第二章 自喷及气举采油

1、第二章 自喷与气举采油通过油井从油层中开采原油的方法按油层能量是否充足，可分为自喷和机械采油两大类。当油层能量充足时，完全依靠油层本身能量将原油举升到地面的方法称为自喷（natural flowing）；当油层能量不足时，人为地利用机械设备给井内液体补充能量的方法将原油举升到地面，称为机械采油方法也称人工举升（artifical lift）方法。人工举升方法按其人工补充能量的方式分为气举和深井泵抽油（泵举）两大类。气举采油是人为地将高压气体从地面注入到油井中，依靠气体的能量将井中原油举升到地面的一类人工举升方法。气举采油与自喷采油具有基本相同的流动规律，即气液两相上升流动。本章重点阐述自喷井的

2、协调原理和节点分析方法，以及气举采油原理和设计方法。第一节 自喷井节点系统分析节点系统分析（nodal systems analysis）方法简称节点分析。最初用于分析和优化电路和供水管网系统，1954年Gilbert提出把该方法用于油气井生产系统，后来Brown等人对此进行了系统的研究。20世纪80年代以来，随着计算机技术的发展，该方法在油气井生产系统设计及生产动态预测中得到了广泛应用。节点分析的对象是油藏至地面分离器的整个油气井生产系统，其基本思想是在某部位设置节点，将油气井系统隔离为相对独立的子系统，以压力和流量的变化关系为主要线索，把由节点隔离的各流动过程的数学模型有序地联系起来，以确

3、定系统的流量。节点分析的实质是计算机程序化的单井动态模型。借助于它可以帮助人们理解油气井生产系统中各个可控制参数与环境因素对整个生产系统产量的影响和变化关系，从而寻求优化油气井生产系统特性的途径。本节以自喷井为例，讲述节点分析的基本概念、方法及其应用。一、基本概念和分析步骤1油井生产系统油井生产系统是指从油层到地面油气分离器这一整个水力学系统。由于各油田的地层特性、完井方式、举升工艺及地面集输工艺的差异较大，使得油井生产系统因井而异，互不相同。图2-1给出了一个较完整的自喷井生产系统及各流动过程的压力损失。对系统各组成部分的压力损失是节点分析的一个核心内容。2节点在油井生产系统中，节点（nod

4、e）是一个位置的概念。对于图2-1所示的自喷井系统，至少可以确定图示中的8个节点，对其它举升方式还会有不同的节点位置。节点可分为普通节点和函数节点两类。1) 普通节点一般指两段不同流动过程的衔接点，如图2-1所示的井口3，井底6以及系统的起、止点（地层边界8、分离器1）均属普通节点。在这类节点处不产生与流量有关的压降。2) 函数节点具有限流作用的装置也可作为节点，如图2-1所示，地面油嘴2、井下安全阀4、井下油嘴5和完井段7。由于这类装置在局部会产生一定压降，其压降的大小为流量的函数，故称为函数节点(function node)。函数节点所产生的压降可用适当的公式计算。3）解节点应用节点分析方

5、法时，通常要选定一个节点，将整个系统划分为流入节点和流出节点两个部分进行求解。所选用的这个使问题获得解决的节点称为求解节点（solution node），简称解节点或求解点。图2-1自喷井生产系统及压力损失平均地层压力；pwfs井底油层岩面压力；pwf井底流压；pur,pdr井下油嘴上、下游压力；pusv,pdsv安全阀上、下游压力；pwh井口油压；pb地面油嘴下游压力；psep分离器压力；p1=-pwfs油层渗流压力损失；p2=pwfs-pwf完井段压力损失；p3=pUR-pDR井下节流器压力损失；p4=pUSV-pDSV井下安全阀压力损失；p5=pwh-pB地面油嘴压力损失；p6=pB-p

6、sep地面出油管线压力损失；p7=pwf-pwh举升油管压力损失（包括p3和p4）；p8=pwh-psep地面管线中的总损失（包括p5）3节点分析的基本步骤进行节点分析必须具备能够正确描述各流动过程动态规律（流量与压降）的数学模型。例如，自喷井系统分析模型中应包括适用的油井流入动态IPR、举升管柱及地面管线压力计算方法、油嘴流动相关式，以及流体在不同压力温度下的物性参数相关式。以普通节点为例，节点分析的基本步骤如下：1) 建立油井模型并设置节点按油井生产的逻辑关系，明确生产流程的构成，并在系统内设置相应的节点，从而把油井系统有序地划分为相互联系又相互独立的若干部分。2) 解节点的选择解节点位置

7、与系统分析的结果无关。灵活的节点位置有利于研究分析在整个系统中不同因素对产量的影响。如果旨在说明接近地面部分的影响，则解节点可选为井口。取井底为解节点有利于分析油层的供液能力和井筒的举升能力，以便优选油管尺寸和控制井口压力。取系统终端（分离器）为解节点有利于分析整个井网各口井对产量的影响。同样，如果关心井下部分的影响，解节点可选在井底和完井段，井底解节点应用很普遍。以油嘴和完井段为函数节点，有利于进一步分析油嘴直径，完井结构因素（如孔密、孔径和孔深等）对井系统产量的影响。总之，应根据所求解的问题合理选择解节点，通常应选在尽可能靠近分析对象的节点作为解节点。3) 计算解节点上游的供液特征改变产量

