（油气田开发工程专业论文）稠油井有杆泵举升工艺优化设计.pdf

中国 石油勘探开发研究院硕十学位论文 abs t r a c t i n d a g a n g o i l fi e l d u t i l i z e m a i n l y c o n v e n t i o n a l r o d p u m p a s s e m b l i n g t h e m i x t u r e o f h o t a c t i v i ty s t a b i l i t y a n d w a t e r i n w e l l b o r e t o i m p l e m e n t v i s c o u s i t y r e d u c t i o n . t h e s y s t e m p o s s e s s e s r e l i a b l e , a p p l i c a b l e r a n g e w i d e r , fi e l d a p p l i c a t i o n s m o r e a n d m o r e ,b u t t h e p r o c e s s o f t h e e x t r a c t i o n o f b o t h o r d i n a ry v i s c o u s o i l s t i l l e x i s t s d u r i n g d e s i g n , e q u i p m e n t s n o n - a s s e m b l y i n g , l o w o i l p u m p e ffic i e n c y , l a r g e r r o d f r i c t i o n r e s i s t a n c e f o r c e a s t o r e s u l t i n a p a r t o f w e l l s b e i n g d i f f i c u l t t o p r o d u c e r e g u l a r l y , w h i c h a r e p o s e r s d u r i n g o i l p r o d u c t i o n. i n th e l i g h t o f a b o v e q u e s t i o n s o n t h e b a s i s o f t h e r e s e a r c h o n r a d i c a l t h e o ry a n d l a b t e s t o n t h e t h e o l o g i c a l p r o p e r ty ,p u t f o r w a r d o p t i m a l d e s i g n i n g m e t h o d f o r r o d p u m p l i f t i n g t e c h n o l o g y i n v i s c o u s w e l l s i n w h i c h i n c l u d e s s u c h t h r e e p a r t s a s p a r a m e t e r s o p t i m a l s e l e c t i o n , r o d c o l u m n d e s i g n a n d c h e m i c a l v i s c o u s i t y r e d u c t i o n a n d a n a ly s e e m p h a t i c a l l y t h e f a c t o r s w h i c h e ff e c t o n p u m p e ff i c i e n c y， i t s p u r p o s e i s t h a t f u r t h e r im p r o v e s t h e a s s e m b l y in g l e v e l f o r e x ta n t o i l p r o d u c ti o n b y r o d p u m p i n v i s c o u s o il w e l l s . a f te r p r o c t i s i n g a p p l i c a t i o n o f t h i s te c h n o l o g y c e r t i f i c a t e th i s m e t h o d i s b o t h r e l i a b l e a n d rea s o n a b l e k e y w o r d s : r o d p u m p， o p t im a l d e s i g n , v i s c o u s o il ,v i s c o u s it y r e d u c t i o n b y w a t e r b l e n d i n g . m 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 人己 经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国石油勘探开发研究院或其 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 “ 3 一 日 期:2 口 。 