的石油地质储量中大部分为低渗透油田储 量的形势下，如何动用好和开发好低渗透油田的储量，对我国石油工业 的持续稳定发展和国家的石油安全具有十分重要的意义。 在低渗透油田的油井生产过程中，表现出明显的低压、低产特征， 在这种情况下，抽油机井生产系统的连续运转，使得抽油泵经常处于“半 抽”或“空抽”状态，既浪费电力，又磨损抽油设备，影响着油井的生 产效率和效益，所以开展这类油井生产研究备受油田关注。 渤南油田是胜利油田有限公司河口采油厂所辖的低渗透油田。长期 以来，渤南油田低产低效的问题一直是影响开发效果的主要矛盾之一， 胜利油田有限公司河口采油厂为此在油藏工程、采油工程方面开展了大 量卓有成效的工作。采取了小井距试验、开发井网完善、油层酸化压裂、 小泵深抽等工艺技术，见到了很好成效。但是，由于渤南油田自身条件 的约束，对开采规律的认识，特别是具体到不同区块乃至单口油井规律 的认识仍需进一步深化、细化。所以，在油田开发与油气开采的生产实 践中，需要经常总结生产规律，以指导油田高效开发与开采。 目前渤南油田日产液低于1 0 f d 的油井1 3 0 口，日产液7 2 3 ，d ，日 产油2 7 5 t d ，泵型以中4 4 m m 为主，泵深在1 6 0 0 1 9 0 0 m 之间，大部分 井动液面在1 5 0 0 1 9 0 0 m 之间，地面配置机型以高原机和1 2 型游梁式 抽油机为主。这类井是造成高耗低效的主要原因之一。为此采取了小泵 深抽、放大生产压差、提高地层产能；小泵、小冲数降低理论排量、协 调供排关系等措施，一定程度上缓解了上述矛盾。2 0 0 1 年引进油井问开 控制装置，进行低产井问开试验，由于对该类井的生产规律认识不透， 关井、开井的时间设置缺少理论依据，同时受到地面管理因素制约，没 中国l ，油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 有见到预期效果。 对于这类问歇生产的抽油机井，亟待解决的问题是：如何选择生产 设备? 如何设计其工作制度? 抽油时间有多久? 又该停泵恢复多久? 对 于这一问题，过去基本上凭经验来解决。 研究和生产实践表明，抽油机井间歇抽油生产过程中井底流压、液 面高度、地层渗流量、泵实际排量以及泵效、举升效率、系统效率等相 互耦合且随生产时问动态变化。这是间歇抽油井与连续抽油井的显著区 别。油井采用连续抽油方式还是间歇抽油方式取决于油层的供液状况和 油井生产制度，合理确定其抽油方式及其举升工艺参数对该类油井生产 效益有重要的影响。所以，有必要对低产、低压油井进行生产分析，特 别是对抽油工作制度进行动态模拟和敏感性分析，以油井日产量或举升 效益为目标，确定油井抽油方式，合理设计其生产工作参数，这对降低 低压、低产油井的开采成本和提高油田开采效益具有重要的意义。 本文针对低压、低产抽油机井的生产特点，研究了间歇抽油过程中 油层的渗流特征，并建立了相关的数学模型；在此基础上，利用油井生 产动态模拟技术、节点系统分析方法和优化原理，以抽油机井生产系统 为研究对象，以油井产量、泵效、举升效率等为研究目标，建立抽油机 井连续抽油和间歇抽油举升工艺设计数学模型和计算流程，并编制“抽 油机井连续抽油和间歇抽油工艺优化设计与分析”软件；以渤南油田的 生产井为例，分析了油井流入动态、产量递减规律、水驱规律以及采液 指数和采油指数随含水率的变化规律等；进行了油井工作状况校核分析、 原抽油杆柱下的工艺设计、连续抽油及间歇抽油设计；优选了分析井的 生产方式。并进行了部分井的生产实践，取得了较好的效果。为低渗透 油田的低产、低压油井生产管理和提高油井开采效益具有重要的指导作 用。 2 。p 国石油大学( 华尔) 硕十论文第2 章问歇抽汕技术发展现状 第2 章间歇抽油技术发展现状 对低压、低产抽油机井采取间歇抽油生产方式是提高这类油井经济 效益的一种有效方法。它是在近年来，随着低渗透油田的开发、低压低 产井的增多而逐渐发展起来的一种抽油方式。 2 1 国外发展现状 国外，间歇抽油技术主要的研究方向是一体化、自动化和高智能化。 许多国外的石油公司都在研制多种智能间歇控制系统，这种系统是将抽 油机的监测系统和计算机自动计算、自动控制系统结合起来。