8、，从系统的始端（平均地层压力）至解节点沿流动方向，按解节点上游各流动过程的数学模型计算相应的解节点处的压力。4) 计算解节点下游的排液特征改变产量，从系统终端（分离器 psep）至解节点逆流动方向，按解节点下游各流动过程的数学模型计算相应的解节点处的压力。5) 确定生产协调点根据解节点上、下游的压力与产量的关系，在同一坐标系中绘制出解节点上游压力与产量的关系曲线（节点流入曲线）和解节点下游压力与产量的关系曲线（节点流出曲线），二曲线称为系统分析曲线，如图2-2所示。节点流入曲线反映在给定地层压力下油层到解节点（流入段）的供液能力。节点流出曲线反映在给定分离器压力下，从解节点到分离器（流出段）的

9、排液能力。在解节点流入、流出曲线的交点A处，流入段的产量等于流出段的排量；并且流入段的剩余压力等于流出段所需要的起点压力。解节点上、下游能够稳定协调工作，因此该交点A称为油井生产协调点（q，p），简称协调点。如果流入、流出曲线不相交或者存在双交点的情况将在后面进一步说明。图2-2系统分析曲线及其解6) 进行动态拟合由于数学模型及有关参数的误差，上述产量常与实际产量不相吻合，此时应对数学模型及有关参数进行调整，经过拟合使所建立的数学模型和计算程序能正确反映油井生产系统的实际情况。7) 程序应用拟合后的计算程序既可以用于对整个生产系统的分析，也可以围绕所需解决的问题进行参数的敏感性分析。通过分析，

10、优化出生产参数，实现油井系统的优化生产。二、节点分析方法及其应用下面以油层到分离器(图2-3a)简单的自喷井生产系统为例，说明节点分析方法及其应用。1.井底为解节点以井底为解节点是最常用的分析方法。井底节点将整个油井系统隔离为油层和举升油管+地面管线两部分，如图2-3a所示。节点流入部分即为油层渗流，用流入动态IPR曲线描述。从油层中部位置至地面分离器，其压降为举升油管压降与地面管线压降之和。解节点流出压力为设定一组产液量qi（qi =iq，q为产量步长，i为计算点序号，i=1，2，N），分别以给定的平均地层压力和分离器压力psep开始计算至解节点，计算得出流入和流出解节点的压力。并在同一坐标

11、图上绘制解节点流入和流出动态pwfq曲线（即系统分析曲线），如图2-3b所示。也可能会出现图2-3c、d的情况。这三种系统分析曲线解释如下：（1）第一种情况。图2-3b中解节点流入与流出曲线相交，其交点即为油井系统的产量q及其井底流压pwf，此交点产量q为目前平均地层压力和给定分离器压力psep条件下的油井的自喷产量（无地面油嘴）。（2）第二种情况。图2-3c中两条曲线不相交。这说明在给定油井条件下，油层的供液能力小于油井的排液能力，油井不能协调自喷生产，需要补充人工能量进行机械采油。欲使油井以产量q生产，节点流入与流出曲线之间的压差p即为机械采油系统需要补充的人工能量。（3）第三种情况。图2

12、-3d中两条曲线在较低产量和较高产量处存在两个交点，两个交点之间的节点流出曲线低于流入曲线。经理论分析和实践证明，较低产量的交点是不稳定流动；而较高产量的交点是稳定流动的，即为协调点。在其它解节点位置的分析也存在上述情况时与上述解释相同。选井底为解节点，可预测油层压力降低后的产量及其井底流压，如图2-4所示。当油层压力降至图示时，系统分析曲线无交点(流入、流出部分无协调点)，说明油层供液能力小于举升油管排液能力，则油井停喷。图2-4 预测未来产量 图2-5流动效率对产量的影响选井底为解节点也可应用于研究油层污染及增产措施后，改变了油井流动效率所引起的井底流压及其产量的变化，如图2-5所示。2.

13、 平均地层压力为解节点设定一组产液量，并以给定的分离器压力为起点，逆流体流动方向计算出相应的平均地层压力，即 解节点流出压力 解节点流入压力 =常数如图2-6所示，不同给定的水平线与油井特性曲线的交点表示对油井产量的影响。应当指出，随平均地层压力降低，油层渗流特性会发生变化，故应采用未来IPR预测方法。图2-6 变化对产量的影响3井口为解节点（无油嘴）以井口为解节点也是常用的分析方法之一。井口解节点将油井系统隔离成两部分，即从分离器开始至井口部分与油层到井底再经举升油管到井口部分。其计算步骤与井底节点相似，以设定的一组产液量，分别按所选用的方法计算，求出两部分相应产液量在解节点（井口）处的压力

14、。解节点流入压力解节点流出压力图2-7 井口为解节点 图2-8 不同直径油管和出油管线的影响然后将这两组数据即井口解节点的流入和流出曲线绘制在同一坐标图上，便可求出相应的井口油压和产量，如图2-7所示。图中的井口解节点的流入曲线表示油井不同产量下的井口油压的大小。需要说明油压并不总是随产量的增加而降低，而是在qc时存在峰值。这种现象符合前面所述气液两相管流规律。因产量较低时管内流速低，滑脱损失严重；产量较高时，摩阻损失较大。这两种情况均会使油管举升的能量损失增大。而只有在某一产量范围内，滑脱与摩阻都不是很高时，达到较低的管流能量损耗。因此，油压随着产量的增加也有高有低。应用井口解节点可以分析不

15、同直径的油管和地面管线，对油井生产动态的影响（图2-8）。需要强调选择油管直径的重要性。油管直径将直接影响套管直径及其配套井下工具的确定。若选用过小的油管会限制油井产量；而选用过大的油管会增大滑脱损失。因此，在高产油区的套管程序应在合理的油管直径的基础上进行优化设计。4井口为解节点（井口安装油嘴）在上述简单油井系统中考虑在井口安装油嘴以控制油井产量。油层、举升油管、油嘴和地面管线四个流动过程的关系曲线如图2-9所示。仍先设定一组产液量，从油层和分离器开始分别计算出井口（即油嘴）处相应的油压和回压，与上述无油嘴情况不同的是，将满足回压低于油压一半（油嘴临界压力比近似取0.5）的点绘制pwhq的曲

