石油钻采设备及工艺-李振林-§9-1-自喷井采油及设备..ppt

1、9-1 自喷井采油及设备,一、油井自喷基本原理,二、自喷井的采油井口装置,三、自喷井分层配产井下管柱结构,返回,四、油井清腊,油田一切工作的主要目的，就是尽可能将储藏在油（气）层深处的油（气）开采出来，提高采收率，降低开采成本。 按照油层内部的天然能量、油层渗透性能和原油性质等，原油开采的方法有自喷井采油法和机械采油法两大类型。 自喷井采油法是利用地层本身的能量，由井底向地面举升原油； 机械采油法用于不能自喷的油井，主要用机械的方法，提高井下原油的能量，并将其举升到地面，故又称人工举升法采油。,一、油井自喷基本原理,自喷的诱导,钻井作业完成后，原油和天然气还不能自动喷到地面上来，因为这时井眼内

2、还充满着泥浆，液柱作用于井底的压力大于油层压力，油气不能流入井筒内； 同时，钻井和射孔过程中，油层会被泥浆污染，堵塞部分孔隙，也阻碍油气流入井筒内。 因此，采油之前应设法降低井筒内液柱压力，清除堵塞油层的污物，使油气能畅流到地面。这种作业过程叫做诱喷或诱流。,通常采用的诱喷方法有： 替喷法：将油管下入井底，利用洗井机或水泥车把低比重泥浆或清水或原油注入井内，替出井内原有的高比重泥浆，降低井底液柱压力，然后上提油管至油层中部，或者继续在井底向井内注入清水，直至返出的清水中带有大量油花并形成轻微井喷为止。其中，用原油替喷时，一般从油、套管环形空间注入，从油管返出循环洗井液，这样做易于控制井喷和放喷

3、。 抽汲法：替喷后，若油井仍不能自喷，就采用抽汲法，即用一种特制的抽子，在油管内上下高速提放，一方面将井内液体逐渐抽出，进一步减轻井内液柱压力；另一方面，在强大的抽力下，有可能将浸入油层的泥浆、污物等吸出，从而使油井自喷。 气举法：利用移动式压缩机自油管或油、套管环形空间向井内打入压缩气体，使井筒中的液体从环形空间或油管中排出，以减低井底液柱压力。 提捞法：用一个钢管制成的提捞筒下入井内，将井内液体提捞出地面，达到降低井底压力的目的。,经过上述方法诱喷，油井达到自喷后，就打开套管闸门，放喷一个短暂时间，然后改为油管放喷，转入正常采油。,自喷的动力,井底原油能自喷到地面主要是受多种地层驱动力的作

4、用。 当油藏未开发、地层未打开时，油层中的压力处于平衡状态，原油不流动； 一旦地层中钻有油井，并开始生产时，油层内的压力平衡被打破，井底压力低于油层压力。 在地层驱动力的作用下，先将原油从地层内推向井筒， 若还有剩余的能量， 再将井筒内的原油举升到地面。,地层对原油的举升力主要有以下几种： 静水压头： 油层四周与地面水源沟通（左），或油层的底部和四周与水源沟通（右 且油水表面间具有一定的高差，水的静压力驱使油层的原油向井筒内流动。前者称作边水驱动，后者称作底水驱动。,气顶压缩气的膨胀力 油层中，原油中的溶解气量达到饱和状态后，多余的天然气就聚集在油藏顶部形成气顶，处于高度压缩状态（左图）。 当

5、油井生产时，随着油层压力的降低，压缩气体膨胀，推动原油流向井内并喷出。 气顶驱油能量的大小，与气顶体积和气体压缩性等有关。,油层弹性力 当油层投入开发时，由于其压力不断下降，处于压缩状态的含油岩层及其中的各种液体（主要是位于含水区的水）体积膨胀，挤压原油向井筒流动。 溶解气的膨胀力 随着油田的不断开发，地层压力不断下降，当降到低于气体饱和压力时，油层中原油的饱和气就开始膨胀，带动原油一起流入井筒，并携带原油喷出。 重力 到油田开发末期，其它能量逐渐枯竭，原油靠自重从油层高处流向低处，进入油井。 此时，油井就完全无自喷能力了。 油层的地质条件及开采方法不同，主要驱油动力的表现不同，驱油效率不一样