它可将由 各种抽油机井监测系统得到的井筒液面、电机电流及流体流动等的变化 情况，以电流的形式传到计算机上，经过计算机的计算得到最佳的抽油 机工作方式( 抽或停抽) ，然后再由自动控制系统来控制调整抽油机的工 作方式，以达到最佳，从而可以提高抽油机的工作效率和节约大量的电 能。 i n t e r m e z 0 0 抽油机智能间歇控制系统。m 1 ，它是由壳牌石油公司和g p 能源工程公司合作制造的专门用于石油开采的抽油机节电专业产品。 在北美、中东及非洲市场销势强劲。节电效果已被各大石油公司所一致 推崇。 i n t e r m e z 0 0 是由微处理器进行控制，可以将抽油机的低效率机械抽 取改变为高效率智能抽取。有效避免柱塞泵空抽的发生，大幅减少无效 行程，可有效降低电力消耗3 0 7 0 。 i n t e p & i e z 0 0 是通过两种方式节电：( 1 ) 令抽油机与油井的实际负荷 相匹配，避免无效抽汲而节约电能。i n t e r m e z 0 0 能够通过传感装置自动 检测井下的实际负荷，当半抽或空抽发生时，自动令抽油机停止工作。 只有当井下液体的积蓄量能满足再次连续满抽的条件时，抽油机才会再 次启动。( 2 ) 自反馈动态优化。当i n t e r m e z 0 0 在连续满抽一段时间后， 半抽和负荷降低的问题会不可避免的发生。通过自反馈机制，电脑程序 自动检测和计算，确定再装率达不到较佳水平时，i n t e r m e z 0 0 即令泵装 国拍淮人学( 华乐) 硕十论空 笫2 章问歇抽汕技术发展现状 第2 章间歇抽油技术发展现状 对低压、低产抽油机井采取m j 歇抽油生产力式足提高这类油井经济 效益的种有效方法。它是在近年来，随着低渗透油田的 发、低压低 产井的增多而逐渐发展起来的一种抽油方式。 21 国外发展现状 国外，间歇抽油技术主要的研究方向是一体化、自动化和高智能化。 许多国外的石油公司都在研制多种智能间歇控制系统，这种系统是将抽 油机的监测系统和计算机自动计算、自动控制系统结合起来。它可将由 各种抽油机井监测系统得到的井筒液面、电机电流及流体流动等的变化 情况，以电流的形式传到计算机上，经过计算机的计算得到最佳的抽油 机工作方式( 抽或停抽) ，然后再由自动控制系统柬控制调整抽油机的工 作方式，以达到最佳，从而可咀提高抽油机的工作效率和节约大量的电 能。 i n t e r m e z 0 0 抽油机智能间歇控制系统。”1 ，它是由壳牌石油公司和g p 能源工程公司合作制造的专门用于石油玎采的抽油机节电专业产品。 在北美、中东及非洲市场销势强劲。节电效果已被各大石油公司所一致 推崇。 i n t e r m e z 0 0 是由微处理器进行控制，可以将抽油机的低效率机械抽 取改变为高效率橱能抽取。有效避免柱塞泵空抽的发生，大幅减少无效 行程，可有效降低电力消耗3 0 7 0 。 i n t e r m e z 0 0 是通过两种方式节电：( 1 ) 令抽油机与油井的实际负荷 丰日匹配，避免无效抽汲而节约电能。i n t e r m e z 0 0 能够通过传感装置自动 检测升下的实际负荷，当半抽或空抽发生时，自动令抽油机停止工作。 只有当井下液体的积蓄量能满足再次连续满抽的条件时，抽油机才会再 次启动。( 2 ) 自反馈动态优化。肖i n t e r m e z 0 0 在连续满抽段时问后， 半抽和负荷降低的问题会不可避免的发生。通过自反馈机制，电脑程序 自动检测和计算，确定再装率达不到较佳水平时，i n t e r m e z 0 0 即令泵装 自动检测和计算，确定再装率达不到较佳水平时，i n t e r m e z 0 0 即令泵装 中国右油大学( 华尔) 硕十论文笫2 章问歇抽油技术发腱现状 置停止工作。通过智能运算，当再装率达到顶设的最佳水平时，又令泵 装置投入运行。i n t e r m e z 0 0 可以智能地动态调整抽油泵装置的再装问歇 周期，根据井下的负荷变化而实现优化控制，从而在解决了抽油泵装置 低效率抽汲的问题，有效地节约电能消耗。 i n t e r m e z 0 0 并非简单地令抽油机一次性停顿数小时之久，而是根据 负荷的动态变化，智能地决定抽油机的工作周期，变2 4 小时不间断工作 为智能间歇性的工作，保证每次抽汲的高效性，从而有效地杜绝低效的 空抽和半抽生产过程。 