多 . 7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油勘探开发研究院有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 中国石油勘探开发研究院有权保留 送交论文的复印件，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。 签名 : 鲜肚 、 签 “ 期 : 之 户 夕 ; . 尸 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 稠油井有杆泵举升工艺优化设计 引言 对于粘度较低的稠油井有杆泵设计，大港油田大多按照常规工艺方法进行， 基本 能满足生产需要，但对于粘度较高的稠油井投产， 还需要进行理论及举升工艺优化设 计方法的深入研究。该课题就是通过室内 试验的分析，开展基础理论及设计方法的 研 究，提出 一套稠油井 举升工艺优化设计方法，并进行现场试验应用，指导生产实践， 进一步完善稠油举升优化设计方法。本文在前人研究成果的基础上，建立了稠油井 有杆泵举升工艺生产系统参数优化设计数学模型，并编制了计算机程序。该设计方 法对于生产实际具有较高的应用价值。 第一章概述 1 . 1稠油的 特性及分类标准 1 . 1 . 1 稠油的特性 我国发现的稠油油藏分布很广，约占 石油资源量的2 0 %， 稠油油藏类型也很多， 油藏深度变化大， 一般在1 0 - -2 0 0 0 m之间， 主要储层为砂岩。 我国 稠油的特性主要表现 在以下几方面: ( 1 ) 稠油中胶质沥青含量高， 而且原油密度及粘度随胶质沥青含量的 增加而升高。 常规原油中 沥青质含量一般不超过5 %， 但稠油中沥青质含量可达1 0 % - 3 0 %， 个 别超稠油达到5 0 %以上。 ( 2 ) 稠油中含硫量、含蜡量及凝固点一般较低。我国已 发现的大量稠油油藏中， 稠油中的含硫量相对较低，一般小于。 名 % ，原油中的含蜡量在5 % 左右 ( 如辽河高升、 曙光，胜利单家寺等油田)。 ( 3 ) 稠油的 热敏感性较强。 粘温曲线反映了原油粘度对温度的敏感性， 敏感性的 强弱是决定是否进行热力开采的基础。 1 . 1 . 2 稠油的分类。 关于稠油的分类标准及评价方法很多，差别较大。国际上分类原则为 0 0 1 4 1 ,原油 粘度作为第一指标， 原油密度作为第二指标，且原油粘度采用油藏温度下的脱气油样 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 测定。 粘度在1 0 0 - 1 0 0 0 0 m p a .s 范围内为稠油或重质原油， 超过1 0 0 0 0 m p a .s 为沥青; 国 内 专家 刘文 章教 授 1l 考 虑我国 稠油 特性 及其它因 素并 主 要 强调原 油粘度为 主要 指标 对 表 1国外u n i t a r推荐的分类标准 分类 第一指标第二指标 ( 6 0 0 f ) 粘度 ( m p a .s )密度 ( k g h ri ) .ap i 稠油1 0 0 - 1 0 0 0 0 9 3 4 -1 0 0 02 0- 1 0 沥青1 0 0 0 0 1 0 0 0q o 指在油藏温度下的脱气压粘度，用油样洲定或计算。 稠油进行分类; 普通稠油 ( 5 0 - 1 0 0 0 0 m p a .s ) ， 特稠m ( 1 0 0 0 0 - 5 0 0 0 0 m p a .s ) ， 超稠油 ( 5 0 0 0 0 m p a . s 以上)共三个档次。 表2中国常用的稠油分类标准 稠畜油 分类1主 要 指 标1 辅 助指 标 开采方式 名称一 级别粘 度 ( m p a .s ) 相对密度 普通稠油 i5 0( 或 1 0 0 )- - 1 0 0 0 0 0 . 9 2 0 0 亚类 1 - 1 5 0 - 1 5 0 0 .9 2 0 0可以先注水 1 -21 5 0 - 1 0 0 0 0 0 . 9 2 0 0热采 特稠油1 i i 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 .9 5 0 0 热采 超稠油 ( 天然沥青) ii i 5 0 0 0 0 0 . 9 8 0 0热采 斜体部分表示油层条件下的粘度，其余指油层温度下脱气原油粘度。 1 . 1 . 3大港油田稠油油藏特点 大港油田 所辖油区稠油储量比 较丰富。 据统计，目 前大港油田己 投入开发的 稠油 含油面积6 1 . 4 k m ，地质储量 1 . 6 5 x 1 0 t ，稠油年产量1 1 2 . 4 万t ，稠油主要分布在枣 园、王官屯、孔店以 及羊三木等油田，主要有以下特点。 a 、油藏埋藏深，中 深层油藏渗透率低。