16、线B，此曲线上的任一点均满足油嘴达到临界流动条件。油压曲线B与给定嘴径d的油嘴特征曲线G的交点C即为该油嘴下的产量及其油压pwh。图2-9中-表示油层渗流压降,-表示井筒油管的举升压降。图2-10中绘制了油嘴直径d分别为4，6，8，10，15mm的油嘴曲线，分别与管流曲线B相交，其交点所对应的产量分别是q6,q8,q10,q15。可根据配产确定与之对应的油嘴直径。G图2-9自喷井四个流动过程的协调关系 图2-10不同油嘴直径的油井产量5. 以射孔段为函数节点以上讨论的是普通节点分析方法，即在解节点处不存在压力的变化。而射孔完井段相当于节流装置，它的两端存在与产量相关的压差，故称为函数节点。射孔

17、段的压差与射孔方式（正压或负压）和射孔参数（孔密、穿深和孔径等）有关，可由近似公式（1-32）计算。以射孔段为解节点的计算路径与上述井底节点类似，即将油井系统隔离为两部分：节点流入部分是从计算油层到岩面流压（考虑理想完善井S=0）；而另一部分从分离器压力psep计算到油管吸入口pwf。上述两条曲线之间的压差反映了相应产量下油井系统在射孔段处所要求的油井系统压降p系统，如图2-11所示。由射孔段压降公式（1-32）计算出给定射孔条件下（不同射孔密度N1-N4）的压降动态曲线p射孔，如图2-12所示。再由p系统与p射孔两条压差曲线的交点确定系统的产量。此方法可用于优选射孔方式及参数。图2-11 射

18、孔段上下游压力与产量的关系 图2-12 不同射孔方式及孔密对产量的影响同理，地面和井下油嘴、井下安全阀一类节流装置均可函数节点通过绘制相应油井系统在函数节点处的系统压降曲线（p系统q）之后,再计算出相应的节流压降动态曲线求解油井产量。第二节 气举采油气举采油是指人为地从地面将高压气体注入停喷（间喷或自喷能力差）的油井中，以降低举升管中的流压梯度（气液混合物密度），利用气体的能量举升液体的一类人工举升方法。气举的工作介质可以为天然气、氮气等高压气体，其井下设备简单。因此它具有较强的适应性，适用于高气液比的直井、斜井、丛式井、水平井以及小井眼井的采油和气井排液采气，也可用于油井诱喷或压裂酸化增产措

19、施井和修井排液作业。气举的举升深度和排量变化灵活，井口和井下设备比较简单，管理方便。在高气液比、含砂及含腐蚀性介质的油井条件下，较其它人工举升方式更具优势。但气举采油要求稳定充足的气源，采用压缩机增压其地面设备一次性投资大。油田气举采油系统如图2-13所示。图2-13 气举系统示意图一、气举采油原理、方式及管柱1气举采油原理气举采油是基于“U”型管原理(图2-14)，通过地面向油套环空（反举）或油管（正举）注入高压气体，使之与地层流体混合，降低液柱密度和对井底的回压（井底流压），从而提高油井产量。图2-14 气举采油原理2气举采油方式气举（gas lift）按注气方式可分为连续气举和间歇气举两

20、大类，其中间歇气举还包括柱塞气举、腔室气举等特殊方式。1）连续气举连续气举（continuous gas-lift）是常用的气举采油方式，它是从油套环空（或油管）将高压气连续地注入井内，使油管（或油套环空）中的液体充气以降低其密度，从而降低井底流压，排出井中液体的一种人工举升方式。连续气举适用于油层供液能力较好且能量较充足的油井，连续气举井的采油原理与自喷井相似，其区别是气举井需要人为注入高压气体补充能量；而自喷井则完全依靠油层本身能量。2）间歇气举间歇气举（intermittent gas-lift）是向油套环空内周期性地注入高压气体，气体迅速进入油管内形成气塞，将停注期间井中的积液推至地面

21、的非常规气举采油方式。采用间歇气举时，地面一般需要配套使用间歇气举控制器（周期-时间控制器）。间歇气举主要用于地层能量不足的油井。对这类油井，采用间歇气举较连续气举可明显减少注气量，提高举升效率。其缺点是井口装置比较复杂，在闭式循环气举系统中，当间歇气举井占到一定比例时，容易造成地面注气压力波动，影响其它气举井的正常生产。柱塞气举（plunger lift）是一种特殊的间歇气举方式。它是利用油管内的柱塞在气体与液体之间形成一固体界面，有效地减少液体滑脱损失，提高其举升效率。当地层气液比较高时，可以利用油井自身能量周期性地推动柱塞举液，否则需要补充注气。是否需要注气应视地层气体能量而定。柱塞气举

22、能有效地防止油管结蜡，也可用于气井排液采气。但柱塞气举的地面装置较其它气举方式复杂，操作管理有一定难度，生产过程中容易在地面集输管网内造成较大的压力波动。3气举管柱结构常用的单管气举管柱结构主要有开式、半闭式、闭式三种，如图2-15所示。(a) 开式管柱 (b) 半闭式管柱 (c) 闭式管柱图2-15 气举井单管柱结构1) 开式管柱在开式管柱结构中，油管管柱不带封隔器而被直接悬挂在井筒中，如图2-15a所示。开式管柱只适用于液面较高的连续气举井。由于这种管柱的油管与套管环空是连通的，对低产油井，当液面下降到油管管鞋时，注入气就会从油套环空窜入油管，造成注气量的失控。开式管柱的另一个缺点是，每当