国外应用的案例表明，一口处于半抽状态的油井，在安装i n t e r m e z 0 0 之后，每天的运行时间通常会由2 4 小时减少到6 1 2 小时，也就是说， 省去的无效抽汲，意味着节省了5 0 以上的电力消耗。 2 _ 2 国内发展现状 国内，对于低产低压井多采取以很小的采液速度连续抽油方式生产， 很容易表现出“半抽”或“空抽”状态，这样不仅降低了抽油设备的利 用率、浪费大量的电能，而且还导致设备的寿命变短，影响着油田开采 效益。 对于低产低压井，国内学者也做过间歇抽油研究，主要集中在以下 几个方面： ( 1 ) 定时器的应用或人工控制 过去甚至现在常用来解决低压低产井供液不足的方法是使用定时器 令泵装置间歇工作，但是该方法没有根本解决抽油机工作能力动态响应 负荷变化的问题。另外一种较原始的做法是派人定时到油井开停抽油机。 即便在美国等发达国家，目前仍然有这种方式存在，以便控制设备的低 效和电能浪费。 ( 2 ) 低压低产井的井筒流体液面动态变化规律研究 这些研究主要集中在动液面的变化、抽油时间和停抽时间的理论计 算以及间歇抽油的理论过程研究上。熊友明在“低压油井间歇抽油设计 研究”文中，运用抽油井井筒中的物质平衡，建立了抽油井间歇抽油 4 中国石油人学( 华东) 硕十论文第2 章间歇抽汕技术发展现状 时间和停泵时间的数学模型，以计算油井的抽油时州和停泵时间”1 。2 0 0 】 年雷群等人根据安塞油r 日部分井表现出的低渗、低压、低产、低效与间 歇出油的特征，推导了低产油井间歇抽油的关井时间、开井时间及产量 的简化式，以合理设计抽油机井问开制度“1 。 ( 3 ) 通过试验获取相应间歇抽油的界限指标 1 9 9 7 年杨延明等人在t 8 1 3 8 井做了问停间开的现场试验，通过测 试试验井间停间开的液面恢复和液面下降曲线确定油井的停开周期。 2 0 0 0 年刘合等人针对杏北油田低产井的情况，通过现场资料统计分析了 间歇抽油过程中泵抽产量、泵抽时沉没度、地层流量和液面恢复等物理 量的变化特点，总结得出了用于指导该油田间歇抽油制度确定的几点认 识吐 ( 4 ) 间歇井数学模型的建立 2 0 0 3 年周代余等人根据环空体积平衡原理，以地层渗流符合v o g e l 方程、抽油前井筒液体处于静止状态为条件，建立低效油井间歇抽油数 学模型，采用数值解法确定出油井的间歇工作制度，从而实现间歇抽油 井的优化生产“。 ( 5 ) 自动化、智能化系统的研制 齐维贵教授等研制的“智能抽油机节能控制器”让抽油机以“间歇 启停”的工作方式代替了原来的“连续”运行。智能专家网络系统能够 准确判断，有油就抽，没油就停，节能效果十分明显。产品在大庆、胜 利、辽河、大港、长庆、吉林等油田推广应用证明，在油田的原有设备 不需进行任何改动的情况下，可平均节能3 0 以上，延长设备寿命2 5 ”。 襄樊泰和电气有限公司研制的j k - 1 型间抽井控制仪是对游梁式抽 油机进行全自动监测和控制启停的节能控制设备0 1 。其功能是通过对抽 油机示功图进行监测，判断其是否空抽或满抽，从而控制抽油机的停抽 与起抽时间，以达到增产节能之目的。控制仪也可将抽油机的各项工作 状态参数实时地传输至电脑，同时还可以通过电脑设置控制仪的各项控 制参数，或者强制启动和停止抽油机。 这些研究结果显示，在低压低产井中应用间歇抽油方式，采用小冲 程、慢冲次、大下泵深度和适当的沉没度，可以使间歇抽油的产量、系 p 国_ l 油人学( 华尔) 硕士论文第2 章间歇抽油技术发展现状 统效率和泵效都达到最佳。但是间歇抽油方式只是种适用于低产低压 油井提高泵效和系统效率的手段，而不是一种增产措施。 针对我国低压低产井的生产实际和目前该领域的研究和实验状况， 有必要研究低压低产油井间歇抽油举升工艺参数设计的理论和方法，开 发相应的计算工具软件，并利用软件计算分析油井适合的举升过程( 连 续抽油或问歇抽油) ，设计最佳的抽油制度，以使油井处于高效、安全的 生产状态，达到节能降耗和提高油井开采效益的目的。 6 中国t i 油人学( 华东) 顾十论义第3 章间歇抽油理论基础 第3 章间歇抽油理论基础 3 1 间歇抽油工作过程及作用 实施问歇抽油的油井，由于地层能量低、渗透率低、产量低，生产 过程分为开井抽油生产和关井液面恢复两个阶段。关井之后，由于井底 流压小于地层压力，地层向井筒供液，油井的动液面开始上升，泵的沉 没度增大。