石油工程课件自喷与气举采油

第二章

自喷与气举采油核心知识点:（1）节点分析方法的原理和基本步骤；（2）节点分析方法在自喷井生产系统分析中的作用；（3）气举采油的原理及其启动过程的特点；（4）气举生产系统的设计方法。

人工举升采油自喷采油采油方法分类人工给井筒流体增加能量将井底原油举升至地面的采油方式。利用油层自身能量将原油举升到地面的采油方式。采油方法：将流到井底的原油采至地面所用的工艺方法和方式。

人工举升采油有杆泵采油无杆泵采油常规有杆泵采油地面驱动螺杆泵采油气举采油电动潜油离心泵采油水力活塞泵采油电动潜油螺杆泵采油水力射流泵采油柱塞泵采油（1）什么是自喷采油？（2）最经济的采油方式是什么？第一节自喷井生产设备及工艺流程第一节自喷井生产设备及工艺流程

为了使自喷井保持正常生产，必须在井口安装能够控制、调节油气产量的井口装置。能控制和调节自喷井油气产量并把产出的油气进行集输的设备称为自喷井的井场流程。在多油层开采条件下，需要进行分层开采。本节介绍自喷井的生产设备、工艺流程和分层开采生产管柱。本节主要介绍以下内容：（1）自喷井井口装置；（2）自喷井流程；（3）自喷井分层开采生产管柱。一、自喷井井口装置目前现场使用的井口装置种类较多，其结构都是由套管头、油管头和采油树三部分组成

（1）套管头套管头是连接套管和各种井口装置的一种部件。用以支持技术套管和油层套管的重力，密封各层套管间的环形空间，为安装防喷器、油管头和采油树等上部井口装置提供过渡连接。套管头在井口装置的下端，由本体、套管悬挂器和密封组件组成。图2-2为连接两层套管的套管头结构。（2）油管头：装在套管头的上面，它包括油管悬挂器和套管四通。油管悬挂器的作用是悬挂井内油管柱，密封油管与油层套管间的环形空间。目前油田上普遍采用的油管头如图2-3所示。顶丝法兰盘装在套管四通上，油管挂坐在顶丝法兰的座上，并起到挤压盘根密封油、套环形空间的作用，同时起到卡住油管，防止井内压力太高时将油管柱顶出的作用。(3)采油树采油树是指油管头以上的部分，它的作用是控制和调节油井的生产，引导从井中喷出的油气进入出油管线，实现下井工具设备的起下等。采油树的主要部件如下：①总闸门②生产闸门③清蜡闸门④节流阀其作用是控制自喷井的产量，有可调式节流阀和固定式节流阀两种。采气树上使用可调式节流阀，采油树上使用固定节流阀（油嘴）。二、自喷井流程

油、气在井口所通过的能控制和调节油、气产量并把产出的油、气进行集输的一套设备称为自喷井的井场流程。一般自喷井井场流程有以下的作用：控制和调节油井的产量；录取油井的动态资料。一般最简单的井口流程是一套能控制、调节油、气产量的采油树，及油、气混输的管线和设备，如图2-6所示。三、自喷井分层开采生产管柱

（1）分层开采的目的意义油井分层开采，水井分层配注，都是为了在开发好高渗透层的同时，充分发挥中、低渗透层的生产能力、调整层间矛盾。（2）分层开采的方法

自喷分层开采可分为单管封隔器分采、双管分采和油套分采三种方式。单管分层开采钢材消耗较少，分采的层数较多，我国油田仍然多采用单管分层开采。单管分层开采生产管柱主要是由封隔器、配产器和油管串接起来的管柱结构。封隔器的主要作用是：封隔油、套环形空间，把各油层封隔成独立的开采系统。配产器的主要作用是：控制所对应油层的生产压差，实现各层段的定量配产开采。本节小结

