（油气田开发工程专业论文）排水采气综合平台软件的研制.pdf

英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l t y ： n a m e ： l n s t r u c t o r ： r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es y n t h e t i c a l l yt e r r a c es o f t w a r ef o rd r a i n a g e g a sr e c o v e r y a b s t r a c t f o rt h eg a sr e s e r v o i r , e s p e c i a l l yf o rd u r i n gt h ed e v e l o p m e n ti nt h el a t eg a sr e s e r v o i t , g a s w e l lw h i c hi sp r o d u c i n gw a t e ri so u t s t a n d i n gp r o b l e m t h ea u t h o rr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt h e s y n t h e t i c a l l yt e r r a c es o f t w a r ea b o u tt h eg a sw e l lw i t hw a t e rf o rt h eg a se n g i n e e r t h es o f t w a r e w i l lu s es u f f i c i e n c ya n da c c u r a t e l yv a r i o u si n f o r m a f i o aa b o u tg a sp r o d u c i n g ，e s t a b l i s ha n d a d o p tt om a t c hs t a t i cm o d e l sa n dd y n a m i cm o d e l sa b o u tg a se n g i n e e r i n g ，e m p l o yi n t e l a g e n c e d e c i s i o nm o d e l sa n dt h r e eb e ds y s t e mt e x t u r em o d e l so i lt h es y n t h e t i c a l l yt e r r a c es o f t w a r ef o r d r a i n a g eg a sr e c o v e r yo nb a s et h es y s t e mo fw i n d o w sa n dt h es o f t w a r eo fo f f i c e t h es y n t h e t i c a l l yt e r r a c es o f t w a r ew a sm a d eo fs e v e ns u b s y s t e ma n dm o l et h a nt e ns u b m o d e l ，i n c l u d et h e g a sw e l lp r o d u c t i o ns u b s y s t e m , w e l lb o t t o md i a g n o s i ss u b s y s t e m ，a s s i s t a n c ed e c i s i o ns u b s y s t e m ，e n g i n e e r i n gd e s i g ns u b - s y s t e m ，e c o n o m ye v a l u a t i o ns u b s y s t e m , d a t am a n a g e m e n t s u b s y s t e ma n da s s i s t a n c ef u n c t i o ns u b - s y s t e m i tw i l lb el i n k e do r g a n i s maw h o l ea b o u tw e l l b o t t o md i a g n o s i s ，a s s i s t a n c ed e c i s i o n ，t e c h n o l o g i c a ld e s i g no ft h eg a sp r o d u c i n gw e l la n d e c o n o m i ce v a l u a t i o ne t c t h es o f t w a r eh a sf u n c t i o no fs c i e n c ee x a m i n e s ，i n t e l l i g e n c ec h o i c e r e a s o n a b l ee x c e l l