至油井开始抽油时刻，泵的沉没度达到最大，然后开井抽油 生产，因地层供液能力差，地层供液量小于泵的排液量，导致液面逐渐 下降，泵口的吸入压力逐渐降低，泵效逐渐降低。如果一直抽汲，就会 出现“空抽”现象。此时，进入下一个间歇生产周期。 因此，对低压低产油井间歇抽油举升工艺参数设计关键在于研究油 井生产系统所包含的油层子系统、井筒子系统和采油设备子系统的协调 以及间歇抽油制度的优化。 3 2 抽油机井间歇抽油工作液西变化规律 假设条件： ( 1 ) 忽略地层、井筒流体流动的加速度对井筒流体体积的影响； ( 2 ) 油井流入动态满足p e t r o b r a s 方程”1 ； ( 3 ) 抽汲时间t 时井筒中的动液面深度为h ； ( 4 ) 抽油前地层与井筒流体处于静止状态，即t = 0 时井筒中的液面 为静液面。 取时间间隔血，地层渗流入井的流体量q 1 为： q l = q a t ( 3 1 ) 式中，q l 为a t 时间内由地层渗流入井的流体量，m3 ；q 为对应于 液面深度h 时地层入井的平均渗流速度，m 3 d ：a t 为时间微元，d 。 7 中国_ i 油人学( 华东) 硕l 。论文 第3 章i 州歇抽油理论基础 q ，可采用p e t r o b r a s 方程计算”3 。一股地，先根据油层和油井的静 动态资料，利用p e t r o b r a s 方程计算油井的i p r ，然后根据动液面深度h 确定t 时刻的井底流压，从而确定f 时刻动液面深度矗对应的9 。 a t 时间内，泵抽汲的流体量o ：为： q 2 = 缈a t ( 3 - 2 ) 式中，q ：为a t 时间内抽油泵抽汲流体的量，m 3 ；岛为对应于液面 深度h 时抽油泵的实际产量，3 d 。 岛= q 。可。 ( 3 3 ) 式中，q 为泵的理论排量，m3 d ；叩，为对应与液面深度 时的泵 泵效刁。的计算”“”1 ： 旷去鲁雨1 - k r 一z d e 3 9a 1 h12矿zdevpx 8 6 4 0 0 式中，b l 为泵吸入条件下被抽汲流体的体积系数，m 3m 3 ：s ，为柱 塞冲程，m ；s 为悬点冲程，m ：k 为泵的余隙比，小数；r 为泵内气 液比，m ，m3 ；d 为泵径，m ；e 为柱塞与泵衬套的间隙，；v 为流 体的运动粘度，m 2 厶；h 为柱塞两端的压差，m h ：0 ；三为柱塞长度， m ；u 。为柱塞运动速度，m s 。 显然，b i ，s 。，r ，h 等均为泵吸入压力或泵沉没度、下泵深度 8 中国彳i 油大学( 华东) 硕十论文第3 章间歇抽油理论基础 h p 。一抽油杆柱组合等的函数，因此在计算中采用迭代法处理。 根据井筒中的物质平衡原理，时间内井筒内流体的变化量为 q = q l 一致= 一爿 ( 3 - 5 ) 式中，q 为井筒内流体的体积变化量，m 3 ( 取井筒内流体体积量 增大为正) ；a h 为动液面深度的变化值，m ；爿为对应于 的井筒流体 占据空间的当量横截面积，m 2 。 3 3 抽油时间的确定 根据油井间歇抽油的特点，运用抽油机井生产动态模拟技术。”啪“2 “， 以油井停抽时井筒流体的液面恢复到静液面作为初始条件，研究其在不 同工作制度下的油井生产工作状况。计算流程见图3 1 。 3 4 液面恢复时间的确定 当抽油机井停抽后，井筒中的液面将在地层续流的作用下从下泵深 度处逐渐向上恢复，沉没度将随时间增加而增加，与此同时由于井筒中 液面高度增加，井底压力逐渐增大，油层渗流入井的液体量随时间增加 而减少。因此，井筒中液面高度随时间增加变得越来越慢。从油层渗流 入井的液体量全部用于恢复井筒中的液面。确定液面恢复规律的计算流 程图见图3 2 。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 幸问歇抽油理论基础 图3 - 1 抽油机井间歇抽油举升工艺参数设计流程图 o 。| j 国打油人学( 华东) 颁士论文第3 章间歇抽油理论基础 l 开始 l t = 0 ，j = 0 ，h l = h 口u m p r l假设液面深度增量ah卜 + 计算平均液面深度h = h ah 2 h 算井底流压 计算油层渗流入井流量 i 计算在此流量下液面恢复h 所需时间tl + t = t + t 0 h i - ，= h i 一h 上 j = j + 1 人否 ! ! 