23、气举井关井后再重新启动时，由于液面重新升高，必须将工作阀以上的液体重新排出去，不仅延长了开井时间，而且液体反复通过气举阀，容易对气举阀造成冲蚀，降低阀的使用寿命。因此，开式管柱通常用在因套管损坏、变形、腐蚀或其他原因不能下封隔器的连续气举井。2) 半闭式管柱半闭式管柱如图2-15b所示，管柱的下部安装一封隔器，将油管和套管空间分隔开，以避免因液面下降造成注入气从套管窜入油管, 同时也避免了每次关井后重新开井时的重复排液过程。半闭式管柱既适用于连续气举井，也适用于间歇气举，是气举常用的管柱结构。3) 闭式管柱闭式管柱如图2-15c所示，是在半闭式管柱结构的基础上，油管底部安装固定阀（单流阀），其

24、作用是在间歇气举时，阻止油管内的压力作用于地层。闭式管柱一般用于间歇气举井。二、气举的启动过程气举井从关井到投产要经历一个瞬态卸载过程，即将高压气体经过预定深度注入举升管，使油井投入正常工作的过程。现以油套管环空注气说明气举生产时的启动过程。油井停产时，油套管内的静液面在同一位置（静液面距管鞋的深度h称为油管沉没度），如图2-16a 所示。当开动压缩机向油套环空注入气体后，环空内的液面被挤压下降，如不考虑液体被挤入地层，油套环空内的液体则全部进入油管，油管内的液面上升，在此过程中压缩机的压力不断升高。当油套环空内的液面下降到油管管鞋时（图2-16b），油管内的液面上升高度为h，压缩机压力达到最

25、大，称为启动压力pe。注入气体进入油管与油管内液体混合，液面不断上升直至喷出地面（图2-16c）。在开始喷出之前，井底压力大于或等于地层压力；喷出后由于油套环空仍继续进气，油管内的液体继续喷出，使混气液密度进一步降低，油管鞋压力相应降低，此时井底压力及压缩机压力亦随之下降。当井底压力低于地层压力时，地层流体就流入井内。由于地层出液使油管内的混气液密度稍有增加，因而压缩机压力会有所上升，经过一段时间后趋于稳定，达到稳定生产时的压缩机压力称为工作压力po。气举过程中压缩机出口压力的变化曲线如图2-17所示。如果压缩机的额定压力小于启动压力，则气体将无法进入油管举出井筒中的液体，气举将无法启动。气举

26、启动压力的大小与气举方式、油管下入深度L、油管沉没度h、油套管直径（D、d）以及油层吸液能力有关。在气举启动过程中油管内液面尚未超过井口时，根据“U”型管原理（忽略气柱压力），启动压力pe与井液密度的关系为：（2-1）假设在气举启动过程中地层不吸液，即环空中的液体完全被挤入油管，则（2-2）将式(2-2)代入式(2-1)，启动压力为（2-1a）当气体进入油管时油管内液面已超过井口，根据“U”型管原理（忽略气柱压力）(2-1b)当油层吸液能力较强时，且被气体挤压的液面下降较缓慢时，从环空挤压出的液体一部分被油层吸收。在极端情况下，环空挤出的液体全部被油层吸收。当高压气体到达油管鞋时，油管中的液面

27、几乎没有升高。在这种情况下，启动压力由静液面与管鞋之间的距离确定，即(2-1c)一般情况下，油层不可能将环空挤压出的液体完全吸收，又由于油管长度的限制，因此油管内液面范围为hL，根据“U”型管原理（忽略气柱压力），气举系统的启动压力范围为(2-3)h(a) 停产时 (b) 环空液面到达管鞋 (c) 气体进入油管图2-16气举井的启动过程 2-17 气举时压缩机压力变化三、气举阀气举生产过程中，如果启动压力较高，则要求压缩机具有相应较高的额定输出压力。由于气举系统在正常生产时，其工作压力比启动压力小得多，这就会造成压缩机功率的浪费，增加投入成本。为此，在油管的不同深度处安装气举阀，以实现降低启动

28、压力和排出油套环空液体的目的。1. 气举阀工作原理气举阀实际上是一种用于井下的压力调节器。地面上常用的简单压力调节器的结构如图2-18所示。它通过阀球的开启度来控制注气量的大小，阀球的开启度不仅与上、下游压力有关，而且与加压元件压力有关，这是气举阀和固定节流器的不同之处。当高压气体注入油套环空时，气体从阀孔进入油管，使阀孔上部油管内的混合液密度降低，油套环空中的液体进入油管，其液面也随之降低，当油管内压力（阀孔下游压力）降到某一界限时，阀孔关闭，高压气体推动环空液面下降到第二级阀孔。依此类推，直到油套环空的液面下降到油管管鞋，液体排出井筒，油井正常生产。图2-18 压力调节器结构示意图1弹簧（

29、加压元件）；2弹性膜；3阀杆；4阀球；5阀座2. 气举阀的作用与分类气举阀在整个气举生产过程中的作用可归纳如下：（1）气体进入举升管柱的通道和开关；（2）降低启动压力，增加气举举升深度，从而增大油井生产压差；（3）气举阀可灵活地改变注气深度，以适应油井供液能力的变化；（4）间歇气举的工作阀可以防止过高的注气压力影响下一注气周期，气举阀可控制周期注气量；（5）气举阀上的单流阀可以防止产液从举升管倒流。气举阀种类繁多，可按以下方式分类：（1）按压力控制方式，气举阀可分为节流阀、气压阀或称套压操作阀、液压阀或称油压操作阀和复合控制阀四种类型。节流阀在关闭状态时与气压阀相同，但一旦打开后，仅对油压敏感