6、。一般说来，水压驱动时，原油的采收率最高，而溶解气驱动和重力驱动时采收率最低。,自喷的流态,自喷过程中，油气在井筒内的流态是动态变化的，分为纯油流、泡流、段塞流、环流和雾状流等。 这主要是因为井筒内不同井段的压力发生变化的缘故。,纯油流：在最下段，井筒内压力高于饱和压力，气体溶解在原油中，油流为单相的运动状态。 泡流：往上，由于井筒内压力稍低于饱和压力，小部分气体从油流中分离，在原油中呈小气泡状态。 段塞流：再往上，井筒内压力更低于饱和压力，气体进一步膨胀，小气泡合并成大气泡，使井筒内出现一段原油一段气体的柱塞状，这时的气体象活塞一样，对油流有很大的举升力。,环流：油流再上升，气体再分离、膨胀

7、，气体柱塞不断加长，逐渐从油管中心突破，形成中心连续气流，而管壁附近则是原油流动的液流状态。 雾状流：最后，在井筒的最上段，气体继续增加，中心气柱完全占据了油管断面，油流变成极小的液滴分散在气柱中，以雾状喷出。,二、自喷井的采油井口装置,采油（气）井口装置是引导和控制油、气混合物的流动方向、流量大小和进行油、气生产的重要地面设备， 主要由套管头、油管头和采油树三部分组成。,井口装置的类型,按各部分连接方式的不同，采油（气）井口装置可分为法兰式、卡箍式和混合式三种。法兰式井口装置如图所示。 其各连接部位采用法兰连接，承压能力大，但拆装不便。卡箍式井口装置各部位用卡箍连接，拆装方便，但承压能力较小

8、。,卡箍式井口装置各部位用卡箍连接，拆装方便，但承压能力较小。 在一套井口装置中，既有法兰连接，又有卡箍或螺纹连接，谓之混合式井口装置。,此外，使用条件不同，井口装置的结构形式也不同。 对于井口压力不太高、油（气）产量单一和产量不大的油井，井口装置一般只有一个工作翼作为工作管线，并只能悬挂一个油管，称作单翼单管井口装置。 对于深井、超深井，油（气）层单一、储量较丰富的油（气）层，井口装置可有两个工作翼，一翼作工作管线，另一翼作备用管线，只悬挂一根油管，称作双翼单管井口装置。 对于多油（气）层，且储量较丰富的油（气）田，井口装置有两翼，同时油管头内可悬挂两根油管柱，可实现双层开采，称作双翼双管井

9、口装置。 对于双管或多管井口装置，采油树上的阀门也与油管头内的油管柱数相配套，以便实现分层开采。,套管头,套管头安装在井口装置的最下方，其作用是固定整套井口装置，连接井下各层套管柱，使各层套管间的环形空间相互密封。 钻井时，套管头上可以安装防喷器等设备， 采油时，则用于安装油管头和采油树。 随着井深的增加，需要封隔井下地层的层数增多，下入井内的套管长度也相应增加。因此，套管头有单层、双层以及其它层次之分。,单层套管头的结构如图所示，在表层套管上连接有法兰，用双头螺栓将大小头与法兰连接。 如图所示，双层套管头第一层套管与下短节相连，下短节内配置卡瓦式悬挂器，其内连接第二层套管；两层套管之间的空间