大港油田 稠油油藏埋藏普遍深，一般在 1 0 0 0 -3 3 0 0 m ， 发现最深的稠油油藏官9 7 9 埋藏深度在3 1 0 0 m 。 储层渗透率变化非常大， 一 般为中浅层渗透率较大， 深 层渗透率较小，空 气渗 透率最低为2 5 . 1 x 1 0 . . . b 、主要为普通稠油， 但粘度变化大，部分原油凝固点高。脱气原油粘度变化幅度 大，从单井室内 化验数据来看，多数稠油井粘度在1 0 0 - v 1 0 0 0 m p a . s ，小部分属于特稠 油范围， 油层温度下脱气原油粘度在1 0 0 0 0 m p a . s 以上， 如枣2 2 - 3 2 井8 0 时原油粘度 2 2 0 0 0 m p a . s ， 油 层 温 度6 5 0c ， 密 度0 . 9 9 1 2 g / c m 。 除 官1 0 9 - 1 油田 外， 基 本 不 含s 等 腐 蚀性介质。 在枣园、 小集等油田， 原油具有高凝高粘的特性， 凝固点一般在3 0 以上。 。 、断块小且破碎， 构造复杂，油藏类型多。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 d 、中浅层稠油油藏出砂严重。部分油藏边底水发育， 但大多数稠油油藏天然能量 补充差，需要人工注水开发。 1 . 2稠油井有杆泵举升工艺现状 由于原油粘度大，使用常规机械采油方法生产时，抽油杆在油管中下行阻力太大， 柱塞不能下到底， 造成油井不能正常生产。目 前，国外解决此问题的主要方法是注稠 化水、掺轻质油、大机大泵强采等。 国内 在开采稠油油藏时，对于1 - 2 类普通稠油、特稠油及超稠油主要采用注蒸汽 降粘工艺开采，对于卜1 类普通稠油国内如大港羊三木、胜利孤岛等油田，通常采用 稠油掺水降 粘方法、掺稀油降粘方法、空心杆电加热工艺、空心杆热流体循环降粘开 采工艺以 及特种抽稠油泵、电 潜泵、螺杆泵、水力泵等开采工艺。对于大多数中低产 能的普通稠油井，目 前主要采用抽油机有杆泵配套降粘工艺，主要降粘工艺一般包括 化学降粘、电 加热降 粘、掺稀油降粘等。 大港油田开采普通稠油主要采用以 下方法a 1 、 常规有杆泵配套井筒化学降粘工艺。 主要用于开采能量较低、 原油粘度较低( 非 热采)、地层可以 轻微出砂的油井。目 前，该工艺适应范围广、技术稳定可靠、现场 应用较为成熟。 2 、电 潜泵采油工艺。 主要应用于地层能量充足，原油粘度中 低， 基本不出 砂的中 高含水期油井。目 前该工艺是中高含水期稠油井上产的主要手段之一。 3 、螺杆泵采油工艺。 主要应用于油层埋藏中浅、地层出砂并有一定供液能力的油 井。螺杆泵稠油生产井主要分布在羊三木、孔店等疏松砂岩油田。 4 、抽油机一 电热杆工艺。 主要用于原油热敏感性较强及凝固点高的 稠油井。 1 . 3存在问题 常规有杆泵开采稠油特别是1 - 2 类普通稠油及特稠油油藏通常存在以下问 题: 1 、抽油杆在油管内 下行阻力大，常出 现抽油杆下不去 ( 杆 “ 打架” 现象) 而不 能正常生产的现象; 2 、柱塞不能下到底，降低了有效冲程，从而降低抽油泵效; 3 、抽油杆断脱频繁，造成油井检泵周期短、生产时率低、生产操作成本高; 4 、设计不合理，设备不配套。目 前， 现场应用较多的常规机型， 难以 满足高粘 稠油的开采。许多情况下，举升设计凭经验进行，设计欠合理，适应性较差。 鉴于目 前油田 在开采稠油时存在的以上诸多问 题， 开展稠油井有杆泵举升工艺优 化设计的研究及应用是有必要的。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第二章稠油流变性研究 稠油在井筒中流动的粘度明显地影响到油井的生产动态。因此， 为给稠油井抽油 工艺参数优化设计提供准确的粘度数据， 研究不同温度、不同剪切速率、不同含水稠 油的粘度是很有必要的。 大港油田 稠油油藏含有较高的胶质沥青和石蜡， 如官1 0 4 油田 胶质沥青平均含量 为3 2 . 6 % ， 蜡平均含量为 1 7 . 5 3 % ;官9 9 7 油田 胶质沥青平均含量 3 7 . 8 9 % , 蜡平均含量 1 7 . 4 4 % ， 宫1 0 9 - 1 油田 胶质沥青含量4 8 . 5 2 % ， 含蜡量 1 . 7 % 。 原油中石蜡具有链式锯齿 形式分子结构， 随着温度的变化， 石蜡对稠油粘度产生极大的影响。 当温度高于石蜡结 晶温度时， 石蜡完全溶解于原油中， 原油温度的变化， 将引起分子内部磨擦力的改变， 原油( 不含气) 粘度的变化服从牛顿内 摩擦定律;当温度低于蜡结晶温度时， 石蜡将以 晶体状态从原油中析出并形成空间网状结构， 此时含蜡原油具有非牛顿流体粘度特性， 随着温度的降低， 原油中蜡晶 析出 量增多， 空间网状结构变得更加稳定。 原油中的胶质 沥青具有较大的分子量， 它们以 微粒形式高度分散于石油中， 构成所谓 亲液胶体体系 “ ， 使原油具有非牛顿流体流变特性。 稠油油田 开采， 大部分稠油是在中高含水期采出的， 井筒中由于水的存在， 一方面 将形成油水乳状液， 增加原油在井筒中流动时的粘度; 另一方面， 游离水的存在将降低 稠油在井筒中 流动时的粘度， 两方面因素的作用主要取决于油水混和物的乳化程度。 