30、，打开这种阀，需要提高套压，关闭阀则降低油压或套压。气压阀在关闭状态时，有50%100%对套压敏感，而打开后，仅对套压敏感，为了使气举阀打开或关闭，必须分别提高或降低套压。液压阀与气压阀正好相反，为了使气举阀打开或关闭，必须分别降低或提高油压。复合控制阀也称液压打开、气压关闭阀，即提高油压则阀打开，降低套压则阀关闭。（2）按气举阀在井下所起的作用，可分为卸载阀、工作阀和底阀。（3）按气举阀自身的加载方式，可分为充气波纹管阀和弹簧气举阀。（4）按气举阀安装作业方式，可分为固定式气举阀和投捞式气举阀。3. 常用气举阀在气举生产中按压力控制方式较为常用的主要有气压阀或称套压操作阀、液压阀或称油压操作

31、阀。1）气压阀气压阀按自身的加载方式，可分为充气波纹管阀和弹簧阀，充气波纹管气举阀是广泛使用的气举阀，如图2-19所示，图（a）与图（b）分别处于关闭与开启状态。图2-19气压阀1储气室；2波纹管；3阀杆；4阀球；5阀座pc套管压力；pt油管压力；pd气室压力；Ab波纹管面积；Ap阀孔（座）面积气压阀也称套压阀或压力阀，阀的波纹管与套压相连，由于波纹管相对于气嘴来说大很多倍，所以在气举阀的开关中，起主要作用，阀的开关主要取决于套压的大小，它主要应用于连续气举和间歇气举。充气波纹管气举阀在波纹管内预先充入氮气构成加载单元由可伸缩的波纹管和充气室组成，起到类似于弹簧加载的作用。充气波纹管、阀杆、阀

32、球、阀孔等是其基本的构成。此外，多数气举阀都在阀孔下游设有单流阀，以防止逆流。由充气波纹管气举阀的实际结构可以获得波纹管的承压面积Ab和阀孔（座）面积Ap，以及气举阀孔面积与波纹管面积之比R=Ap/Ab。气举阀波纹管内的压力pd随环境温度变化而变化，为了便于讨论，记pd为井下波纹管腔室的充氮压力，pt为阀处油压，pc为阀处套压。由充气波纹管气举阀（如图2-19a）的静力平衡方程。要使阀处于开启，必须满足下式。（2-4）设注入气欲打开阀的起始压力为pvo，则由式（2-4）（2-5）令 （2-6）TEF为油管效应(tubing effect)系数，表征气举阀对油压的敏感性。令 （2-7）则 （2-

33、8）将式（2-8）代入式（2-5）得（2-9）当气举阀处的套压pc ³pvo时，高压气经阀孔进入油管，气举阀打开并保持开启状态。设在注气压力pc下促使气举阀关闭的压力为pvc：即 (2-10)阀关闭压力pvc仅与波纹管内压力有关，与油压无关，当pc £ pd时阀关闭。阀开启压力与关闭压力之差称作阀距，是表征风包式气举阀工作特性的主要参数。（2-11）因此，阀距随油管压力的增大而减小。当pt=pd时为最小，且为零；当pt=0时，阀距最大，且为pdTEF；此外，阀距还与油管效应有关，由于油管效应系数随阀孔径增大而增大，大孔径阀可提高阀距。上述分析方法同样可用于其它类型的气举阀。

34、气举阀生产厂家将提供气举阀的主要技术参数，如波纹管外径和有效面积，阀座孔径，阀孔面积，以及R、1-R和油管效应系数TEF等参数。表2-1列出了国产波纹管阀的主要技术参数。表2-1 国产固定式压力操作气举阀技术参数型号外径mm波纹管阀嘴直径mm油管效率系数TEF面积，mm2冲程，mmQJF-225.419.353.17530.03640.96360.03773.50.04760.95040.052140.06480.93520.06934.50.08980.91720.090350.10130.89870.128YCOI-25025.4203.17530.03550.94500.03683.50

35、.04830.95170.050740.06310.93680.06744.50.07990.92010.086850.09870.90130.1095带有气室及弹簧加压的双元件气压阀与充气波纹管气压阀所不同的只是增加了一个加压弹簧，保持阀关闭的力是由弹簧和气室压力联合提供的。它可用较低的气室压力达到与单元件阀相同的关闭压力；也可不充气，而完全由弹簧来提供关闭力。2）液压阀液压阀结构如图2-20所示，主要有波纹管与带有气室及弹簧的双元件等气举阀。液压阀的开关主要受油管压力的影响，它主要应用于双管气举采油中。封包式油压操作阀与封包式气压阀类似；双元件油压操作阀与双元件气压阀之间的不同之处是：在关

36、闭条件下，油管中液体负荷产生的油管压力作用在封包上，而套管压力则作用在阀球上，与气压阀相反。图2-20油压控制气举阀利用与前面气压阀相同的分析方法，可得阀开启压力：（2-12）阀关闭压力：（2-13）式中 pvo，pvc阀打开、关闭所需油管压力；St弹簧弹力。油压控制气举阀，由于阀门的打开与关闭主要受油压的控制，即受油井的各项生产参数的影响。这些参数很难准确的预测，所以无法对油管控制气举阀进行有效的人工控制。油压阀通常只适用于双管气举采油。4. 气举阀的安装与调试1) 气举阀压力概念在进行气举阀的安装与调试之前，应了解气举阀压力的几个概念：（1）气举阀打开压力pvo。对于气压阀，由于对套压敏感