e n td e s i g n t h e s ew i l li n c r e a s et og a sw e l lw i t hw a t e rd e v e m p m e mq u a n t i t y a n dr e a l i z ep u r p o s eo fs c i e n c e ，f l e e t n e s s ，s u p e r i o rq u a l i t yd e v e l o p m e n tt h eg a sr e s e r v o i rw i t h w a t e r k e yw o r d s ：d r a i n a g eg a sr e c o v e r y s y n t h e t i c a l l yt e r r a c e s o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h e s i s ： a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位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中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安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 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：拯盛日期： 学位论文使用授权的说明 硎r 、只疗 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名：日期： 枷s 。! 。1 3 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 我国现已开发的气田大多数属于低孔低渗的弱弹性水驱气田。随着气藏开发进入中 后期，地层压力下降，出水井、水淹井将日益增多。由于气藏产水，气相的渗透率降低， 在渗流过程中压力损失增大，气井产量迅速下降，提前进入产量递减期。气井产水后， 油管柱内形成气水两相流动，使管柱内摩阻增大，造成自喷期缩短，而且由于气层中和 管柱中压力增大，将造成气藏废弃压力增大，使最终采收率下降：且地层水中一般含有 h 2 s 、c 0 2 等腐蚀性物质，将加快井下设备腐蚀，严重威胁气井的正常生产和寿命，同时 带来地层水处理问题。因此，气井产水的处理在气田生产中显得十分重要。 智能化( i n t e l l e c t u a l ) ，信息化( i n f o r m a t i o n ) ，综合化( i n t e g r a t e d ) 称为三“i ”， 是现代科学最本质的内涵，也是面向二十一世纪的希望。目前国内外石油行业、单位或 公司为节约资金，提高效率和水平，把成熟的工艺技术计算机化、软件化，通过计算机 指导生产管理，充分发挥已经取得的技术经验、数据资源的作用，同时也进一步找到这 些经验技术及数据资源中所包括的规律，以进一步提高工艺研究水平。人工决策和计算 在很大程度上取决于人的经验，其精确度和速度无法与计算机相比。现已进入信息时代， 计算机在现场的应用是大势所趋。因此我们考虑对于排水采气设计这样复杂的项目应用 计算机是明智的选择。 气井井筒中的积液对气井产能的影响很大，必须定期地进行排水采气。利用计算机 设计排水采气工艺，可以使排水采气从方法和技术方面有新的进展，使气井的各项管理 工作建立在科学的基础上。从而减少人为不合理因素的影响，提高气井工艺的设计质量， 并把气井工艺设计方面的经验和知识在各油田之间相互交流，培养出更多的排水采气专 家，以发挥其良好的经济和社会效益。因此，我们研制排水采气综合平台软件有着重要 的意义。 为了扭转因气田产水而导致的问题，提高有水气藏的采收率，需用合理有效的开发 方式和工艺技术及时将地层水从井眼中排出，使气井复产和延长生产期，从而达到提高 气藏最终采收率的目的。在有水气藏进入开采的中后期，人工举升的开采技术是开采有 水气藏产水气井，提高气藏采收率的基本措施，应发挥工艺配套优势，实施气藏排水。 根据不同产水气井的生产特点和生产阶段，即不同井深、地层压力、产水量，有针对性 地选择人工举升工艺，做好工艺优化设计、设备选择、施工管理等各方面的工作，同时 围绕延长产水气井的免修期开展配套技术研究，提高工艺效益。在国内外多年的开发实 践中，形成了“泡排、优选管柱、连续气举、柱塞气举、机抽、电潜泵、射流泵、射流 泵+ 抽油机复合”等8 套常用排水采气工艺技术，这些技术的推广应用大大改善了有水 气藏的开发效果。 目前关于优选管柱、泡排、机抽、电潜泵和射流泵等8 套工艺设计方面的软件国内 主要有：( 1 ) 油机井系统节点分析与优化设计软件；( 2 ) 电潜泵抽油井生产系统优化设 碡安石油大学硕士学位论文 计软件；( 3 ) 射流泵抽油井生产系统优化没计软件；( 4 ) 卿c 气举排水采气优化设计软 件。