石油工程概论讲义13(120409)课件

1、石油工程概论（采油工程）石油工程学院蒲春生2012.04课程内容简介采油方法增产措施自喷采油气举采油有杆泵采油无杆泵采油注水酸化、酸压砂、蜡、水、稠、低水力压裂油层的性质及储量编制油田开发方案油田开发工程提高采收率方法制定油田开发方案采油工艺物理方法化学方法主要参考书张琪采油工程原理与设计(石油大学出版社)王鸿勋，张琪采油工艺原理(石油工业出版社)王瑞和，李明忠石油工程概论(石油大学出版社)吴晓东，刘亚军石油工程概论(石油大学出版社)绪 论采油工程的定义 油田开发是一项庞大而复杂的系统工程，采油工程是其重要的组成部分和实施的核心。油田开采过程中根据开发目标，通过产油井和注入井对油藏采取的各项工

2、程技术措施的总称。什么是采油工程?绪 论采油工程系统的组成人工建造系统：井底、井筒、井口装置、采油设备、注水设备以及地面集输、分离和储存设备等。 油藏：具有一定储存和流动特性的孔隙或裂缝介质系统。原油流入井底经济有效举升地面分离计量经济有效地提高油井产量和原油采收率采油工程目标采油工程任务绪 论采油工程的任务、目标绪 论采油工程的方法采油工程的方法通过对注水井和采油井采取的一系列措施，保持油田的稳产、高产，实现油田的开发指标。绪 论采油工程特点 涉及的技术面广、综合性强而又复杂 与油藏工程、地面工程和钻井工程等紧密联系 工作对象是随油藏动态不断变化的注水井与采油井 工程实践性强、技术难度大 涉

3、及油田开发的重要决策和经济效益采油方法有杆泵采油 无杆泵采油 机械采油自喷采油气举法采油 深井泵采油 绪 论采油方法绪论完油井流入动态与井筒多相流动第一章油井生产系统 1分离器2地面油嘴3井口4安全阀5节流器6井底流压7平均压力8地层压力9集输管网10油罐第一节 油井流入动态（IPR曲线） 采油系统的四种基本流动：地层内渗流(PrPwf)油嘴内流动 (PtPB)地面管道内流动(PBPsep)垂直管内流动(Pwf Pt)油井流入动态(地下渗流)泡、段塞、环、雾流等嘴流多相水平管流基本概念1、油井流入动态 油井产量与井底流动压力的关系。它反映了油由地层向井底流动的能力，受油藏压力、油层物性、流体物

4、性、完井质量等对油层渗流规律的影响，是采油工程与油藏工程的衔接点。通过油井流入动态研究为油藏工程提供检验资料；为采油工程的下一步工作提供依据；检查钻井、固井、完井和各项工艺措施等技术水平的优劣。基本概念2、油井流入动态曲线（IPR曲线） （Inflow Performance Relationship Curve) 表示产量与井底流压关系的曲线，简称IPR曲线。3、采油(液)指数 （J)J的确定 改变油井工作制度，当油井稳定生产后，测定一系列流压与产量值绘成一条直线，该直线斜率的负倒数即为采油指数J 单位生产压差下的油井产油(液)量，反映油层性质、厚度、流体物性、完井条件及泄油面积等与产量有关

5、的综合指标基本概念4）求解地层参数Kh值（由采油指数J确定）3）油田最大可能产量qmax2）预测地层平均压力Pr1）预测不同流压下油井日产量选择抽油方式、地面设施、油田配产IPR曲线的应用供给边缘压力不变，圆形地层中心一口井产量公式转化为地层平均压力1、单相油流的流入动态直线型2、圆形封闭油藏，拟稳态条件下的油井产量公式单相油流的流入动态直线型分析：目的的关系在单相油流条件下公式可简化为其中常数成正比，构成一条斜率为采油指数的负倒数的直线。单相油流的流入动态直线型一节完井筒多相流理论：研究各种举升方式油井生产规律基本理论研究特点：流动复杂性、无严格数学解研究途径：基本流动方程 实验资料相关因次

6、分析 近似关系第二节 井筒气液两相流基本概念流动型态（流动结构、流型）： 流动过程中油、气的分布状态。(一)气液混合物在垂直管中的流动结构 纯液流 当井筒压力大于饱和压力时，天然气溶解在原油中，产液呈单相液流。影响流型的因素： 气液体积比、流速、气液界面性质等。滑脱现象： 混合流体流动过程中，由于流体间的密度差异，引起的小密度流体流速大于大密度流体流速的现象。 如：油气滑脱、气液滑脱、油水滑脱等。特点：气体是分散相，液体是连续相； 气体主要影响混合物密度，对摩擦阻力影响不大； 滑脱现象比较严重。泡流 井筒压力稍低于饱和压力时，溶解气开始从油中分离出来，气体都以小气泡分散在液相中。段塞流 当混合