37、，定义为在实际工作条件下，打开阀所需的套压；对于液压阀，由于对油压敏感，定义为在实际工作条件下，打开阀所需的油压。（2）气举阀的关闭压力pvc。使气举阀关闭的就地（气举阀深度处）油压或套压。（3）试验架打开压力。一旦确定了气举阀的打开压力和关闭压力，就要在室内调试装置上把气举阀调节在某一打开压力，此压力相当于井下该气举阀所需的打开压力。（4）转移压力。在当前气举阀深度处，允许气体从一个较低的气举阀处注入气体的压力，以实现从上一级阀到当前阀的转移，称当前阀的转移压力。（5）气举阀的过阀压差。气体经过阀孔节流会产生压力损失，阀上、下游压差称为过阀压差（一般取0.35MPa），它也是气举阀的特性参数

38、之一。2) 气举阀的安装与调试气举阀必须按气举管柱设计要求，通过工作筒安装在油管上。安装方式主要有固定式和投捞式两种。偏心工作筒的作用是安装和固定气举阀，并为投捞气举阀起导向作用。固定式气举阀是在油管尚未下到井中之前，在地面上将阀装进工作筒内，阀只能同油管或工作筒一齐起出，更换或检阀必须起下油管。投捞式气举可自由投捞，便于气举井的检阀作业，投捞式气举阀的安装、检阀要经济得多。投捞式气举阀的工作筒作为油管的一部分，按气举井布阀设计要求预先连接在油管上，必要时进行气举阀的投放，提捞作业。气举阀应根据气举设计的调试架打开压力，在专用的调试装置上进行充氮调试后才能下井。调试的步骤为：充氮气，恒温，检查

39、打开压力，老化处理，再恒温和确定打开压力。（1）充氮气。选用氮气作调试介质是由于氮气随温度变化的状态参数已知，且氮气成本低，无腐蚀及不燃烧。（2）老化处理。目的在于对波纹管进行预变形处理，以防止在井下工作时产生破损或塑性变形。其方法是将阀置于老化器中，密闭加压，模拟井下承压加至2.98MPa，并保持15min。（3）恒温处理。由于氮气压力受温度的影响很敏感，故调试过程中，需要保持恒温以提高调试的精度。所有的气举阀都必须在同一基准温度条件下调试。气举阀充氮时必须在恒温箱水浴中恒温至 15.6°C（60°F目前国内一般使用国外引进的气举阀调试台，其温度多采用英制温标（华氏）。）

40、，并保持15min。气压阀的气室压力pd及试验架打开压力ptro的计算如下：(2-14)(2-15)式中Ct为氮气压力随井筒温度变化的修正系数：(2-16a)(2-16b) (2-17)式中 Tv井下阀所处位置的预测温度，°F；pti第i级阀位置处的预测油压。四、连续气举设计连续气举设计是根据给定的注气设备条件和油井产能，确定管柱类型、气举点深度、注气量和产量以及气举阀的有关参数及装备要求。1连续气举设计基础一般应先获取的基本资料有：井深及油、套管尺寸（油管尺寸也可优选）；油井生产条件（如出砂、结蜡、结垢等情况，用于选择气举管柱类型）；地面管线尺寸及长度、分离器压力；预期的井口油压；

41、所要求的配产量；可提供的注气压力及气量；油井流入动态（地层平均压力）；生产气油比、含水率；注入气、地层气、原油、水的相对密度；以及原油物性（可选用合适的相关式）资料。多相管流压力计算是气举设计的基础。可以选用多相管流压力梯度图版方便计算。实际设计时，一般选用多相流相关式计算。设计前应注意将现场油管测压资料与图版法或计算得出的管流压力曲线对比，以确定符合实际情况的压力计算方法。2气举装置类型气举装置的类型主要取决于油井采用的是间歇气举方式还是连续气举方式。一般而言，单管柱气举装置主要有开式、半闭式和闭式装置。开式装置仅限于连续气举，而其它二种装置可用于连续气举，也可以用于间歇气举。3连续气举卸载

42、过程1）气举阀的功能为了保证举升时气举阀能够自上而下工作，井筒液柱能逐段卸载，被举井可能在较短注入时间内完成卸载。自上而下各气举阀的主要功能为：（1）顶阀：初期卸载，以降低注气启动压力；（2）卸载阀：工作阀以上压井液的卸载，可以由多个卸载阀串联而成；（3）工作阀：注气点以上持续卸载，正常举升或诱喷，维持正常生产。在工作阀以下，可预计下一级“备用”工作阀，以适应因地层压力下降后，增加举升深度的需要。（4）底阀：用作“备用”工作阀，或用大孔径单流阀以加速闭式或半闭式气举装置的卸载排液，保护或减缓环空液体对卸载阀的刺漏损害。2）卸载过程如图2-21所示，气举装置的卸载过程如下：（1）顶阀露出前，所有

43、气举阀全打开，套管环空液体与油管连通。此时，产层没有压降发生（图a)；（2）顶阀露出，所有阀仍全打开，注入气通过顶阀卸载（图b）；（3）第二级阀露出，所有阀仍全打开，注入气通过顶阀和第二级阀继续卸载（图c）；（4）顶阀关闭，其余阀全打开。在第三级阀露出前，注入气通过第二级阀进入油管并卸载（图d)；（5）第三级阀露出，顶阀仍关闭，第四只阀仍打开，注入气通过第二、三级阀进入油管（图e)；（6）顶阀和第二级阀关闭；第三、四级阀仍打开，注入气通过第三级阀进入油管，卸载继续进行（图f）。第四级阀（底阀）仍在液面以下，若在此注气压力和注气量条件下，排液能力已达到装置设计的生产能力，表明卸载成功，底阀不会露