国外主要有：( 1 ) r o d s t a r 抽油井优化设计软件；( 2 ) g l o p 气举优化设计及分析软 件：( 3 ) e s o p 电潜泵优化设计及分析等软件。除上面提到的软件外，酲南油气田分公 司采气工艺研究所还自行编写了一些小优化程序供自己在气水井工艺设计时使用；西南 石油学院研制的射流泵优化设计等软件；中原油田自行编制的电潜泵油井的工况诊断及 优化设计软件和在p c l 5 0 0 上运行的气举优化设计软件；大庆石油学院研制的气井节点 分析软件等。 通过分析发现，上面介绍的大部分软件都是针对油井设计的，而根据国内外产水气 井多年的各种排水采气方法的试验发现，油井和气井的工艺设计有许多不同之处，几乎 所有的排水采气装置都要经受硫化氢腐蚀的考验，产水气井的排水采气工艺并不是采油 工艺设计的单纯移植，而应根据气藏( 井) 的实际情况，做大量适应性改进和配套完善 工作。因此，一套专门针对产水气井而设计的、融合井筒流动模型优化、气水井井底诊 断、工艺智能选择、常用的8 种排水采气工艺设计、经济技术评价综合平台软件就十分 必要。 排水采气方法各异，在实际排水采气的过程中，如何根据地层的出水特点，确定合 理的排水采气方案，是生产中急需解决的问题。不同的排水采气工艺措施各具其技术特 征与适应性，不同类型的含水气藏地质特征与生产特征也各不相同。对于见水后含水气 藏，在使用工艺之前，如何对排水采气措旖进行优选和优化设计是提高气藏采收率与气 井经济效益的关键因素。 1 2 本论文的主要任务 本文根据优质快速开采应遵循的要求，结合气田开发实际，利用面向对象分析和设 计方法开发了一个基于三层结构体系的排水采气综合平台软件系统。本文所作的主要工 作如下： ( 1 ) 提出了综合平台软件的总体结构设计和平台软件的三层体系； ( 2 ) 建立气水井井筒流动模型及井底压力优化模型 ( 3 ) 诊断气水井产水状况 ( 4 ) 根据气井的地质特征、产水量、井身结构等因素对各种排水采气工艺的适应 性进行了评价 ( 5 ) 根据排水采气工艺的特点，建立了排水采气工艺技术经济评价参数的计算模 型，在建立技术经济指标体系基础上，利用模糊物元分析法对排水采气工艺措施进行了 优选 ( 6 ) 利用气井生产系统节点分析方法，对各种排水采气工艺进行了优化设计 ( 7 ) 利用v b ( v i s u a lb a s i c ) 面向对象的语言完成排水采气综合平台软件系统的开 发。 第二章综合平台设计方案 第二章综合平台设计方案 排水采气系统的设计是综合运用各种知识的过程，要设计这样一个综合平台，不仅 需要气井生产工艺方面的知识，也需要的软件设计方面知识。 2 1 综合平台设计原理 2 1 1 综合平台设计原则 为使排水采气系统成为一个高效、实用化的系统，在进行系统总体方案设计时遵循 了以下原则： ( 1 ) 排水采气系统是一项系统工程 从系统工程角度对气田系统进行全面需求调查和分析，分析系统的性质、功能、规 模，从而确立系统的总目标。按照系统的总目标自上而下地分解为若干分系统、子系 统，各个分系统、子系统具有特定功能，在自上面下分解、自下而上认识的过程中，始 终贯穿着追求系统整体效益的优化； ( 2 ) 系统的可持续发展 排水采气系统是一个庞大复杂而又发展迅速的运行系统，系统的开发建设应从长远 发展的角度考虑，保持其建设的持续性。良好的适应性和可扩充性； ( 3 1 系统的可伸缩性 在现代科学技术不断进步的时代，任何一个信息系统都不应是孤立存在和停滞不前 的。在设计和规划系统之初，就应该从宏观、从长远的观点来统筹考虑。但因为经费的 投入问题、现阶段的应用需求以及其它各种硬软环境的制约，又往往无法一步到位。因 此，“统筹规划，分步实施”就不失为一种上佳的选择。而要做到这一点，系统所依赖 的平台的可伸缩性。系统规模应该是可以缩放的，可以d , n 个独立的桌面应用，也可 以大到为面向企业级的应用系统，应该是在系统建设的不同阶段都会有不同定位的产品 来对应，给用户留有许多余地，以满足各部门不同阶段、不同应用的需求。 ( 4 ) 支撑面向对象的数据模型 数据模型是以数字的形式表达现实世界对象及其相互之间的关系。数据建模的目的 就是在计算机上抽象和表达现实世界，让用户可以通过在他的数据中加入其应用领域的 方法或行为以及其他任意的关系和规则，使数据更具智能和面向领域应用，尽可能地简 化开发过程，提高开发效率。 f 5 ) 系统的开放性 首先是数据结构特别是图形数据结构的开放性，要求有开放的数据格式，有标准的 外部数据交换格式，同时这种数据格式又是可以扩展的：其次是产品开发技术的开放性， 能够支持通用的开发环境( d e l p h i 、v i s u lc + + ，v i s u b a s i c 等) 开发的产品。 ( 6 ) 采用工业标准或事实上的工业标准 建设排水采气系统是一个投入大、时间长的过程，这要求平台供应对用户的应用系 西安石油大学硕士学位论文 统提供长期的支持和维护，采用工业标准和事实上的工业标准有利于保护用户的投资。 2 1 2 综合平台功能分析 本综合平台软件系统首先对产水气井的生产数据进行了快速准确的诊断。通过井底 状况诊断及时提醒用户是否应该实施排水采气工艺。 