7、物继续向上流动，压力逐渐降低，气体不断膨胀，小气泡将合并成大气泡，直到能够占据整个油管断面时，井筒内将形成一段液一段气的结构。特点：气体呈分散相，液体呈连续相； 一段气一段液交替出现； 气体膨胀能得到较好的利用； 滑脱损失变小； 摩擦损失变大。环流 油管中心是连续的气流而管壁为油环的流动结构。特点：气液两相都是连续相； 摩擦损失变大； 滑脱损失变小； 气体举油作用主要是靠摩擦携带。雾流 气体的体积流量增加到足够大时，油管中内流动的气流芯子将变得很粗，沿管壁流动的油环变得很薄，绝大部分油以小油滴分散在气流中。特点：气体是连续相，液体是分散相； 气体以很高的速度携带液滴喷出井口； 气、液之间的相对

8、运动速度很小； 气相是整个流动的控制因素。总结： 油井生产中可能出现的流型自下而上依次为：纯油(液)流、泡流、段塞流、环流和雾流。 实际上，在同一口井内，一般不会出现完整的流型变化。 油气沿井筒喷出时的流型变化示意图纯油流；泡流；段塞流；环流；雾流实际计算：直接求存在滑脱混合物密度或包括滑脱在内的摩擦阻力系数。(二)滑脱损失概念因滑脱而产生的附加压力损失称为滑脱损失。单位管长上滑脱损失为：气液两相流流动断面简图滑脱损失的实质： 液相的流动断面增大引起混合物密度的增加。二章完自喷与气举采油第二章第一节 自喷采油 1、自喷采油的定义利用油层本身的能量将油举升到地面的方式。2、自喷采油的特点井筒和地

9、面设备简单。井筒设备：油管、封隔器、配产器等；地面设备：井口装置、油气分离器等。油藏中的压力损失 穿过井壁(射孔孔眼、污染区)的压力损失 穿过井下节流器的压力损失 穿过井下安全阀的压力损失 穿过地面油嘴的压力损失 地面出油管线的压力损失 油井自喷的条件、产量油井能否自喷？自喷的产量如何？ 取决于地层中的石油所具有的能量是否大于自喷井中四个流动过程的能量损失之和。 地层能量 能量损失之和 自喷地层能量与能量损失之和的差值越大，产量越大。 自喷井的管理1、对自喷井进行优化设计目标：合理利用能量，使油井各油层的产量和全井产量达到配产要求。内容：选择油管直径、油嘴直径、配产器、封隔器以及油井管柱结构等

10、。基础：要了解油井的产能，即油井的地层压力和采油指数自喷井的管理2、加强对油井生产动态的监测 设计是否达到设计要求，了解各生产参数随时间的变化。监测参数：产油、产气、产水、井口油压、套管压力、温度，有条件要定期测井底流压，并对产出的油、气、水进行化验分析。自喷井的管理3、对油井进行分析 油井产能变化产能增加正常注水见效不正常井下配产器或封隔器出问题产能减小油层压力下降、油井附近堵塞、油嘴堵塞、油管结蜡等。自喷井的管理3、对油井进行分析含水发生变化如果含水突然很快增高，原因：油层水淹、底水锥进、配产器或封隔器出问题流压、套压、油压发生变化正常生产时在一定范围内波动；若一个或几个压力发生较大变化，

11、可能是油井一部分发生堵塞，或油嘴脱落等。一节完第二节 气举采油 气举是利用从地面注入高压气体将井内原油举升至 地面的一种人工举升方式。气举采油常用于高产量的深井和含砂少、含水低、气油比高和含有腐蚀性成分低的油井。气举采油的井口和井下设备比较间单，但由于气举需要压缩机组和地面高压气管线，地面设备系统复杂，一次性投资较大，而且系统效率较低，特别是受到气源的限制，一般油田很少采用。气举采油的原理气举采油是从地面向油井内注入高压气体，使气体在井筒内与油层产出流体相互混合，利用注入气体的膨胀使井筒中的混合液密度降低，从而将流入到井筒内的原油举升到地面的一种采油方式。气举采油系统示意图 气举的分类连续气举

12、和间歇气举连续气举就是将高压气体连续地注入井内，排出井筒中液体的一种举升方式。适用条件：供液能力较好、产量较高的油井。 间歇气举就是向井筒周期性地注入气体，推动停注期间在井筒内聚集的油层流体段塞升至地面，从而排出井中液体的一种举升方式。适用条件：油层供给能力差，产量低的油井。 气举设计气举设计是根据给定的设备条件(可提供的注气压力及注气量)和油井流入动态(IPR曲线)确定是采用连续气举还是间歇气举。对于不能立即确定究竟采用哪种方式最合适的井，则需要根据油井的具体条件做出不同设计，从技术和经济方面进行综合考虑。 气举设计的内容气举阀的装配要求等气举方式和气举装置类型气举点深度气液比和产量气举阀的