夕 i是 输出计算结果 l 结束 l 图3 - 2 液面恢复规律计算流程图 ， ，国n 油人。( 华4 、) 颂十硷文第4 章举升r 参数殴讨软州研制思路 第4 章举升工艺参数设计软件研制思路 4 1 抽油机井生产系统组成 抽油机井生产系统是由油藏、井筒和地面管线三个依次衔接、相互 影响，又具有不同流动规律的三个流动子系统以及采油设备子系统构成。 ( 1 ) 油藏渗流子系统：反映原油从油层向井底的流动过程，其工作 规律由油井流入动态关系( i p r ) 来描述。 ( 2 ) 井筒管流子系统：描述流入井底的生产流体向井口的流动过程， 其工作规律由井筒多相管流规律相关式来描述。井筒多相管流规律受到 采油设备工作的影响，同时它也影响采油设备子系统的工作状况。 ( 3 ) 地面水平或倾斜管流子系统，描述被举升至地面的生产流体通 过地面出油管线向油气分离器的流动过程，它遵循水平或倾斜多相管流 规律。在抽油机井举升工艺优化设计中，一般认为地面管线不变更，或 以要求的井口回压( 油压) 来界定。 ( 4 ) 采油设备子系统：描述抽油设备的运动学、动力学规律及能量 传递与转化过程。它与井筒管流子系统、油藏渗流子系统和地面管流子 系统的协调，是抽油机井举升工艺稳定、高效生产的基础。 4 2 节点系统分析与抽油协调 节点系统分析( n o d a ls y s t e m sa n a l y s i s ) 方法是2 0 世纪8 0 年代以 来进行油、气井生产系统设计及生产动态预测广泛采用的一种方法，它 是系统协调原理在原油生产应用方面的发展。 节点系统分析的对象是油井生产系统，在本研究中求解点设置在下 泵深度处； 油层、井筒和抽油设备的协调和衔接条件： ( 1 ) 质量守恒：油层生产的流体、井筒排出的流体和泵的排量三者 质量流量相同； ( 2 ) 能量守恒：流体从油层流入井底时的剩余压力等于井筒流体流 2 中国彳瑚人学( 华东) 硕士论文第4 章举月r 艺参数设训软件研制思路 动的起始压力；流体从井底流到泵吸入口处的剩余压力等于泵吸入口压 力：泵排出口处的压力与井 _ 油压和油管中流体的流动压力降之和平衡； 泵吸入口处的压力与井口套压和油套环空中的流体压力之和平衡； ( 3 ) 热量守恒：流入井底流体具有的热量与井口流体剩余热量之差 和在井筒流动过程中流体同井筒周围环境热传递量平衡。 4 3 设计的原则和内容 ( 1 ) 设计原则 抽油机井生产系统优化设计是以整个油井生产系统为研究对象，以 各子系统的协调为基础，以油井的生产能力为依据，以油井的产油量、 系统效率或经济效益为目标，采用节点系统分析方法和油井生产动态模 拟技术，进行油井生产参数的优化设计与采油设备的合理配置，使抽油 系统高效、安全地工作。 ( 2 ) 设计与分析内容 对目前正常生产的抽油机井进行工况校核分析，以了解油层的生产 能力、设备的工作状况，为进一步制定合理的技术措施提供依据。另一 方面，软件中工况校核分析所采用的主要计算模型与系统优化设计中的 基本相同，通过软件的校核计算结果与现场测试资料的对比，对本研究 软件的计算模型起到验证作用。 对目前正常生产的，且工况分析认为只需进行地面生产参数调节， 不动管杆柱的抽油机井进行地面生产参数对举升效率或经济效益的敏感 性分析，并以高效为目标，制定参数调节方案，预测参数调节后的生产 指标和设备工况指标。 对新井或措施井( 所谓的动管杆柱的油井) ，通过优化设计，确定该 井采用连续抽油或间歇抽油方式，设计合理的生产参数和选配采油设备 ( 如抽油机、泵型、泵径、冲程、冲次、下泵深度、抽油杆柱组合、扶 正器安装位置、加重杆长度、规格等) ，并预测相应抽汲参数下的工况指 标( 如间歇抽油周期、载荷、应力、扭矩、功率、效率、产量、泵效及 其组成分析等等) 。 中国石i 油人学( 华东) 硕 j 论文第4 章举升r ：艺参数没计软竹研制思路 4 4 软件基本构成及设计流程框图 抽油机井间歇抽油举升工艺优化设计与分析框图见图3 1 ；低压低产 油井间歇抽油举升工艺参数设计软件基本构成图如图4 1 ；抽油机井举升 工艺工况校核与分析框图如图4 2 ；抽油机井连续抽油举升工艺优化设计 与分析框图如图4 3 。 低压 低产 油井 间歇 抽油 分析 与举 升工 艺参 数设 计软 件 数据准备 设备参数管理 1兰兰竺兰兰竺 厂磊丽面一1，一 曩莞翌翌l _ _ 4 _ 云荔弄磊面 优化设计jl：= 1 二= = ：。 