对于任意一口产水气井，排水采气方法的选择不仅影响气井产量，同时也直接影响 气田的开发成本。而排水采气方法的选择与开采的时机、地质状况、井况、井的动态参 数等多种因数有关，需要进行不同排水采气方式的评价优选。 当确定这口井具体采取的工艺方法后，把目前国内外比较成熟的技术应用于排水采 气设计中，优选出这口井的工艺参数。 在完成工艺设计后，将对工艺进行经济效果评估，因为获得最好的经济效益才是气 田开发的主要目标。经济效果评估主要从工艺费用和非工艺费用两方面考虑。 2 1 3 综合平台设计框图 基于上一小节的功能分析，将排水采气综合平台软件划分为7 个子系统：气井生产 子系统、井底诊断子系统、辅助决策子系统、工程设计子系统、技术经济评价子系统、 数据管理子系统、辅助功能子系统。 气井生产子系统主要包括气体向井底流动和井底向地面流动两部分，使用节点分析 技术；辅助决策子系统主要包括工艺优选和井筒流动模型优化部分；工艺设计子系统包 括八种常用的排水采气工艺设计。此外，为了使软件能够正常运行，还要求完成一些辅 助功能，如软件使用帮助、软件初始化等等。由此，软件的框图如图( 2 - 1 ) 所示。 排水采气综合平台软件 气井生产系统f i 井底诊断 f 辅助决策i l 工艺设计| i 经济评价数据管理t i 辅助功能 攀怿慧 适应性评价l l 藏工报袁 模糊评价l 图2 1 软件的框图 软件初始化 用户管理 帮助 2 2 综合平台设计方案的确定 由于一般生产或科研室中都拥有较高档次的微型计算机，且软件资源非常丰富，所 以为了减小平台的硬件开销，节约成本，充分利用现有的计算机资源，本平台采用微型 计算机控制，控制规律实现均由计算机软件来完成。根据这些可以初步确定本平台的设 计方案。 第二章综台平台设汁方案 2 2 1 综合平台软件的设计 平台软件主要用来完成整个平台的控制和结果显示，是平台的核心部分。 w i n d o w s 操作系统是微型计算机中使用最广泛的操作系统，基于w i n d o w s 操作系 统的软件资源非常丰富，而且国内大多数微机用户均对w i n d o w s 操作系统比较熟悉， 习惯于在w i n d o w s 操作系统的界面下进行各种操作，因此平台的控制软件决定采用基 于w i n d o w s 操作系统的窗口界面形式，并利用w i n d o w s 环境下的开发软件来实现。 m i c r o s o f t o f f i c e 是微软公司开发的办公自动化软件，o f f i c e 软件的日益流行，使其 成为桌面办公的主流产品。因此决定采用以o f f i c e 软件作为设计优选结果控制平台。 程序的算法是软件平台实现的核心部分，因此选用速度快、精度高的算法是很重要 的。在平台软件中主要采用迭代法( 也称“辗转法”) 、四阶龙格一库塔法和三次插值法， 这些已经比较成熟且通用的算法，能满足平台软件的要求，可以直接选用。为简化软件 的设计，软件采用基于w i n d o w s 操作系统的窗口界面，此时主要的任务是软件工具的 规划。 2 2 2 综合平台软件的规划 平台软件的设计是采用通用的w i n d o w s 编程语言，这些语言是微型计算机上广泛 使用的编程语言，功能非常强大，几乎可以实现任何功能，而且使用起来非常灵活，它 们所提供的控件都是通用的w i n d o w s 窗口界面。常用的编程语言如v b 、v c 、d e l p h i 等，由于v b 功能完全满足我们的开发要求、能以最快的速度开发软件，写件时间平均 都比利用其它语言开发快数倍、具有灵活的与o f f i c e 软件中的w o r d 无缝连接等功能。 因此，选择v b 作为平台软件的设计语言。 2 2 3 综合平台设计方案 软件平台技术是排水采气综合平台软件系统实现可移植性、互操作性和规模可变性 的关键。排水采气综合平台软件共包括7 大子系统，共分几十个子模块，包含多个数据 库，将产水气井的井底诊断、辅助决策、工艺设计，经济评价等环节有机地结合成为一 个整体，使软件具有科学诊断、智能选择、合理优化等功能。因而，综合与统一是系统 必须具有的特色。系统的综合与统一主要是从软件应用的角度出发，在最大限度地满足 用户需求的前提下，采用较为完善的软硬件环境和较为先进的计算机技术，将排水采气 综合系统建立在统一的软件平台上。软件的开发环境既是一个面向对象程序设计的环 境，又是一个以知识库数据库为基础的人工智能开发环境，这样才能快速而直接地开 发出专家系统、面向对象的数据库、知识库、计算机辅助设计系统应用软件，才能增强 排水采气综合平台软件的综合性、开放性和可移植性，使之能够方便地推广和应用。因 此，综合平台软件的设计方案为：在w i n d o w s 和o f f i c e 环境下使用统一的a c c e s s2 0 0 0 数据库系统和v b 语言，既能保证界面友好性，又能保证整个系统的一致性。 西安石油大学硕士学位论文 2 - 3 利用三层体系结构开发综合平台软件 2 3 1 三层体系结构简介 软件的结构设计在开发应用程序中具有及其重要的地位，如何保证获得一个合理的 软件结构变得极其重要。