13、位置、类型、尺寸(1) 油层数据：油藏平均压力、油藏平均温度、油井流入动态设计所需基本资料(2) 油井基础数据：井身结构；油、套管尺寸(3) 油井生产数据：产量、含水、生产气油比、注气压力、 注气量、油压(4) 油井生产条件：出砂、结蜡等情况(5) 流体物性：饱和压力、地面原油密度、水的密度、天然气的 相对密度、地面原油粘度、表面张力(6) 地面管线和分离器数据：地面管线尺寸及长度、分离器压力三章完有杆泵采油第三章第一节 抽油装置及泵的工作原理一、抽油装置其它附件设备组成抽油机（地面）抽油杆（传动动力）抽油泵（井筒内） 工作时，动力设备的高速旋转运动通过减速箱和游梁连杆曲柄转化成抽油机驴头的低

14、速往复运动，通过抽油机带动井下深井泵作上下往复运动，把油抽到地面。1、抽油机 抽油机是有杆深井泵采油的主要地面设备，它将电能转化为机械能，包括游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种。组成游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置工作原理分类后置式和前置式1、抽油机（游梁式）1刹车装置;2电动机;3减速箱皮带轮;4减速箱;5输入轴;6中间轴;7输出轴;8曲柄;9连杆轴;10支架;11曲柄平衡块;12连杆;13横梁轴;14横梁;15游梁平衡块;16游梁;17支架;18驴头;19悬绳器;20底座 1、抽油机（无游梁式）2、抽油杆：能量传递工具1-外螺纹接头；2-卸荷槽；3-推承面台肩；4-扳手方径；

15、5-凸缘；6-圆弧过渡区直径：5/8”、3/4”、7/8”、1”种类：实心、空心、钢、玻璃钢3、抽油泵：机械能转化为流体压能的设备工作筒(外筒和衬套)、柱塞游动凡尔、固定凡尔a.结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠；b.制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长；c.规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强；d.便于起下；e.结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助设备。一般要求管式泵和杆式泵（按与油管连接方式）主要组成分类泵的类型：管式泵、杆式泵B-杆式泵A-管式泵1油管；2锁紧卡；3柱塞4游动凡尔；5工作筒；6固定凡尔 （1）管式抽油泵：缺点工作筒在地面组装好后接在油管柱下端，随油管一起下

16、入井内，然后投入固定凡尔，最后把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵筒内。特点优点结构简单，制造成本低，在相同油管直径允许下入的泵径较杆式泵大，因而排量大。检泵时要起出全部油管，费工费时，适用于浅井、大排量（高产）、中等下泵深度的油井。（2）杆式抽油泵：下泵深度较大的低产油井缺点把活塞、固定凡尔和工作筒组装成一个整体，接在抽油杆柱的下端整体通过油管下入井内特点优点检泵、提泵时不必起出油管，大大缩短了作业时间，同时没有固定凡尔打捞装置，余隙小，适用于含气井。结构复杂，成本高，相同油管直径允许下入的泵径小。二、泵的工作原理（一）泵的抽汲过程 抽油杆柱带活柱塞一起向上运动，由于油管内活塞以上的液柱压力作用在柱

17、塞上，游动阀受管内液柱压力而关闭，液体排出井口。泵内进液的条件： 泵内压力(吸入压力)低于沉没压力。1、上冲程 泵内压力降低，固定阀在环形空间液柱压力(沉没压力)与泵内压力之差的作用下被打开,液体进入泵内。2、下冲程 柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭。泵内压力增加，当泵内压力大于柱塞以上液柱压力时，游动阀被顶开。泵排出的条件： 泵内压力(排出压力)高于柱塞以上的液柱压力。柱塞上下抽汲一次为一个冲程，在一个冲程内完成进油与排油的过程。 光杆冲程(S)：光杆从上死点到下死点的距离。 柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞上部，使泵向油管排出液体。二、泵的工作原理（二)泵的理论排量及泵效 在一个冲程内，排

18、出的液体体积： 每分钟的冲数为N，则每分钟排量： 每日排量: (理论排量)泵效： 实际产量Q与理论产量Qt的比值（二)泵的理论排量及泵效 在实际生产中，由于油管、抽油杆的弹性伸缩、气体进泵、砂、蜡等各种因素影响，实际产量往往小于理论排量Qt 。 泵效的大小反映了泵的工作状况，泵效越大，泵的工作条件越好。第二节 抽油机悬点运动规律 游梁式抽油机是以游梁支点和曲柄轴中心线为固定杆，以曲柄、连杆和游梁后臂为三个活动杆的四连杆结构，为了便于分析，常简化为简谐运动和曲柄滑块运动机构进行分析。 抽油机四连杆机构简图固定杆曲柄连杆游梁后臂一、简化为简谐运动时悬点运动规律假设条件：r/l0、r/b0 抽油机四