动杆柱工艺设计 间歇抽油优化设计 结果输出 退出 工作状况分析结果输出 厂 l 三翌! 竺塑兰竺墨竺堂l - 。1 ，1 1 。1 。一 兰! 苎兰兰竺墨竺兰 匝亟耍圃 图4 - 1 低压低产油井问歇抽油举升工艺参数设计软件基本构成图 1 4 中国石油大学( # 尔) 硕l j 论文第4 章举升上艺参数殴计软什研制思路 l 数据输入 j i 油井流入动态关系计算l l 井筒中流体压力温度及物性参数分布计算l l i 抽油杆柱受力与应力状况分析l l t 妇油泵泵效组成分析i j 抽油工况指标计算与分析 i 举升效率分析 结果输出及存储数据文件 l l 结束l 图4 2 抽油机井举升工艺工况校核与分析框图 1 5 中国石油人学( 华东) 硕十论文第4 章举升r 艺参数改计软件研制思路 图4 - 3 抽油机井连续抽油举升工艺优化设计与分析框图 中国t t 油人学( 华尔) 硕i 论文第5 章土要汁算模， 第5 章主要计算模型 5 1 油井流入动态计算模型 反映油井产量与井底流压相关关系的流入动态关系“，是油井生产 参数设计的依据和基础。研究中采用并修正了p e t r o b r a s 油、气、水三相 综合i p r 曲线，来描述油井的流入动态规律”“。 p e t r o b r a s 油井流入动态关系是根据两个或两个以上的测试点( 油井 产量与井底流压的对应关系) 来计算油、气、水三相1 p r 曲线的。一般 情况下，测试点主要靠测静压( 静液面) 、产量与井底流压( 动液面) 、 产液指数等获得的。 5 2 已知动液面计算井底流压方法 由动液面计算井底流压的方法是在套管不产气正常生产井井简中， 根据井筒流体的分布规律，将井筒流体划分为气柱、油柱及液柱三段， 分别求出各段的压力降落，从而计算井底流压。其计算表达式如下嘲： 白2 只+ 峨+ 必+ 鹋 ( 5 1 ) = 只+ 只+ 凹 式中，为井底流压，1 7 p a ；只为井口套压，m p a ；名为气柱 压力降落，m p a ；叱为油柱压力降落，m p a ；凹为液柱压力降落， m p a ；最为动液面处压力，m p a 。 ( 1 ) 动液面处的压力 唑0 3 4 1 6 d n gh ， t = 只e ” 。 ( 5 2 ) 式中，只为动液面处的压力( 绝对) ，m p a ；只为井口套压( 绝对) ， m p a ；k 为标准条件下天然气的相对密度，无因次；t 为气柱的平均 7 中困石油人学( 华东) 硕士论文 第5 章主要计算模，p 温度，k ；z 为气柱的平均压缩因子，无因次；h ，为动液面深度，m 。 ( 2 ) 油柱所产生的压力 采用分段迭代法，将整个油柱分成若干个小段，在每一小段上求出 其压降只，然后求和得整个油柱的压差配。 n n 叱= 蛾= g p o ，酏1 0 。6 ；a h ，= h ，一h ，( 5 3 ) j = 1i - 】 j = 】 式中，a h , 为第i 小段油柱的高度，m ；p 。为第i 小段油柱的平均密 度，k g m 3 ；只，为第i 小段油柱的压差，m p a ；e 为油管管鞋深度，m 。 ( 3 ) 井底流压的计算 当油管未下至油层中部时，在油管管鞋至油层中部深度处流体呈现 多相混合流动。己知油管管鞋处的压力、温度等，并以此作为起点，利 用多相流方法即可算出井底流压。 5 3 根据静液面计算静压方法 油井关井后，环空中的液面逐渐趋于稳定的过程中，由于重力作用， 当稳定时，井筒中将呈现静气柱、静油柱和静水柱三段分布。根据流体 静力学原理，关井后井底静压是井口套压与各段流体压力降落之和。“”， 即： 只2 ：c + 篡g + 篡。+ 艇w ( 5 - 4 ) = p 。七醢。斗世。 式中，只为井底静压，m p a ；p c 为井口套压，m p a ；只为静气柱 压力降落，m p a ；只为静油柱压力降落，m p a ；只为液柱压力降落， m p a ；只为静液面处压力，m p a 。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第5 章主要计算模型 ( 1 ) 井筒中油水界面深度巩 根据物质平衡原理，得到的井筒中油水界面深度计算式为： h 6 = h 。一【h 。一h 。归。 一卜耳) 争引也也 ( 一刘最，w 咱 式中，为井筒中油水界面深度，m ：h 。