三层体系设计在软件的总体设计上非常成功，在三层体系模型 中，应用程序将业务规则、数据访问、合法性校验等工作放到中间层进行处理；平台所 需数据放到数据服务层处理；用户与软件交互由表达层处理，通过公共接口访问，所以 三层模型具有这个优势：即改动一个层对其他层的影响最小。在一个设计很好的三层体 系中，层间通信仅通过公共接口进行，可以更换组件f 或整个层) 来适应改动的要求，而 无需重写或重新测试整个系统。三层体系的结构图如2 2 所示。 在三层体系模型中的三层分别为表达层、业务逻辑层和数据服务层。每层的描述如 图2 2 三层体系结构 下： ( 1 ) 表达层 表达层包括所有的用户接口。在三层体系模型中不允许其他层有任何与用户的交 互。 ( 2 ) 业务逻辑层 业务逻辑层位于中间，大多数处理在这里完成，所有的业务特定规则集中在这一层。 这是应用程序真正解决问题的部分。在这一层的任务是处理数据，既不负责表达，也不 负责存储。 ( 3 ) 数据服务层 这一层的作用是负责应用程序所要求的任何物理持久性。特定的数据服务机制，如 数据库的访问，应该放在这一层。当进行升级或改变物理存储时，仅有这一层会被替换 或升级。 2 3 2 利用三层体系结构开发排水采气综合平台软件 排水采气综合平台系统按照三层体系结构也分为三层( 表达层、逻辑层、数据服务 第二章 综合平台设计方案 层) 。表达层利用图表、图象、报表、文本等来向用户提供软件状态，另外还要提供界 面给用户，主要完成界面设计与实现、报表实现、帮助系统的实现和系统辅助功能的实 现。数据服务层是负责数据的持久化，即数据库操作或文件的读写，这部分称为数据管 理部分。业务逻辑层的功能是根据基础数据，进行分析处理，一方面把处理的结果传递 给表达层，另一方面还要向数据服务层发送控制命令，主要完成井底诊断、辅助决策、 工艺设计和技术经济评价。排水采气综合平台系统软件的三层结构设计如图2 3 所示。 界面实现ii 报表实现li 辅助功能实现 底诊断l 辅助决策l 工艺设计i 经济评价 图2 3 排水采气综合平台系统软件的三层结构设计 害一 西安石油大学硕士学位论文 第三章排水采气综合平台软件系统设计 3 1 气井生产子系统 3 1 1 气井生产系统 气流从储层流到地面分离器一般要经历多个流动过程，不同的流动过程遵循不同的 流动规律。气体的流动包括从气藏到井底的流动，从井底沿着管柱向上到达井口的管流， 从井口经过集气管线到达分离器管流。 ( 1 ) 气藏中气体向井底的渗流 气井一旦投入生产，气体将在气藏中通过孔隙或裂缝向井底流动。不同的孔隙介质， 不同的流体介质，不同的驱动机理，不同的开采方式，渗流阻力不一样，压力损失也就 不同。气井的流入动态对于生产系统的节点分析至关重要，它反映了气层向井底供气的 能力。 对于单相气体渗流，主要采用产能试井并确定指数式和二项式产能公式，获得气井 的流入动态。而对于不同的边、底水气藏和气水同层的气藏，地层中的渗流属于两相流。 气水在不同内外边界情况下的气井流入动态，可以采用单井数值模拟器来确定。 ( 2 ) 流体通过射孔井段的流动 完井段的流动阻力损失与完井方式密切相关。通过分析各种完井方式下的总表皮系 数，可以确定流体通过完井段的阻力损失。 ( 3 ) 流体沿垂直或倾斜油管举升的流动 气液两相在油管中向上举升的过程中的流动状态相当复杂。长期以来，人们研究了 许多数学相关式来描述其特性，但目前为止，没有一种相关式适合各类气井。目前广泛 应用的模型有h a g e d o m - b r o w n 、d u n s r o s 、o r k i s z e w s k i 、b e g g s b i l l 、m u k h e r j e e b r i l l 等。 ( 4 ) 气体通过井口节流装置的流动 此过程通过4 , t l i 艮的节流，产生压力损失。 ( 5 ) 气体在地面水平管中的流动 气体通过气嘴节流后，由地面集气管线流向集气站，压力损失主要是管内流动摩阻。 3 1 2 气井生产节点分析方法 由于流动规律不同，各个部分压力损失不一样，而且与内部参数有关。节点分析法 就是运用系统工程理论将地层流体的渗流、举升管垂直流动和地面集输系统作为一个完 整的采气生产系统，对节点的压力和流量进行整体优化分析，使整个气井生产系统不仅 在局部上合理，而且在整体上处于最优状态。气井生产系统进行节点分析的步骤如下： ( 1 ) 建立生产井模型 对于生产井，首先建立从气层、完井段、井筒、井口、集输管线等端点的生产流程， 即建立生产井模型。 ( 2 ) 根据确定的分析目标选定节点 第三章排水采气综合平台软什系统设计 在气井生产模型建立后，可供选择的节点很多，究竟取哪一个节点取决于所确定的 目标。如在射流泵设计中，选择射流泵为节点。 ( 3 ) 计算并绘制所选取节点的流入、流出曲线 节点一经选定，将这个生产系统分割为流入和流出两方。从气层开始到节点为流入 一方，它反映目前地层压力下，经过若干部分到节点的流( 供) 入情况；从井口到节点 为流出一方，它反映节点到井口的输出情况。利用计算机计算并绘制出各种参数下的流 入、流出曲线。 ( 4 ) 程序应用 利用流入、流出曲线，围绕选定的目标进行敏感性分析。通过分析，优选出动态参 数，实现生产系统的最优化。 