19、连杆机构简图 游梁和连杆的连接点B的运动可看做简谐运动，即认为B点的运动规律和D点做圆周运动时在垂直中心线上的投影(C点)的运动规律相同。则B点经过t时间(曲柄转角)时位移为：A点的加速度为:A点的速度为:一、简化为简谐运动时悬点运动规律 以下死点为坐标零点，向上为坐标正方向，则：悬点A的位移为： 抽油机四连杆机构简图简谐运动时悬点位移、速度、加速度曲线一、简化为简谐运动时悬点运动规律悬点的速度和加速度在一个冲程内大小和方向都发生改变。下冲程（18003600）：前半冲程为加速运动（1802700）后半冲程为减速运动（27003600）上冲程（01800 ） ：前半冲程为加速运动（0900）后

20、半冲程为减速运动（9001800）上冲程下冲程第三节 抽油机悬点载荷计算悬点所承受的载荷抽油杆的重力活塞上的液柱载荷惯性载荷其它载荷摩擦载荷抽油杆与油管柱塞与衬套抽油杆与液柱液柱与油管液体通过游动凡尔沉没压力井口回压振动1、抽油杆柱的重力上冲程（杆柱在空气中的重力）：下冲程（杆柱在液体中的重力）：2、作用在柱塞上的液柱载荷上冲程 ：游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱引起的 悬点载荷为液体的重量： 下冲程： 游动阀打开，液柱载荷转移于油管，对悬点没 有作用，即液柱对悬点的载荷为零。 如果抽汲的液体为油水混合物时，则液体密度应采用混合物的密度，即：3、惯性载荷(忽略杆液弹性影响) 抽油机运转时，驴头带

21、着抽油杆柱和液柱做变速运动，因而产生抽油杆柱和液柱的惯性力。抽油杆柱的惯性力：液柱的惯性力：油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数 上冲程:前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下，从而增加悬点载荷；后半冲程中加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上，从而减小悬点载荷。悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的。下冲程:由于游动凡尔打开，液柱载荷作用于油管上，对悬点无影响，抽油杆的惯性力与上冲程相反，前半冲程惯性力向上，减小悬点载荷；后半冲程惯性力向下，将增大悬点载荷。3、惯性载荷(忽略杆液弹性影响)4、摩擦载荷(1)抽油杆柱与油管的摩擦力 （杆管）上冲程主要受(1)、(2)、(4)影响

22、，增加悬点载荷(2)柱塞与衬套之间的摩擦力 （柱塞与衬套）(3)液柱与抽油杆柱之间的摩擦力 （杆液）(4)液柱与油管之间的摩擦力 （管液）(5)液体通过游动阀的摩擦力 （阀阻力）下冲程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影响，减小悬点载荷 对于直井，无论是稠油还是稀油，抽油杆与油管、柱塞与衬套间的摩擦力都 不大，一般计算都 可忽略。5、其它载荷沉没压力(泵口压力)对悬点载荷的影响上冲程： 在沉没压力作用下，井内液体克服泵入口设备的阻力进 入泵内，此时液流所具有的压力即吸入压力。吸入压力 作用在柱塞底部产生向上的载荷:下冲程： 吸入阀关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响。井口回压对悬点载荷的影响上冲

23、程：增加悬点载荷下冲程：减小抽油杆柱载荷（沉没压力、井口回压、振动） 泵效即实际产量与理论产量的比值。正常情况下泵效为0.7-0.8，有些带喷的井1，而大数井1,甚至有的低于0.3，其影响因素从泵的三个基本环节（活塞让出体积、原油进泵和泵内排液）可归纳为：第四节 影响泵效的因素及提高泵效的措施(3) 漏失影响(1) 抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩(2) 气体和充不满的影响(4) 体积系数的影响一、泵效及其影响因素泵效：一、泵效及其影响因素活塞冲程小于光杆冲程泵效小于1抽油杆、油管承受交变载荷作用抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩（一）抽油杆和油管弹性伸缩对活塞冲程的影响：3、抽油杆振动对活塞冲程的影响液柱载荷交变作用抽油杆柱变速运动抽油杆柱振动抽油杆柱变形2、惯性载荷对活塞冲程的影响1、静载荷对活塞冲程的影响 在上下冲程中由于活塞以上的液柱重量交替地作用于油管和抽油杆上，引起油管和抽油杆周期性地增载和减载，从而引起弹性伸缩。一、泵效及其影响因素气体对冲满程度的影响（二）气体对泵效的影响 （二）气体对泵效的影响 有利因素： 自喷井刚转抽时，由于压