由以上分析可知， 稠油在井筒中流动时的粘度与井筒中的温度， 油井含水密切相 关。由 于稠油中石蜡和胶质沥青的存在， 使稠油具有非牛顿流体流变特性， 所以 ， 井筒 中稠油粘度还与剪切速率即油井产量有关。 2 . 1 基本方法原理 国内外研究稠油流变性的方法主要是采用转筒式粘度计和高压细管式流变仪， 其 主要方 法原理 如下z . 2 . 1 ， 1 转简式粘度计测定稠油粘度基本方法原理 转筒式粘度计可分为内筒旋转式同轴圆筒旋转粘度计、 外筒旋转式旋转粘度计和 单一圆筒旋转粘度计。 它们通过测定圆筒在被测流体中的旋转力矩来确定流体的应变 速度( 剪切速率) 和粘度的关系。 这种仪器操作方便， 仪器上一般可直接读出 应变速度、 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 粘度、 转矩、 剪切应力等数据( 如b r o o d f i e l d 粘度计) ， 根据仪器测定的应变速度和粘 度的关系曲 线， 可以 确定流体的流变特性及流体性质( 如牛顿流体、假塑性流体等) 。 2 . 1 . 2 用高压细管式流变仪测定稠油粘度基本方法原理 高压细管式流变仪通过流体在细管内的恒定剪切流动， 实测流体通过细管流动的 压差和流量， 推算剪应力与剪应变速度的关系以及流体的有效粘度与流速的关系， 从 而确定流体的流变特性。高压细管式流变仪测定稠油的 流变性时， 稠油在细管中流动 稳定的时间较长， 因此， 应用高压细管式流变仪研究稠油的 流变性远复杂于转筒式粘 度计研究稠油的流变性。用高压细管式流变仪时， 流体的有效粘度计算公式为: 尸 刀1 4 l 2 - 1 冲 “ = 一8 v d 式中: n e 一流体的有效粘度: p 流体通过细管流动的压降 l 一细管长度: 0 一细管直径: v 一流体通过细管流动时的流速。 2 . 1 . 3 大港油田稠油粘度测定方法 根据大港油田 稠油高含胶质沥青、石蜡的特性， 为了准确确定含水稠油在井筒中 流动的粘度， 我们采用了两种方法研究了 含水稠油的 粘度， 第一种方法是将稠油、 水人 为地搅拌成单一乳化物， 利用转筒式粘度计测定含水对油水乳化物粘度的影响; 第二 种方法是模拟油水混合物在井筒中流动时的剪切速率， 利用高压细管式流变仪研究油 水混合物通过细管流变仪的 流变特性。实验结果证明 ， 两种方法得出的含水稠油流变 性具有很大的差别， 我们认为: 第二种方法， 即利用高压细管式流变仪测出的流变特性 更符合油水混合物在井筒中的流动的 情况。 因 此， 在研究过程中， 油井优化设计方法， 采用了这种实验所得出的结果进行井筒中流体的粘度计算。 2 . 2大港油田主要稠油油藏的原油流变性研究 这里我们重点对枣园油田、 王官屯油田及小集油田的具有代表性的区块进行原油 流变性研究。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 2 2 1 枣园油田枣北断块原油流变性研究 枣北断块油层埋藏深度为1 6 4 1 2 m 2 3 9 2 o m ，地层温度为7 5 。c ，原始地层压力 为1 8 4 3 i v i p a ，原油饱积压力为4 9 8 m p a 。地下原油粘度为6 5 m p a s ，地面臆气原油 相对密度平均值为0 9 2 1 。地面脱气原油5 04 c 时平均粘度为5 5 1 5 m p a s ，粘度最大 值为6 1 2 1 6 m p a s ，粘度最小值为2 5 5 5 3 m p a s ，原油凝固点为2 4 3 2 。c ，平均含蜡 量为1 4 8 5 ，胶质、沥青平均含量为2 7 6 6 ，属高含蜡原油。 a 、温度对稠油流变性的影响 图2 1 是枣北断块原油在不同温度下测得的原油粘度与剪切速率的关系曲线。实 验所用仪器是美国产b r o o k f l e l dd v i i i 型粘度计。实验前对该仪器采用标准粘度油 进行了校定，其测定粘度误差小于2 。图2 2 是枣北断块原油采用m v c i i 高温高压毛 细管流变仪测得的原油粘度与剪切速率( 流量) 的关系曲线。由图2 1 和图2 2 知，用 b r o o k f i e d 粘度计和毛细管流仪测得的枣北原油粘温曲线具有较好的一致性。 图2 。1 不同温度下枣北原油的流变特性( 粘度计测) 图2 2 不同温度下枣北孔原油的流交特性( 毛细管流变仪计测) 从图2 1 和图2 2 可以看出，温度为5 0 。cn # ，剪切速率大于3 f 1 1 s ( 油管内径按 6 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 6 2 r a m 计算，油井产量为5 7 8 m v d ) 时，原油粘度为一定值，即与剪切速率( 油井产量) 无 关；当剪切速率小于3 0 1 。，原油粘度随剪切速率( 油井产量) 增加而降低，原油呈现非 牛顿流体特性；随着温度的升高，原油呈现牛顿流体特性的剪切速率范围减小，当温度 大于6 5 。c 时，原油基本呈现为牛顿流体的特性，即粘度不随剪切速率的变化而改变。 石蜡的熔化温度为4 0 。c 1 0 0 。