本论文运用以上节点分析法的基本原理，一方面通过求解节点的方法，确定目前生 产状态下的动态特征：另一方面通过设计产量等动态生产参数来计算各种排水采气工艺 参数，从而达到优化设计的目的。 3 1 3 多相管流压降梯度模型 井底流压是预测井生产指数和流入动态的一个基本要素，是进行有效人工举升设计 的一个重要参数。获得井底压力的途径有压力试井和计算机模拟计算。气井不稳定试井 是气田勘探、开发中广泛采用的试井方法，它主要是通过改变气井工作制度，在井底和 气藏造成压力扰动，通过分析可以判断井和气藏的性质。测试这种井底压力的变化，地 面直读是一套比较先进、比较直观的监测技术，由于该技术要求精度高、设备庞大、测 试费用高，目前，只能在重点井、特殊井上使用。常规气井试井，是用纲丝把压力计下 到井底测量压力的变化，这种方法不能及时掌握井底流压的变化。因此，采用计算机模 拟井筒流动计算。 计算机模拟井筒流动将油气井中的流动视为稳定的一维流动。取流动坐标z 的正相 与流向相反，流动压力梯度可表示为： 垒：坠鲤翌皇厶譬坚婴 ( 3 1 ) d z 1 p 。v o v g s p 式中p 一压力，p a ： p 一流动密度堙研3 ； 臼一井斜角( 井轴与水平方向的夹角) ，( 。) ； 一两相混合物流速( = + ) ，m s ： 、p 岛分别为液相、气相折算速度，m s ； d 一油管内径，m ； 对于油套环空，d 一水力当量直径( 即套管内径与油管外井之差) ，m ； 厶一两相摩阻系数： 9 西安石油大学硕士学位论文 任意截面z 上的气液混合物平均密度表示为： p 。，= 所h + p 。( 1 一日) ( 3 2 ) 式中：凰为气液两相流持液率( h o l d u pl i q u i d ) ( 也称面积含液率) ，无因次。 两相流持液率现象是极其复杂的，其特性与许多因素有关。对于一般的两相流条件， 很难准确地进行数学描述。持液率是影响重位压降和摩阻压降的重要参数，它不仅取决 于不同流型下各相的流速，也与各相物性有关。环空两相流的持液率特性还与环空结构、 油管与套管的偏心程度等诸多因素有关。关于凰学者们建立了不同的多相管流计算模 型，究竟该选择那一种多相管流模型求解，将在3 3 1 中详细介绍。 求解方程( 3 1 ) 所涉及到的流体物性参数，均表示为流动状态( 压力、温度) 的函数。 在产水气井中，天然气偏差系数的计算选用c r a n m e r 和y a r b o r o u g h & h a l l 两个相关式， 分别用于低压和高压流动条件，以提高计算的准确性；天然气粘度的计算用l e e 等人公 式；水粘度和气水界面张力使用b e g g s & b r i l l 和h o u g h 方法。 c r a n m e r 模型： p 3 5 m p a ) p p r = q 2 7 pp ，( z 1 p r ) z 删3 1 5 0 6 一下1 0 4 6 7 一可0 5 7 8 3 m 5 3 5 3 一下0 6 1 2 3 惦z + 0 6 8 1 5 p 哆；, 一3 3 式中：z 一气体的偏差系数；乙，一对比温度，乙，= 丁瓦；乞，对比压力，e p r = p p c ； 瓦，只分别为临界温度和临界压力，迄一鲰叠；一： y a r b o r o u g h & h a l l 计算模型：尸 3 5 m p a lz ：o 6 1 2 5 p j e x p ( - ( 1 - 0 2 ) j y ( 3 4 ) i z = 箐一r ，4 7 6 t 一9 7 6 r 2 + 4 5 8 r 3 夕y + r 9 o 7 ，一2 4 2 2 r + 4 2 4 广夕n 1 8 + 2 8 2 叫 式中：f 一系数，f = 1 p e r ； y 一“对比温度”，无因次； 在已知p ，t 情况，联立以上两式求解y ，再将y 带到以上任何一式中，即可求得偏 差系数。 目前常用的天然气粘度的计算模型为l e e 模型： l l = 1 0 4k e x p ( x p y ) 矿 f ，9 4 + 0 0 2 m ) ( 1 8 t ) 1 3 2 9 + 1 9 m + 1 8 丁 x = 3 5 j r 9 8 6 ( 1 8 t 、七0 0 1 m y = 2 4 0 2 x 式中：一给定状态下的天然气粘度，m p a s ；丁一气体绝对温度，k ； 1 0 ( 3 - 5 ) 第三章排水采气综合平台软件系统设计 m 一气体分子量；p 一给定状态下气体密度，g c m 3 ； 地层水粘度的计算模型为b e g g s & b r i l l 模型： 。= e x p ( 1 0 0 3 一1 4 7 9 1 0 2 t + 1 9 8 2 1 0 。5 t 2 夕 ( 3 6 ) 式中：。一水的粘度，m p a s ； 确定气水界面张力计算模型为h o u g h 模型： l 仃= ( 7 9 1 8 0 0 9 5 4 t ) c p c 。= 1 0 0 1 0 2 1 4 p + 1 9 1 7 4 9 1 0 2p 2 2 0 4 2 4 x1 0 。3p 3 + 1 1 0 6 3 4 1 0 “p 4 l 一2 8 7 8 8 6 1 0 “p 5 + 2 8 9 3 7 7 1 0 。