为油层中部深度，坍； 以为油管管鞋深度，掰；h w 为正常生产时，油管管鞋以下液柱的持水 率，无因次；h p 为泵吸入口的深度，川；a t i 为油管内截面面积，m 2 ： 爿。为套管内截面面积，m 2 ；再。为正常生产时泵吸入口至油管进油口之 间这段油管中流体的平均空隙率，无因次；日，为动液面深度，m ；h 。为 静液面深度，m ；a 。为油管外截面面积，2 ；吒为地面的生产水油比， m 3 聊3 ；瓦：为关井后，井筒中原油的平均体积系数，无因次；兀为含 水率，无因次。 ( 2 ) 计算气柱的压力分布 塑竺! ! 生。 只= e e ” 5 ( 5 6 ) 式中，乓为静液面处的压力( 绝对) ，m p a ；为井口套压( 绝对) ， m p a ：为标准条件下天然气的相对密度，无因次；t 为气柱的平均 温度，k ：z 为气柱的平均压缩因子，无因次；。为静液面深度，m 。 在实际计算过程中，采用类似于动液面处压力计算的分段迭代方法 进行。 ( 3 ) 计算油柱的压力降 1 9 中国石油人学( 华东) 硕士论文 第5 章主要计算模型 只= 1 0 - 6x d h 2 9 喜几幽，o _ 6 ；喜幽，= 巩一皿( s z ) 式中，h b 为井筒中油水界面深度，m ；成为某一深度 处的静油柱 强度，k g f m 5 。 ( 4 ) 计算水柱的压力降 水的溶气能力很小，可以忽略，且其密度可认为不随压力变化。 a p = p 。g ( 峨一风) 1 0 “( 5 - 8 ) 式中，p 。为水的平均密度，培川3 ：风为油层中部深度，坍。 由于油气物性参数都是压力的函数，所以整个井底静压计算过程仍 需按迭代法进行。已知油层压力计算油井静液面深度的计算方法与上述 方法相同，但必须对相应的式进行调整。 5 4 井简多相管流计算模型b e g g s b r il i 相关式 多相流理论是贯穿石油生产全过程的基本理论，也是抽油井生产系 统设计中涉及的主要理论之一。无论是动、静液面与流压、静压等间的 换算，还是下泵深度的确定、液柱载荷的计算等，均是以井筒多相流理 论为基础的。 b e g g s 和b r i l l 基于由均相流动能量守恒方程式得出的压力梯度计算 方法，它将气液两相管流的流型归并为分离流、间歇流和分散流，并在 分离流与间歇流之间增加了过渡流，采用了内插法计算。 总压力梯度为： 一蹇：等篙萧2 g v 泞。， 忽 1 一护。吼+ 联( 1 一吼) h 。 尸 “ 式中，务为压力梯度，尸口m ；成为液相密度，堙m s ；p g 为气 化 。 。+ 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第5 章主要计算模型 相密度，k g l m 3 ；h 。为持液率，在流动的气液混合物中液相的体积份数， 小数；g 为加速度，m s2 ；0 为管线与水平方向的夹角，。； 为流动 阻力系数，无因次；g 为混合物的质量流量，堙s ；v 为混合物平均流 速，m s ；d 为管的内径，m ；a 为管的流通截面积，m 2 ；v 。为气相 表现( 折算) 流速，m s 。 5 5 流体物性参数计算方法1 1 】【1 2 】【1 3 】 ( 1 ) 原油密度 p ：! ! ! ! 丘! ：兰：! ! ：墨丛 ( 纠o ) o2 百一 妯1 w 式中，p 。为在平均压力及平均温度条件下的原油密度，k g m 3 ；，。 为地面条件下的原油相对密度，小数；为地面条件下的气体相对密度， 小数；r 。为在平均压力及平均温度条件下的溶解气油比，m 3 m 3 ：b 。为 在平均压力及平均温度条件下的原油的体积系数。 ( 2 ) 原油的a p i 度 ，：坐一1 3 1 5 ( 5 1 1 ) 式中，。为原油的a p i 度。 ( 3 ) 原油体积系数 当y 3 0 时： b m = 1 + 4 6 7 7 1 0 。4 r s + ( 1 7 5 1 1 0 - 5 一1 8 1 0 6 1 0 _ 8 船、( 1 8x t + 3 2 - 6 0 ) 堑( 5 1 2 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章主要计算模型 当y 3 0 时 = 1 十4 6 7 7 1 0 4 r s + ( 1 1 1 05 1 3 3 7 1 0 9 鼬) 0 8 x t 。