c ，一般接近于5 0 。c 。在高温情况下，石蜡能完全溶 解在液态碳氢化合物( 石油) 中。温度降低石蜡便从原油中析出，以晶体状态分散在原 油中，使原油出现网状结构特征；在低剪切速率( 井筒流速) 下，原油的网状结构不易被 破坏，因而原油呈现非牛顿流体的特性；随着剪切速率的增大，原油的网状结构不断遭 到破坏，当剪切速率增大到一定时，原油的网状结构完全破坏。此时，原油具备牛顿流体 的性质。沥青微粒形成结构也可使原油呈现结构溶液体系，具备非牛顿流体的特性。因 此，温度低于蜡饱和温度时，石油的结构特性是由蜡晶体和沥青质胶粒共同形成的：在 温度高于蜡饱和温度的条件下，石油的结构特性是由沥青质胶粒形成的。枣北断块原油 中蜡含量和胶质沥青含量均较高，这些物质的存在，使得原油具有图2 1 和图2 2 的粘 度特性。 b 、含水对稠油流变性的影响 图2 3 是枣北原油在不同含水率条件下，采用b r o o k f i e l d 粘度计测定的粘度与含 水率的关系。测定时将油水完全乳化为单一乳状物。因此，图2 3 实际上是油水乳状物 的粘度曲线。 图2 3 枣北原油不同含含水下的粘度( 粘度计测，剪切速率1 51 s ) 由图2 ，3 的结果可知，当原油中含水小于4 0 时，原油的粘度随含水的增加而缓慢 增加，这是由于当含水较小时，油包水型乳状液中分散相( 水) 液滴间隔较大，它们 一 ! 垦至垫塾堡堑茎塑塞堕堡主兰堡堕苎 之间的相互作用只有通过连续相( 油) 速度的相互作用才能表现出来。当原油中含水大 于4 0 时，原油的粘度随含水的增加而急剧上升。当含水率大于7 0 时，原油粘度随含水 率的上升而急剧下降，这是由于当含水增大到4 0 时，连续相( 油) 中的分散液滴( 水) 急 剧增多，使得相间表面增大，液滴的相互作用增强，在液流中发生液滴间的碰撞和相对 滑动，以及相间表面能的作用，从而导致了粘度的迅速上升；当含水达到7 0 时，油水乳 状液发生转相，即由原来的油包水型乳状液转变为水包油型乳状液，此时含水原油粘度 发生突变，随着含水的增加含水原油的粘度迅速下降。 图2 4 是不同含水枣北孔原油采用m v c i i 高温高压毛细管流变仪测得的原油粘 度与含水率的关系。 由图2 4 的结果可知，含水原油粘度随含水率的增加而下降。这是于油水混合物在 细管中流动时不易出现乳化，原油中游离水存在，减小了原油在管中流动的摩阻力， 使得原油的粘度下降( 实验中未发现有水乳化现象) 。 c 粘度计算公式 将图1 4 所示的实验结果用最小二乘法回归可得出下列算式： ui = 铷+ a i ( f w 4 4 3 ) + a z ( f , , - 4 4 3 ) 2 + a 3 ( f w - 4 4 3 ) 3 + a 4 ( f w - 4 4 3 ) 42 - 2 表2 1 、a l 、出旧aa 4 值 8 4 5 0 1 5 7 6 9 5一1 4 7 90 ，0 7 2- 0 0 0 9 2o 0 0 0 1 8 6 6 0 1 2 7 4 7 21 3 5 0 0 1 5 60 0 0 20 0 0 0 0 9 3 7 0 1 0 1 9 51 6 0 50 ，0 0 7 6一o 0 0 1 1 8 20 0 0 0 0 8 7 7 5 8 1 7 9 1 8 3 0 。0 2 4 4 40 0 0 0 3 1 30 0 0 0 0 1 3 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 2 2 2 女1 4 断块原油流变性研究 舍女寺油田女1 4 断块油层埋藏深度为1 8 0 0 m - 1 9 5 5 m ，地层原始温度为7 0 c ，原始 地层压力为1 9 4 8 m p a ，原油饱和压力为5 6 9 m p a ，地下原油粘度为6 3 m p a s 地面脱 气原油密度为o 8 7 3 8 ，地面脱气原油在5 0 c 时平均粘度为5 6 9 0 m p a s 原油凝固点为 3 6 c ，原油含蜡量2 7 6 4 ，属于高含蜡、高含胶质沥青的稠油。 a 、温度对原油流变性的影响 图2 5 和图2 6 是女1 4 断块原油在不同温度下测得原油粘度与剪切速率的关系陆 线( 图2 5 曲线是用b r o o k f i e l dd v i i i 型流变仪测，图2 6 曲线是用m v c - i i 高温高压 毛细管流变仪测) 。 图2 - 5 不同温度下女$ 6 7 - 4 4 原油的流变特性( 粘度计测) 图2 6 不同温度下女$ 6 7 - 4 4 原油的流变特性( 毛细管流变仪) 由图2 5 和2 6 的结果可知，用b m o k f i e l d 粘度计和毛细管流变仪测得的女1 4 断 块原油粘温曲线具有较好的一致性。 从图2 5 可知，温度为5 0 c ，剪切速率大于2 01 s 时，原油粘度为一定值，即与剪 切速率无关，原油呈现牛顿流体特性；剪切速率小于2 01 s 时，原油粘度随剪切速率增 9 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 加而降低，原油呈现非牛顿流体特性。