44、出液面。图2-21 连续气举的卸载过程4. 确定注气点深度根据油井资料，可分析气举系统的可行性和确定注气点深度，如图2-22所示。只有当总气液比的流压梯度曲线和注气压力梯度曲线相交时，才是可行的，二曲线交点称为油套压平衡点。再根据工作压差Dp确定注气点深度，工作压差即为注气点处套管内与油管压力之差。图2-22 注气点深度注气量，104m3/dSIPR图2-23气举井节点分析 图2-24 气举动态曲线气举系统的可行性取决于工作压差是大于还是小于所要求的流动压差。流动压差必须大于过阀压差。如果工作压差大于所要求的流动压差，则可行，否则不可行。如果气举系统在给定条件下是可行的，那么开始进行下一步工作

45、；如果不可行，则要确定其可行条件。要解决这一问题，一是提高注气压力，以便在注气点深度获得要求的流动压差；二是通过改变注气量来改变油压，不同注气量下的油压变化如图2-22中曲线D所示。确定注气点深度可采用图解法（图2-22）说明其步骤：（1）作压力深度图，纵坐标为深度，横坐标为压力；（2）根据平均地层压力和设计产液量QL按该井的流入动态曲线确定其井底流压pwf； （3）从井底流压pwf处向上延伸作注气量为0的管流压力梯度曲线A； （4）在井口（井深为0）处标出地面注气工作压力pko，并向下延伸作注气压力梯度（工作套压）曲线B；（5）标出工作套压B与油管流压梯度曲线A相交的平衡点位置；（6）根据给

46、定的工作压差p确定注气点深度。5. 连续气举系统分析连续气举系统分析（节点分析）主要用于分析该系统中的注气量、油管尺寸、出油管线尺寸和井口压力（或分离器压力）等参数对单井系统动态的影响，优化单井或井组参数。1）节点分析方法连续气举井较自喷井多一注气通道，下面以注气点为解节点为例，说明其系统分析基本步骤：（1）设定一系列不同的产液量QL，对每一QL从地层沿井筒向上计算节点流压p1，并作节点流入曲线SIPR，如图2-23中所示。（2）改变注气量Qingi（i1，2，3，），对每一QL从分离器（或井口）逆流体流动方向计算节点压力p2，在同一图上做节点流出曲线。（3）求节点流入（SIPR）曲线与不同注

47、气量下的节点流出曲线的交点，由此获得注气量与产液量的关系曲线，即气举动态曲线，如图2-24所示。（4）改变某一工艺参数（如注气点深度、油管尺寸、出油管线尺寸、分离器压力和油压等）进行敏感性分析，为选择经济可行的系统工艺参数提供技术依据。2）气举动态曲线连续气举井生产时的注气量与产液量关系曲线称为气举动态曲线，也称气举特性曲线，如图2-24所示。实际应用时，在给定井口油压和注气点深度情况下，应用节点分析方法可求得不同产液量对应的注气量。若改变产液量就可求得在给定井口油压下一系列的注气量值，将此产液量与注气量值对应点绘成曲线，即得气举井的“理论动态曲线”。根据生产资料改变注气量，可测试出对应产液量

48、，从而获得气举井生产动态曲线。气举生产动态曲线表示单井生产的注气量与产液量的关系。井组的注气量与井组的产液量的关系，是气举井组的气举生产动态。单井或井组的气举动态曲线是优化生产，优化配气的依据，也是气举井生产分析、气举井优化设计的基础。图2-24气举动态曲线有以下两个特殊点，即最大产液量点和经济注气量点。1）最大产液量最大产液量对应于极限气液比的注气量，此时举升管流压梯度最小。如果气液比大于这一值，则流压梯度反而增大，井底流压增大，油井生产压差变小，油井产量降低。因为随着气液比从小变大，流体密度会降低，但摩阻压降增大，继续增加气液比，会使摩阻压降急剧增大。因此，极限气液比为摩阻压降的增加将抵消

49、静水压力减小的那个气液比值。可见，油井用过大的注气量来提高产液量并不是最经济的方法。2）经济注气量Milchell等人结合注气增量成本与产液增量利润的对应关系，在给定条件下（如油压不变）连续气举生产过程中，提出了经济总气液比的概念。由单位注气增量举升原油所获得利润，恰好等于该单位增注的气体成本，此时的总气液比就是经济气液比。如果注气量处于最经济值，则用于提高总气液比单位增量的成本，也就等于增产油量所获得的利润。应用经济气液比这一概念，结合气举动态曲线，可以获得气举井经济注气量和对应的最佳产液量。3）确定注气压力注气压力的大小对气举井的生产和效率具有重要影响，若注气压力选择过高，会造成压缩机及其

50、它设备不必要的浪费；而压力过低，可能造成气举效率降低及油井的潜能得不到充分发挥。确定注气压力的基本原则如下：（1）必须将气体注到接近地层顶部的深度位置；（2）有足够的压力超过所要求井底流压，以便造成足够的压差使气举阀能通过所要求的注气量。对于高压、高采油指数井，注气压力应明显增大。一般情况下，井口所需的注气压力取决于压缩机的供气压力。应根据地面注气管网和相关设备综合考虑，以提供经济、有效的气举生产条件。6. 连续气举布阀设计连续气举布阀设计的主要内容是：确定注气点以上所需气举阀数量及下入深度，气举阀的尺寸及调试参数等。连续气举设计方法很多，下面分别介绍常用的变地面注气压力法和定地面注气压力法。