8 p 6 ( 3 - 7 ) i 老= 聊驯 ( 3 _ 8 ) i p ( z o ) = p o 式中f ( z ，p ) 压力梯度方程( 3 一1 ) 的右函数，z 表示井筒任意一点的位置。由已知起点z 。( 井 ( g ) 计算压力梯度方程( 3 - - 1 ) 的右函数f ( z ，p ) 。 3 一气水井井底诊断子系统 3 2 1 气水井动态分析 a 液体的来源 西安石油大学硕士学位论文 天然气流入井筒的游离液体。对于凝析气水井，当地层压力较低时，凝析水量将急剧增 加，成为气井积液的主要液体来源。 b 气井积液形成过程 当气井以高于其临界流量生产时，所有随天然气产出的液体都被带出井外，气井内 的流动具有相对可预测的稳态特性。当以小于其临界流量生产时，液体不能被完全带出 井筒，气井开始积液，液体便开始以混合气柱的形式滞留在井筒之中。随着产出液体的 聚积，井筒液柱的高度增加，井底流压开始逐步增加，井口压力和天然气产量随之急剧 递减。当井筒静水柱压力与地层驱动压力平衡时，气井完全积液，丧失生产能力。 3 2 2 气水井井底诊断 气水井井底诊断主要是诊断气水井井底状态，及时提醒用户是否应该实施排水采气 工艺，主要通过气井携液的临界流量和临界流速两个参数来判定。现目前的携液数学模 型有t u r n e r 模型和m i l i 模型。由于t u r n e r 模型是在假设被高速气流携带的液滴是园球 形的前提下，导出了气井携液临界流量和产量计算公式，并对其导出的临界流量和产量 公式加上2 0 的修正系数。实际运用t u r n e r 临界流速和产量过程中，发现许多气井的产 量大大低于t u r n e r 模型计算出的临界产量，气井仍然保持正常生产状态。为了得到相对 准确的临界流速和产量计算公式，m i l i 携液模型考虑了被高速气流携带液滴变形这一因 素，导出了新的计算气井连续排液临界流速和产量计算公式，公式计算出的结果只有 t u r n e r 公式计算出的气井携液临界流速和产量的3 8 。但这同人们的一般认识相吻合， 符合产液井的实际情况，因此采用m i l i 携液模型。 m i l i 携液模型的最小流速或临界流速圪。为： = 2 5 x k p ，一p g ) 仃j 0 2 5x p s - 0 5 ( 3 9 ) 最小流量或临界流量g 。为： q 。= 2 5 1 0 8xa y 0 吖z 丁) ( 3 1 0 ) yyp p 。：3 4 8 4 4 笠 ( 3 - 1 1 ) 一5 z 7 一气井排液最小流速，m s ：岛一液体的密度，k g m 3 ；p g - - n 黼n ，k g m 3 ；o 一气液表面张力，n m ；么一油管截面积，m 2 ；尸一井底压力，m p a ；卜温度， k ：z - - p ，t 条件下的气体偏差因子；q s c - - - - - 携液临界流量，m 3 d 。 如果q q ，。( q 为气井产气量) ，说明天然气在油管中心流动，在气液两相剪切力 的作用下，进入井内的水能够全部带出而不产生滑脱，气井井底没有积液，气井能依靠 自身能量，实现压力、产量、气水比相对稳定的工作制度正常生产。反之，水在管壁出 现滑脱，流压梯度自上而下增大，不能完全带水，气井井底形成积液，需要排水工艺。 第三章排水采气综合平台软件系统设计 3 3 辅助决策子系统 辅助决策子系统主要有压降模型优选模块和工艺措施优选模块，下面分别介绍。 3 3 1 多相管流压降梯度模型优选 由于气液两相流的多变性和流动机理的复杂性，要寻求适用于任何流动条件下的两 相流压降计算方法是非常困难的。迄今已建立了许多经验相关计算方法，这些方法均是 基于圆管流动实验数据得到的，其使用条件均具有局限性，往往更接近油井条件，而用 于大水量气井压降预测的准确性并不像人们希望的那么高。对于环空两相流的流动规律 更加复杂，这方面的研究工作起步较晚，文献报道也比较少。工程应用通常是将管径和 管壁粗糙度作相应的修正，利用现有圆管流动经验相关模型来计算。因此，应用两相流 及经验相关模型必须针对实际流动条件，对模型进行适应性评价分析。在软件中共有九 种模型参与评价优选，分别是h a g e d o m b r o w n 模型、o r k i s z e w s k i 模型、b e g g s - b r i l l 模型、 a z i z 模型、h a s a n 模型、m u k h e r j e e b r i l l 模型、s w p i - - s p a 模型、李颖川优化模型和张柏年 多相流计算模型。 针对气田实际条件，采用计算压降与实测压降平均绝对误差百分数作为目标函数， 求其最小值，从而优选出最合适的压降模型。评价中定义了以下六项误差统计指标及一 个相对性能系数。六项误差统计指标有压降平均误差e l 、压降绝对平均误差e 2 、压降 标准差e 3 、压降梯度平均误差e 4 、压降梯度绝对误差e 5 、压降梯度标准差e 6 。 即去豁 蚴 e 2 _ 物p 一 玎百。 。1 击 毕i 备q 。1 亡l e 5 2 i 备h 盼岳万万 le t 2 p 。，一p 。， t p ，2 掣。 ( 3 - 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) 西安石油大学硕士学位论文 平均误差e l 和e 4 表示模型的整体偏差；绝对平均误差e 2 和e 5 表示平均误差的大小； 标准差e 3 * p i e 6 表示模型计算结果的离散程度。 综合上述统计误差e 1 e 6 ，利用下式定义的相对性能系数r p f ( r e l a t i v ep e r f o r m a n c e f a c t o r ) 作为比较多个计算方法的评价指标。 l fi f 晰2 善蹒 r p f 可能的最小值为0 ，晟大值为6 。r p f 最接近于0 表示其模型的计算方法的性能最 佳。 3 3 2 排水采气工艺措施优选 对给定的一口产水气井，究竞选择何种排水采气工艺，需要进行不同排水采气工艺 方法的比较。排水采气方法对井的开采条件有一定的要求，如果不注意地质、开采及环 境因素的敏感性，就会降低排水采气装置的效率和寿命。因此，除了并的动态参数以外， 其他开采条件如产出流体性质、出砂、结垢等，也是考虑的重要因素。此外，设计排水 采气装置时，还需要考虑电力供给、高压气源、井场环境等。首先对该井进行适应性评 价，找出适合该井的工艺，然后，再用模糊评价的方法优选出最合适的工艺。 a 排水工艺方法的适应性评价 根据国内外排水采气实践，排水采气工艺方法的评价依据为：气藏的地质特征、产 水气井的生产状态、经济投入情况的考虑。对于以上所述的排水采气工艺适应范围分别 简述如下： 优选管柱排水采气：适用于有一定自喷能力的小产量的气井。最大排水量为1 0 0 立 方米天，最大井深3 8 0 0 米，适用于含硫气井；设计简单、管理方便、经济投入较低。 气举排水采气：适用于水淹气井复产、大产水量气井助喷及强排水。最大排水量为 4 0 0 立方米天，最大举升高度3 5 0 0 米，适用于低含硫气井；设计、装置和管理简便； 经济成本较低。 游梁抽油机排水采气：适用于水淹气井复产、间喷井及低压产水气井排水。最大排 水量7 0 立方米天，最大举升高度2 4 0 0 米；装置设计、按装较简单，易于管理，经济 投入较低。对高含硫和结垢严重的气井受限。 射流泵排水采气：适用于水淹井复产。最大排水量3 0 0 立方米天，最大泵深2 7 0 0 米：参数可调性好：装置设计、安装方便、经济投入较高。对出砂的产水气井适宜，但 设计复杂。 泡沫排水采气：适用于弱喷及间喷产水气井的排水。最大排水量1 2 0 立方米天， 最大井深3 5 0 0 米，适用于低含硫气井；设计、安装和管理简便；经济成本较低。 活塞气举排水采气：适用于小产水量间喷自喷井的排水。最大排水量为5 0 立方米 天，最大举升高度3 0 0 0 米；装置设计、安装简便；耐硫化氢腐蚀较好，经济投入较低。 第三章排水采气综合平台软件系统设计 对斜井和弯井受限。 电潜泵排水采气：适用于水淹气井复产或气藏强排水采气。最大排水量5 0 0 立方米 i k ，最大泵深2 7 0 0 米；参数可调性好；装置设计、安装方便，经济投入较高。对含硫 气井受限。 射流泵+ 机抽复合排水采气：适用于深井水淹井复产。泵深可大于3 8 0 0 米；经济 投入高。 b 工艺措施的模糊评价 通过对一口具体的井适应性评价，可能有存在好几种排水采气工艺，但究竟选择哪 一种是该井最合适的排水采气措施，需要进行综合评价。下面就介绍利用模糊物元分析 法进行单井排水采气措施综合评价的理论步骤： ( 1 ) 方案入选建立复合物元a 。针对目前排水采气工艺的现状，结合现场实际，假 设有m 个排水采气工艺方法可供选择，每一种方法有7 个评价指标( 产气量、极限产量、 净现值、收益率、利润总额、投资回收期、工艺成本) ，并令第i 个排水采气工艺的第i 个指标值为a ，则建立的复合物元a 为： f 口l i口1 2 - 口1 7 爿：j 吼l a 2 2 a 2 7 】。 l 口m la m 2 a 7 ( 2 ) 手旨标归一处理。根据以下模式，将各指标处理成为 0 ，1 之间的值，为各指 标的计算提供基础。 b i i = a 。m 船( a 。， 越大越优型指标 b 1 = m i n ( a ，j 口。 越小越优型指标 在评价7 个指标中，工艺成本和投资回收期为越小越优型，其它5 个为越大越优型。 ( 3 ) 根据归一处理结果，把爿矩阵变为复合模糊物元b ： b = b l l b 】2 b 2 ib 2 2 b 。lb 。2 6 卅7 ( 4 ) _ 手旨标权重的确立。反映各项指标相对重要程度的指标权重值对于排水采气工艺 方案的选择起了至关重要的作用。指标权重值不同，评价结果也会不同，甚至出现完全 相反的结果。对指标体系中的各指标进行两两比较，按照表3 1 所给的标度，记下比 较结果，例如指标p i 相对于p j 的重要性为p i j ( 如为3 或5 ) ，则指标p j 相对于p i 的重要 性为p j i ( 为1 3 或1 5 ) ，如此类推，可构造一判断矩阵p o 。 曲安石油大学硕士学位论文 表3 1 判别矩阵标度及含义 标度含义 表示两因素相比，具有同样重要性 3 表示两因素相比，一个因素比另