随着温度的升高，原油呈现非牛顿流体特性的 剪切速率范围减小 b 、含水对原油流变性的影响 图2 7 和图2 8 是女$ 6 7 - - 4 4 井原油的粘度和含水率的关系曲线( 图2 7 是用 b r o o k f e i l d 粘度计测得的油水乳状液粘度) 。 由图2 7 的结果知，当原油中含水小于6 5 时，含水原油的粘度随含水率增加而增 加；当原油中含水大于6 5 时，含水原油的粘度随含水率增加而迅速下降。 由图2 8 的结果知，油水混合流动时的粘度随含水率增加而下降。 图2 7 不同含水下女$ 6 7 4 4 原油的流变特性( 粘度计测。剪切速率15 1 s ) 图2 8 不同含水下女$ 6 7 - 4 4 原油的流变特性( 毛细管流变仪，剪切速率3 , 3 2 1 s ) c 、粘度计算公式 将图2 8 所示的实验结果用最小二乘法回归可得出下列算式： h i = 8 0 + a ，( f w 一4 4 。3 ) + a 2 ( f w 一4 4 3 ) 2 + 凰( f w 一4 4 3 ) 3 + a 。( f w 一4 4 3 ) 4 23 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 表2 2a 。、a l 、a 2 a 3 、8 4 值 a l 5 0 1 0 2 3 7- 1 7 2 70 0 2 9 5- 0 ，0 0 0 2 20 6 0 6 0 2 3- 0 4 9 50 0 0 5 6 1- 0 0 0 0 1 9 80 0 0 0 0 2 l 7 0 4 4 7 9 一o 1 5 7 - 0 0 0 2 7 8 0 0 0 0 5 5 30 0 0 0 0 0 l 2 2 3 官9 9 7 油田原油流变性研究 官9 9 7 油田层埋藏深度为2 5 7 0 m 3 1 3 0 m ，地层原始温度为1 1 0 t ，原始地层压力为 3 0 2 3 m p a ，原油饱和压力为6 ，8 6 m p a ，地下原油粘度为9 4 1 m p a s 。地面脱气原油密度为 0 8 9 9 1 ，地面脱气原油在8 0 c 时平均粘度为4 1 9 t i m p a s ，粘度最大值为4 3 8 9 m p a s ， 粘度最小值为3 6 7 0 m p a s ，原油凝固点为3 6 6 。c 4 2 7 ，平均含蜡量1 7 4 4 ，胶 质、沥青平均含量为3 7 8 9 ，属高含胶质、沥青质稠油。 a 、温度对原油流变性的影响 图2 9 和图2 1 0 是官9 9 7 油田原油在不同温度下测得的原油粘度与剪切速率的关 系睦线( 图2 9 是用b r o o k f i e l d d v i i i 型粘度计测，图2 1 0 是用m v c i i 高温高压毛细 管流变仪测) 。由图2 9 和图2 1 0 知，用b r o o k f i e l d 粘度计和毛细管流变仪测得的官 9 9 7 油田原油粘温曲线具有较好的一致性。 由图2 9 结果知，在低温( 温度小于5 0 。c ) 时，原油的粘度与剪切速率关系曲线 出现明显的三种特征：( 1 ) 剪切速率小于6 51 s 时，原油粘度与剪切速率的变化无关， 为最大值；( 2 ) 剪切速率为6 5 2 6 1 。时，原油粘度随剪切速率的增大而下降；( 3 ) 剪 切速率大于2 6 1 ；时，原油粘度与剪切速率的变化无关，为最小值。低温下出现这种粘温 曲线的变化特征是由于官9 9 7 原油中高含胶质、沥青所致。随着温度的升高，原油非 牛顿流体特性减弱，当温度大于7 09 c i 对，原油基本呈现牛顿流体的特性。 图2 9 不同温度下官9 9 7 原油的流变特性( 粘度i t 澳j ) 1 1 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 图2 1 0 不同温度下官9 9 7 原油的流变特性( 毛细管流变仪测) b 、含水对原油流变性的影响 图2 1 1 和图2 1 2 是官9 9 7 原油的粘度和含水率的关系曲线( 图2 1 1 是用 b r o o k f i e l d 粘度计测得的油水乳状液粘度，图2 1 2 是用毛细管流变仪测的油水混合 物的粘度) 。由图2 1 1 的结果知，当原油中含水率小于6 5 时，含水原油的粘度随含 水率的增加而迅速下降。由图2 1 2 的结果可知，油水流动时的粘度随含水率的增加 而下降。 图2 1 1 官9 9 7 原油不同含水下的粘度( 粘度计测剪切速率1 51 s ) 图2 1 2 官9 9 7 原油不同含水下的粘度( 毛细管流变仪测，剪切速率1 11 s ) 1 2 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 c 、粘度计算公式 将图2 1 2 所示的实验结果用最小二乘法回归可得出下列算式： u1 = a o + a 1 ( f w - 4 4 3 ) + a 2 ( f w 一4 4 3 ) 2 + a 3 ( f w 一4 4 3 ) 3 + a 4 ( f w - 4 4 3 ) 2 - 4 表2 3a o 、a h 、a 3 、m 值 a i 5 0 1 7 8 24 ，0 