51、1）变地面注气压力方法图2-25 变地面注入压力设计法变地面注气压力设计法也称降低注气压力设计法，或称套压递减法。其要点是逐级降低打开井下各级气举阀的套管注气压力，以保证通过下一阀注气以后，关闭上部各卸载阀。此方法适用于注气压力操作气举阀。主要优点是可以选择性的打开井下某级气举阀，并使其以上的各级气举阀处于关闭状态，但其缺点是当注气压力不足时，难以获得高产。对于变化的地面注入压力设计法，各阀间的压降值可以是一恒定值，也可以是一变化的值，恒定地降低地面注入压力的方法是以气举阀的孔径相同为基础的。许多气举阀都采用一种孔径的同样类型的气举阀。对于使用2 3/82 7/8油管和1 1/2外径的气举阀，

52、压力降低值应根据气举阀规范确定。在通过下一个阀进气时，使上部各阀仍保持打开状态的可能性为最小。下面采用图解法（图2-25）说明其布阀设计步骤：（1）绘制静液梯度曲线；（2）假设井筒温度分布呈直线并图示；（3）从井口油压起，利用静压力曲线作井口到注气点深度的最小油管压力分布曲线，表示气举情况下气液比最大时的油管压力梯度；（4）若井筒内充满压井液，根据静液梯度Gs由下式计算顶阀位置 （2-12）也可以从井口油压处作压井液梯度曲线与注气压力梯度曲线相交，交点A即顶阀位置；若压井液液面低于井口，顶阀应置于静液面处；（5）从顶阀位置点向左作水平线与最小油管压力线相交，交点A对应压力即顶阀的最小油管压力；

53、（6）将地面注气压力降低Dp1，作一条平行于注气压力梯度曲线的平行线；（7）从顶部阀最小油压处开始作压井液梯度曲线与减去Dp1的注气压力梯度曲线相交，交点对应深度为第二级阀位置；（8）从第二级阀位置向左作水平线与最小油管压力线相交，交点压力即第二级阀的油管压力；（9）将地面注气压力降低（Dp1+Dp2），作注气压力梯度曲线的平行线；（10）重复第（6）至（8）步骤，用同样方法确定以下各级阀的位置，一直计算到注气点深度以下为止。2）定地面注气压力设计方法图2-26 定地面注入压力设计法定地面注气压力设计法也叫可变流压梯度设计法，油压递增法，或可变流压梯度设计法。其实质是增加产液的流压梯度，作法是

54、选择一个拟井口压力，作一条辅助产液流压梯度曲线，然后确定各级气举阀位置。气举阀必须对流动油压特别敏感，该方法适用于液压操作气举阀。若用气压阀，则气压阀应至少有20%25%的油管效应系数，这是因为气举阀的打开或关闭是由阀处的流动油压而不是注气压力来决定。该设计方法的主要优点，一是对其以下各级阀无需降低注气压力，可利用整个注气压力，在所要求的产量下进行生产，特别适用于低注气压力系统；二是当油井在所要求的注气点生产时，其上面的各级阀均处于关闭状态，且其以上各级阀的流压均小于它们所要求的打开压力，这就为需要一个高的流压才能打开的气举阀提供了充分的保险措施。该设计方法的缺点是当气举阀TEF值小于0.1或

55、更小时，井下工作则不可靠。定地面注入压力方法确定液压阀的分布计算步骤如下（图2-26）：（1）按适当比例尺，建立起压力深度、深度流动温度的坐标系。依给定的井口流压和设计产量的计算结果，给出井筒内流动压力分布线A，环空中注气压力分布线B和井筒内温度分布线C；（2）确定注气点处的深度、流动压力、环空注气压力和井筒内的流动温度；（3）在井口处，取压力为pwh+0.2pso的点与注气点处的油压连成直线，作为阀设计油压线D。该设计油压线代表每个气举阀深度处的转移流动油压； （4）为确定顶阀位置，作一条井内液体的静压梯度线E,此线从井口压力pwh开始，交于注气启动压力的pko分布线，则此交点处的深度即为顶

56、部阀的深度，该处的压力为顶阀的注气压力，该处温度即为顶部阀的温度；（5）由上述交点处向左作水平线，并与设计油压线相交，此交点处的压力即为顶阀的设计油压；从此交点起作一条与井内流体静压梯度线平行的直线F，并与注气工作压力pso分布线相交。此交点处的深度、压力和温度即分别为第二级阀的深度、注气压力和井内温度。（6）重复第（5）步，即可取得第二级阀的设计油压值和其余阀的深度、注气压力和井内温度；（7）归并与底阀。若注气点以下仍打算布一备用阀，则备用阀的位置应在注气点处的工作阀以下。为了保证有一个阀位于注气点以下，必要时需要将阀的分布进行调整分布归并。归并时应以气举阀的工作特性参数阀距pv或阀的工作压

57、差p为依据。(2-19)6. 确定气举阀相关参数（1）确定各阀的注气压力（打开压力）pvo和流压pt及对应温度。（2）阀尺寸的选择。在许多采用气举的油田，都有一套实用于油井的标准化阀孔确定方法（如图版法）。一般是采用梯度曲线确定各个阀的气液比和注气量，根据阀上、下游压力按气体嘴流公式计算阀的孔径。若用查图法求阀孔直径，需对注气量进行校正，气体流量修正系数可查图或按井下温度T和气体相对密度rg用下式计算：(2-20)根据嘴流公式或相应图版选择气举阀尺寸，阀尺寸不可太小，否则不能通过足够的气量，使高产的气举装置无法卸载。一般工作阀的尺寸通常应比最后一级卸载阀大一个尺寸，以保证井卸载后的正常作业。（3）确定各阀的关闭压力pvc和最小流压以及充气压力和地面调试压力。【例2-1】油层中部深度2438.4m处温度66.8°C，井口流压0.68MPa，地层平均压力17.24MPa，油井无水产