+ 3 2 6 0 ) x r a p z 51 3( 一) 0 当平均压力小于饱和压力时，b o = b 。 当平均压力大于饱和压力时，b o = b e ( - 州r “2 2 b ) ) 式中，。：二! 竺! ! 生! ! ：! ! g ：! ：垒竺! ；! ! ! ! 兰垒! 型：堑 1 4 2 2 p 日1 0 ( 4 ) 溶解气油比 当，3 0 时 r：10雨面丽而s?g x ( 1 4 2 2 p a ) 1 0 9 3 7 1 1 1 7 2 。r a p l 2 7 6 4 当y h 3 0 时： r 。生坐：翌1 0 丽1 0 3 9 3 。r a m 。 5 6 0 6 式中，r 。为温度，。c 。 ( 5 ) 油水混合液体的密度 p 。= 尸。( 1 一_ j ) + p 。兀 式中，兀为体积含水率，小数。 ( 6 ) 液体粘度 死油粘度： l n ( + 1 ) = a b l n ( t 。) 式中，a ，6 为粘温关系曲线回归系数。 ( 5 1 4 ) ( 5 一1 5 ) ( 5 1 6 ) ( 5 1 7 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第5 章主要计算模型 活油粘度： a 0 0 0 h o d ) 。 心而而一 a = 1 0 7 1 5 x ( 5 6 1 5 r 。+ 1 0 0 ) “5 “ b = 5 4 4 ( 5 6 1 5 r 。+ 1 5 0 ) “”8 ( 5 1 8 ) 式中，“。d 为死油粘度，只j ：d o 为活油粘度，只j 。 水的粘度： ze1003-1,479x10 2 ( 3 2 + 18t)+1982。10-5。(32+18 t)z(5-19) w 而而一 式中，甜。为水的粘度，只s 。 油水混合物粘度： 甜，= h 0 0 一 ) + “。厶 ( 5 2 0 ) ( 7 ) 油、天然气的表面张力 咿堕坐堂半船盟崆( 5 - 2 1 ) 式中，盯。为油、气表面张力，n m a ( 8 ) 水、天然气的表面张力 6 w = 兰警b ( 2 3 3 3 ) - - 0 ( 1 3 7 7 8 ) 弧舢，( 5 - 2 2 ) 仃( 2 3 3 3 ) ：7 6 e - 3 6 2 5 7 5 。1 0 8 x e 1 0 0 0 盯( 1 3 7 7 8 ) ：堕二! ：! ! ! ! ! ! ! ：! 鲨 1 0 0 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第5 章主要计算模型 式中，仃。为在任一温度下水、天然气的表面张力， n m ；0 ( 2 3 3 3 ) 为 在温度为2 3 3 3 。c 时水、天然气的表面张力， n m ；o ( 1 3 7 7 8 ) 为在温度为 1 3 6 7 8 。c 时水、天然气的表面张力，n m 。 ( 9 ) 油、水混合物和天然气的表面张力 o l = o o g ( 1 一厂。) + 盯。l ( 1 0 ) 天然气的粘度 “g ：世1 0 - 4 e x o 。冉r 世：(94+002m)(492+18t)l5 7 0 “1 勋f + 1 y = 2 4 一o 2 x ；x = 3 5 + 4 9 2 9 + 8 6 1 _ + 0 0 1 m ；m = 2 8 9 6 y 2 89 6 y 。 y 2 2 4 一o 2 x ；x = 3 5 + 4 9 2 + 1 _ + 0 0 1 m ；m = - s ( 5 2 3 ) ( 5 2 4 ) ( 5 2 5 ) 式中，“。为天然气的粘度，毗s ；m 为天然气的分子量，k g k m o l 。 ( 1 1 ) 天然气的密度 以= 3 4 8 4 4 1 。气而丽y g p ( 5 2 6 ) 式中，p 。为在给定温度与压力条件下天然气的密度，k g m 3 。 ( 1 2 ) 天然气的压缩因子 d fo ” 一d o2 l 刻 ( 5 2 7 ) 其中，岛2 糍；纠2 7 3 1 5 + t 胆；a l = 0 3 1 5 0 6 彳22 1 0 4 6 7 ：a 3 = 一0 5 7 8 3 ；a 4 = 0 5 3 5 3 ；a 5 = - 0 6 1 2 3 ；a 6