5 8 o 1 20 0 0 1 3 0 40 0 0 0 1 5 9 6 0 1 0 4 0 2 6- 2 8 1 4 0 0 6 2- 0 0 0 0 1 1 70 7 0 3 9 50 7 2 2 20 0 1 1 0 3 4- 0 0 0 0 2 10 0 0 0 0 2 3 8 0 2 5 0- 0 ，3 4 6 60 0 0 0 0 5 50 0 0 0 0 9 4- 0 0 0 0 0 0 5 9 0 1 9 2 1- 0 1 6 9 7- 0 0 0 7 0 80 0 0 0 1 20 第三章基本理论方法 流体从供油边界到井口，可以分成从供油边界到井底的向井流，井底到泵口的垂直 管多相流，而抽油泵到井口部分，流体在抽油设备的作用下，沿抽油杆和油管环空向上 流动。虽然油层、井筒和抽油设备在油井生产过程中具有不同的功能和各自的工作规 律，但是，它们又处于同一个大的系统中，从而构成了相互联系相互制约的有机整体。因 此有杆抽油系统的优化设计必须以整个油井生产系统为研究对象，以各子系统之间的 协调为基础，以油层生产能力为依据，采用系统分析的方法，来进行抽油井的优化设计。 要对抽油井进行设计和分析，必须建立起系统的模拟计算模型。向井流动态预测模型、 垂直管多相流压力梯度预测模型及温度分布预测模型、和杆柱受力分析是建立抽油井 系统模型的基础。 3 1 向井流动态预测方法 向井流动态的预测，对于油井的设 计和动态分析是至关重要的。如果不知 道油井的产能，就无法进行优化设计，更 谈不上能使油井达到最优化生产。 向井流动态预测最早的相关式是根 据达西定律提出的。它假定向井流的产 图3 - 1i p r 曲线 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 c 、粘度计算公式 将图2 . 1 2 所示的实验结果用最小二乘法回归可得出下列算式: u , = a o + a , ( f w - 4 4 . 3 ) + a , ( f w - 4 4 . 3 ) + a , ( f w - 4 4 . 3 ) + a , ( f w - 4 4 . 3 ) 表2 . 3、a 【 、a z , a t , a s 值 2 - 4 乍 之 aoa,a2asa, 5 0 0 c1 7 8 . 2- 4 . 0 5 80 . 1 20 . 0 0 1 3 0 4- 0 . 0 0 0 1 5 9 6 0 c1 0 4 . 0 2 6- 2 . 8 1 4 0 . 0 6 2- 0 . 0 0 0 1 1 70 7 0 0 c3 9 . 5 - 0 . 7 2 2 2- 0 . 0 1 1 0 3 4- 0 . 0 0 0 2 10 . 0 0 0 0 2 3 8 0 0 c2 6 . 0 - 0 . 3 4 6 60 . 0 0 0 0 5 5- 0 . 0 0 0 0 9 4- 0 . 0 0 0 0 0 5 9 0 c1 9 . 2 1- 0 . 1 6 9 7- 0 . 0 0 7 0 8 - 0 . 0 0 0 1 20 第三章基本理论方法 流体从供油边界到井口， 可以 分成从供油边界到井底的向 井流， 井底到泵口 的垂直 管多相流， 而抽油泵到井口部分， 流体在抽油设备的作用下， 沿抽油杆和油管环空向上 流动。 虽然油层、 井筒和抽油设备在油井生产过程中具有不同的功能和各自 的工作规 律， 但是， 它们又处于同一个大的系统中， 从而构成了 相互联系相互制约的 有机整体。 因 此， 有杆抽油系统的优化设计必须以 整个油井生产系统为研究对象， 以各子系统之间的 协调为基础， 以 油层生产能力为依据， 采用系统分析的 方法， 来进行抽油井的优化设计。 要对抽油井进行设计和分析， 必须建立起系统的模拟计算模型。向 井流动态预测模型、 垂直管多相流压力梯度预测模型及温度分布预测模型、和杆柱受力分析是建立抽油井 系统模型的基础。 3 . 1 向井流动态预测方法 向井流动态的预测， 对于油井的设 计和动态分析是至关重要的。如果不知 道油井的产能， 就无法进行优化设计， 更 谈不上能使油井达到最优化生产。 向井流动态预测最早的相关式是根 据达西定律提出的。它假定向井流的产 水 伴口咬白应 一 偏含 仲.自 k 此 油 井 皿 p 皿曲 肠 _工 _泛 饭 长 食巴氏 .一 一 压， . . 、喊 塑一几 、 二 门 2 图3 - 1 i p r曲线 、 砚1.皿9 姗们 。 。 三 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 量与井底和地层之间的压差成线性关系， 即: q o = j ( p , - p . , ) 3 - 1 e v i n g e r 和m u s k a t 等人提出， 当油藏中 存在气液两相流时， 产量与压差之间的关系 将不是线性的。有许多人， 如 e v i n g e r 。 时 ，峨 气十 w e t ， 二 w t f3 - 2 1 其中 w 2 = c . w l w二 一油层产出液量 t i n 一一产出液与注入液混合时产出液的温度，可以从地层温度起算求出。 1 = 0 时，0 = e 。 