（1）目前现场使用的井口装置种类较多，其结构都是由套管头、油管头和采油树三部分组成。（2）一般自喷井井场流程的作用是控制和调节油井的产量、录取油井的动态资料。（3）油井分层开采，水井分层配注，都是为了在开发好高渗透层的同时，充分发挥中、低渗透层的生产能力、调整层间矛盾。（4）分层开采可分为单管封隔器分采、双管分采和油套分采三种方式，我国油田多采用单管分层开采。（5）单管分层开采生产管柱主要是由封隔器、配产器和油管串接起来的管柱结构。第二节自喷井节点系统分析一、自喷井生产系统组成自喷井生产的四个基本流动过程地面水平或倾斜管流地层渗流井筒多相管流嘴流—生产流体通过油嘴(节流器)的流动,通过油嘴直径的大小控制产量完整的自喷井生产系统的压力损失示意图油藏中压力损失穿过井壁(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管线总压力损失，包括和油管总压力损失，包括和油藏压力井底流压油压回压套压地面出油管线的压力损失完整的自喷井生产系统的压力损失示意图穿过地面油嘴的压力损失回压Ph油藏压力Pe井底流压Pwf油藏中的压力损失＝Pe－Pwf油压Pt井筒中的压力损失＝Pwf－Pt地面出油管线中的压力损失＝Ph－Psep分离器压力Psep嘴损＝Pt－Ph油井自喷生产的条件油气水混合物从地层流至计量站分离器总的压力损失为：生产压差＋井筒损失＋油嘴损失＋地面管线损失油井自喷生产的条件（1）从油层到井底的地下渗流该阶段压力损失占整个流动过积压力总损失的10%～15%。（2）从井底到井口的垂直或倾斜管流该阶段压力损失占总压降的30%～80%。（3）经油嘴流出井口的嘴流井筒流体通过油嘴节流后的压力损失一般占总压降的5%～30%（4）通过地面出油管线流至集油站分离器的近似水平管流该阶段压力损失一般占总压降的5%～10%。二、自喷井节点分析节点系统分析法：应用系统工程原理，把整个油井生产系统分成若干子系统，研究各子系统间的相互关系及其对整个系统工作的影响，为系统优化运行及参数调控提供依据。

自喷井生产系统节点位置节点系统分析对象：整个油井生产系统自喷井生产系统组成：油藏渗流子系统井筒流动子系统油嘴(节流器)流动子系统地面管流子系统节点系统分析实质：协调理论在采油应用方面的发展协调条件质量守恒能量(压力)守恒热量守恒节点可分为普通节点和函数节点两类。普通节点：一般指两段不同流动过程的衔接点，在这类节点处不产生与流量有关的压降。函数节点：在函数节点上的压力是不连续的，液流穿过函数节点时产生压降，其压降的大小为流量的函数，故这类节点称为函数节点。节点分析的基本步骤如下：（1）建立油井模型并设置节点（2）求解点的选择求解点位置与系统分析的结果无关。应根据所求解的问题合理选择求解点，通常应选择尽可能靠近分析对象的节点作为求解点。（3）计算求解点上游的供液特征改变产量，从系统的始端开始，沿流动方向按照求解点上游各流动过程的数学模型计算相应的求解点处的压力。（4）计算求解点下游的排液特征改变产量，从系统终端开始，逆流动方向按照求解点下游各流动过程的数学模型计算相应的求解点处的压力。（5）确定生产协调点根据求解点上、下游的压力与产量的关系，在同一坐标系中绘制出求解点上游压力与产量的关系曲线和求解点下游压力与产量的关系曲线。流入、流出曲线的交点（称协调工作点）即是所给条件下系统可提供的产量与求解点处的压力。求解点的选择：主要取决于所要研究解决的问题。求解点：为使问题获得解决的节点。协调曲线示意图节点流入曲线节点流出曲线协调点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，协调点上下游能够稳定协调工作。

(一)油藏与油管两个子系统的节点分析

管鞋压力与产量关系曲线给定已知条件：油藏深度；油管直径；气油比；含水；油、气、水密度；油藏压力；饱和压力(低于油层压力)及单相流时的采油指数。节点（井底）流入曲线:IPR曲线节点（井底）流出曲线:由井口油压所计算的井底流压与产量的关系曲线。交点：该系统在所给条件下可获得的油井产量及相应的井底流压。1)井底为求解点当油压已知时，可以井底为求解点。Pwf1Pwf2代表在Pwf1下有产量为q1的油流到井底代表在Pwf2下有能把产量为q2的油举升到地面q1q2q1<q2供小于求，油井不协调q3q4q3<q4，供大于求，油井不协调

油压与产量的关系曲线2)井口为求解点设定一组产量，通过IPR曲线A可计算出一组井底流压，然后通过井筒多相流计算可得一组井口油压曲线B。节点（井口）流入曲线：油压与产量的关系曲线IPR曲线Pa-Pb是在油管中消耗的压力曲线B的形状：油管的上下压差(Pa-Pb)并不总是随着产量的增加而加大。产量低时，管内流速低，滑脱损失大；产量高时，摩擦损失大，这两种情况均可造成管内压力损耗大。应用：计算出任意产量下的井口油压的大小，并用于预测油井能否自喷。(二)从油藏到分离器无油嘴系统的节点分析方法1)井底为求解点