带入 ( 3 - 1 9 )得 c , + c 2 = 0 o - b 2 c i = 0 o - b 2 - c 2 1 = 1 m 时，由 ( 3 - 1 9 )得 t f = c ,e m + c 2 e + a ,1 , + b , 3 - 2 2 由 ( 3 - 2 0 )得 o f 一 c ,e 几 ， + c 2 e + + a 2 1; + b 2 3 - 2 3 将 ( 3 - 2 2 )、 ( 3 - 2 3 )代入 ( 3 - 1 9 )，并整理得 (0 。 一 b 2 x w e “ 一 w e ari ) + 币人十 b ,) 一 w , (. , l, + b 2 ) 一 w 21 m w ,e a 一 w e 一 w , e r + w e ld 0 . 一 c ， 一 b 2 -一- ，1 cc 矛!，沪1 将c l , c 2 数值代入式 ( 3 - 1 8 )、 ( 3 - 1 9 )，即可求出 深度1 处的油管内的温度t 和环空温度 0。 3 . 3流体物性参数计算 流体在井筒中流动时，由于沿程温度和压力的变化， 们知道流体性质参数对多相流计算有重要影响。油、气、 流体性质亦随之变化。 我 水性质参数与 p v t的关 中国 石油勘探开发研究院硕士学位论文 系在 油藏物理基础教材中有较为详细的讨论，由于流体性质随压力、 温度的变 化关系的研究是以实验为主， 其结果大多是以曲线的形式来表示的。 为便于用计算 机计算井筒中压力分布，下面介绍与本文研究课题有关的计算流体性质的相关式。 3 . 3 . 1 天然气性质参数的计算 ( 1 ) 临界特性 富气贫气 r g ? 0 . 7r g 0 .7y g _ 0 7r g 0 .7 t c r 1 3 2 + 1 1 6 .6 7 y g 1 0 6 + 1 5 2 . 2 2 y g9 2 + 1 7 6 .6 7 y g9 2 + 1 7 6 .6 7 y g p c r5 1 0 2 一 6 8 9 .4 8 y g4 7 7 8 一 2 4 8 .2 1 y g4 8 8 1 一 3 8 6 . 1 l y g 4 7 7 8 一 2 4 8 .2 1 y g 式中: r g天然气比 重， 小数: 凡 天 然 气临 界 压力， m p a; 几 天 然 气 临 界 温 度， k p a ; ( 2 ) 天然气对比特性 “ 一 照 t , 一 y t - 3 - 2 4 3 - 25 p . = 0 .2 7 只 3 - 2 6 z t , ( 3 ) 压缩因子 z的计算 十 r p 、!尹2 一 1+ 0.31506 1 . 0 4 1 7 0 . 6 7 8 3 对 3 - 2 7 0 . 6 1 2 30 .6 8 1 5 ， +- 二万 一. p奋 i , ) - 飞 、 门j 哎 . 0 护!、 式 中: : 天然气压缩因子，无因次; t , 天然气对比 温度，无因次; t 天然气温度，无因次; 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 p . 天然气对比 密度， 无因次 只 天然气对比压力，无因次 ( 4 ) 天然气密度计算 几 = 3 . 4 8 4 4 式中: p 压力，m p a ; t 气体绝对温度，k ; ( 5 ) 天然气粘度 m g = 2 8 .9 6 y 8 y g p 2t 3 - 2 8 3 - 2 9 (9 .4 + 0 .0 2 m - x 1 .8 t ) s k = 、石 、 2 0 9 + 1 9 m, + 1 .8 t x = 3 .5 + 9 8 6 1 . 8 t + 0 .0 1 m8 y = 2 . 4一0 . 2 x p g = 1 0 - 4 k e ( 0 ) 3 - 3 0 式中: k 在 给 定 状 态 下的 天 然 气 粘 度， m p a .s ; t 气体绝对温度，k ; m g 气 体 分 子 量， 无 因 次 ; y g 天 然 气比 重， 无因 次; 3 . 3 . 2 原油物性参数的 计算 ( 1 ) 溶解油气比 a p i = 1 4 1 .5 一 1 3 1 .5 y g 当a p i _ 1 5 时，用 l a s a t e r 相关式: x 0 . 1 8 1 5 23 - 3 3 9-y 夕-一 ， r , = 2 3 6 5 0 y o me 式中: a p i 原油比重，a n 。 y o 原油相对密度，无因次; m , 原油有效分子量， 无因次; a p i 3 8 .3 时:m, 6 1 . 9 3 3一a pi 0. 0 9 43 a p i ， 3 8 .。 时 : m , = 10 缸揣) y g 气 体 摩尔 分 数， 无 因 次; r , -1 7 比 ， m /m ,m ; w = 1 4 2 . 2 - p b r g 1 . 8 t+4 9 2 。 w 、 。; 。 ， 、 一 。.1236 1硕 1,(l w ).223 。 0.7 。 448 。 ， ， : = 0.353 1-in( 0 w i.596 )7 ( 2 ) 原油粘度 产 。 = a - / t , 3 - 3 4 式中: a =