给定的已知条件：分离器压力；油藏深度；油藏压力；饱和压力(低于油层压力)及单相流时的采油指数J等。由于选取中间节点(井底)为求解点，求解时，要从两端(井底和分离器)开始，设定一组流量，对这两部分分别计算至求解点上的压力(井底流压，亦即油管鞋压力)与流量的关系曲线。生产系统从井底分成两部分：油藏中的流动；从油管入口到分离器的管流系统。简单管流系统求解点在井底的解节点（井底）流入曲线：油藏中流动的IPR曲线；节点（井底）流出曲线：以分离器压力为起点通过水平或倾斜管流计算得井口油压，再通过井筒多相流计算得油管入口压力与流量的关系曲线。交点：在所给条件下可获得的油井产量及相应的井底流压。②研究油井由于污染或采取增产措施对油井产量的影响选取井底为求解点的目的①预测油藏压力降低后的未来油井产量

预测未来产量油井流动效率改变的影响2)井口为求解点地面管线和分离器部分油管和油藏部分生产系统分为地面管线和分离器、油管和油藏两个子系统。求解点在井口的解流出曲线：以分离器压力为起点计算地面管流动态曲线。流入曲线：油藏压力为起点计算不同流量下的井口压力，即油管及油藏的动态曲线。交点：产量及井口压力。求解点选在井口的目的：研究不同直径油管和出油管线对生产动态的影响，便于选择油管及出油管线的直径。不同直径的油管和出油管线的井口解3)分离器为求解点

分离压力与产量关系以油藏为起点，分离器为终点，计算并绘制分离器压力与产量关系曲线交点：给定分离器压力下的产量分离器压力对不同油井产量的影响研究分离器压力油井生产的影响说明：分离器压力对后续工程设备选择和效率有影响，需要进行经济技术的综合考虑。求解点选在分离器处的目的：4)平均油藏压力为求解点

变化的影响以油藏压力为求解点的目的：①研究在给定条件下油藏平均压力对油井生产的影响②预测不同油藏平均压力下的油井产量。分离器压力→井口压力→井底压力→油藏平均压力,油藏平均压力与流量关系曲线。假设一组产量一般地，功能节点位置上装有起特殊作用的设备，如油嘴、抽油泵等。油井生产系统中，当存在功能节点时，一般以功能节点为求解点。(压降的大小为流量的函数)(三)从油藏到分离器有油嘴系统的节点分析方法自喷井三个流动过程关系①根据设定产量Q，在油井IPR曲线上找出相应的Pwf；②由Q及Pwf按垂直管流得出满足油嘴临界流动的Q∼Pt油管曲线B；③油嘴直径d一定，绘制临界流动下油嘴特性曲线G；④油管曲线B与油嘴特性曲线G的交点C即为该油嘴下的产量与油压。

有油嘴系统以油嘴为求解点的节点分析方法的步骤：油层渗流消耗的压力油管流动消耗的压力Pt1EG<EC在Pt1油压下能提供的压差为Pf-Pt1在井筒中举升产量为Q时所需要的压差 (四)节点分析在设计及预测中的应用①先绘出满足油嘴临界流动的Pt～Q油管工作曲线B；1.不同油嘴下的产量预测与油嘴选择图2-23不同油嘴直径时的产量②作出相应的油嘴曲线；③根据交点所对应的产量确定与之对应的(或较接近的)油嘴直径。油压较低时，大直径油管的产量比小直径的要高；原因：原油在大直径油管中的摩擦损失较小油压高时，大直径油管的产量比小直径的要低。原因：大直径管中滑脱损失使总损失增大2.油管直径的选择不同油管直径对产量的影响由此可见，在某种条件下，大直径油管不一定比小直径油管的产量高。当油嘴直径不变时，油藏压力降低后产量随着降低，如果要保持原来的产量，就必须换用较大的油嘴直径。3.预测油藏压力变化对产量的影响油藏压力下降对产量的影响地层压力Pr连续下降，相应的油管曲线要向横轴方向移动，若要求油压大于一定值生产，则在纵轴上沿油压值点做水平线，若水平线与油管曲线不相交，则表明油井不能自喷生产。4.停喷压力预测停喷压力预测油压流压小结（1）自喷井生产过程一般要经过四个基本流动过程：油层中的渗流、井筒中的多相管流、嘴流和在地面管线中的多相管流。（2）油井连续稳定自喷条件：四个基本流动过程相互衔接又相互协调起来。（3）掌握节点分析方法的概念和一般步骤。（4）掌握以井口为解节点（井口安装油嘴）求解点的节点分析方法步骤。(5)为了保证自喷井生产的稳定性，对有油嘴系统的设计要求嘴流达到临界流动条件。第二节气举采油本节主要介绍以下内容：（1）气举采油原理；（2）气举方式及井下管柱；（3）气举启动压力与工作压力；（4）气举阀工作原理、作用与分类等第二节气举采油①必须有足够的气源；②需要压缩机组和地面高压气管线，地面设备系统复杂；③一次性投资较大；④系统效率较低。

利用从地面向井筒注入高压气体将原油举升至地面的一种人工举升方式。气举定义：优点：井口和井下设备比较简单缺点：高产量的深井；气油(液)比高的油井；定向井和水平井等。适用条件：一、气举采油原理原理：依靠从地面注入井内的高压气体与油层产出流体在井筒中混合，利用气体的膨胀使井筒中的混合液密度降低，将流到井内的原油举升到地面。气举采油系统示意图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。主要用于油层供给能力差，产量低的油井。气举分类（按注气方式分）气举连续气举将高压气体连续地注入井内，排出井筒中液体。适应于供液能力较好、产量较高的油井。间歇气举容易造成地面注气压力波动，影响其它气举井的正常生产。（2）气举管柱结构

简单而又常用的单管气举管柱分为：开式装置、半闭式装置、闭式装置(a)开式装置；(b)半闭式装置；(c)闭式装置适合于液面较高的连续气举井避免液面下降造成注入气从套管窜入油管和重新排液固定阀：在间歇气举时，阻止油管内的压力作用于地层。二、气举启动①当油井停产时，井筒中的积液将不断增加，油套管内的液面在同一位置，当启动压缩机向油套环形空间注入高压气体时，环空液面将被挤压下降。

(1)启动过程气举井（无气举阀）的启动过程a—停产时②如不考虑液体被挤入地层，环空中的液体将全部进入油管，油管内液面上升。随着压缩机压力的不断提高，环形空间内的液面将最终达到管鞋（注气点）处，此时的井口注入压力为启动压力。启动压力:当环形空间内的液面达到管鞋(注气点)时的井口注入压力。

气举井（无阀）的启动过程

b—环空液面到达管鞋③当高压气体进入油管后，由于油管内混合液密度降低，液面不断升高，液流喷出地面。气举井的启动过程

c—气体进入油管①压缩机向油套环形空间注入高压气体，随着压缩机压力的不断提高，环形空间内的液面将最终达到管鞋（注气点）处，此时的井口注入压力为启动压力。②当高压气体进入油管后，由于油管内混合液密度降低，井底流压将不断降低。(2)气举过程中压缩机压力变化③当井底流压低于油层压力时，液流则从油层中流出，这时混合液密度又有所增加，压缩机的注入压力也随之增加，经过一段时间后趋于稳定(气举工作压力)。气举井启动时的压缩机压力随时间的变化曲线（3）启动压力计算第一种情况：不考虑液体被挤入地层，而且当环空液面降低到管鞋时，液体并未从井口溢出，启动压力与油管液柱相平衡。即第二种情况：不考虑液体被挤入地层，其静液面接近井口，环形空间的液面还没有被挤到油管鞋时，油管内的液面已达到井口，液体中途溢出井口。此时，启动压力就等于油管中的液柱压力:第三种情况：当油层的渗透性较好，且被挤压的液面下降很缓慢时，从环形空间挤压出的液体有部分被油层吸收。在极端情况下，液体全部被油层吸收，当高压气到达油管鞋时，油管中的液面几乎没有升高。在这种情况下，启动压力由油管中静液面下的沉没深度确定，即：一般情况下，气举系统的启动压力介于

和

之间。三、气举阀(一）气举阀工作原理气举生产过程中，由于启动压力较高，这就要求压缩机额定输出压力较大，但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，势必造成压缩机功率的浪费，增加投入成本。为了降低压缩机的启动压力与工作压力之差，必须降低启动压力。气举阀的作用：逐步排出油套环形空间的液体；

降低启动压力。气举阀实质：一种用于井下的压力调节器阀关闭条件：阀打开条件：压力调节器结构示意图来自油管来自套管气举阀的作用：(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，以适用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的分类：(1)按压力控制方式分：节流阀、气压阀（套压操作阀）、液压阀、（油压操作阀）、复合控制阀（2）按井下所起作用分：卸载阀、工作阀和底阀(3)加载方式分：充气波纹管气举阀和弹簧气举阀（4）安装作业方式分：固定式和投捞式(二）几种常用的气举阀简介(1)气压阀：充气波纹管气举阀（广泛使