10、相互密封；第二层套管的活端与套管头上的短节焊在一起。,油管头,油管头位于套管头的上方，由油管头四通和油管悬挂器等组成。 其功能是悬挂油管柱，密封油管与生产套管之间的环形空间，并可进行各种工艺作业。,如图所示，四通两侧安装套管阀门，以便进行正反循环洗井，观察套管压力，并通过油、套管空间进行各项作业。 下完油管后，将油管头下部的油管短节用螺纹与油管柱上端相连，油管柱就被悬挂起来； 油管挂与四通内壁之间的间隙，通过一组密封圈加以密封；密封圈之间有隔环，当介质通过密封圈渗入隔环的空腔时，可由单向阀压入密封脂；通孔内装有压环，并用六个顶丝将其顶住，以防井内液体作用在油管上将油管柱顶出固有的位置； 油管挂

11、上部的护丝是为了保护油管挂上方的螺纹，当安装采油树时，可将护丝卸去。,采油树,采油树安装在油管头的上部，作用是引导油井喷出的油气通向地面的输油管线，控制和调节油井的流量和井口压力，必要时可关闭油井。 法兰式连接的采油树结构如图所示，总闸阀是控制油气流的主要通道，正常情况下总是打开的，只有在需要长期关井或其它特殊情况下关闭。 清蜡闸阀上部可连接清蜡装置、防喷管等，清蜡时打开，完毕后将刮蜡片起到防喷管中，再行关闭。 闸阀和节流阀是采油树中主要组成部件。,闸阀起着开启或截断管道介质并控制高压介质流向的作用。 节流阀的主要功用是改变通道面积，调节油、气流量和压力，控制自喷井的产量。,三、自喷井分层配产

12、井下管柱结构,分层配产是非均质、多油层油田确保高产、稳产，提高无水采收率和最终采收率的重要手段。 因为多油层、非均质油田各层渗透性能、压力和含水程度差别很大，若多层笼统开采，在同一井底压力下，渗透性好、压力高的油层就产得多、出得快，而中低渗透层及压力较低的油层，则因生产压差小，不能发挥生产能力。 分层配产的目的，就是调整各层间的矛盾，使不同渗透性和压力的油层能够比较合理地平衡开采。 其方法就是在油井内下放一套分层配产管柱，以控制各层，使其在合理的压差下生产。 分层配产管柱由套管、油管、封隔器、工作筒配产器及丝堵等组成。它根据油井内各油层的性质，用封隔器将其分开，选择不同大小的井底油嘴，控制生产

13、压差，使各层断按照其自身特点进行生产。,油井封隔器,油井封隔器是封隔油层实行分层开采的主要井下工具，按其作用原理和结构特点，可分为支撑式、卡瓦式、皮碗式、水力扩张式、水力自封式、水力密闭式和水力压缩式等多种型式。 其作用都是用于井下封隔油层等，不仅用于自喷井采油，还用于非自喷井采油，在分层注水、分层压裂酸化及分层测试等作业中，也被广泛采用。,封隔器编号 以下代号按次序从左至右顺序排列，依次为：部定型产品代号油田代号封隔器型式代号套管或裸眼公称直径代号设计结构代号结构设计次数。,D DQ 4 5 7 - 2型封隔器,部定型产品代号,油田代号：大庆,封隔器型式代号：1（支撑式）、2（卡瓦式）、3（

14、皮碗式） 4（水力扩张式）、5（水力自封式）、6（水力密封式）、7（水力压缩式）,套管或裸眼公称直径代号：4（110.25mm，或116.375mm裸眼）、 5（127mm和139.7mm套管，146.05mm套管或裸眼）、6（162.3mm套管）、 7（177.8mm和193.675mm套管，或190.5mm和196.85mm裸眼）、 8（219.075mm套管、或215.9mm裸眼）、9（247.65mm裸眼）、 11（298.45mm裸眼）、12（311.15mm裸眼）,设计结构代号：属于第七种结构,结构设计次数：第二次设计,油井封隔器编号示例,支撑式封隔器 支撑式封隔器是以井底（或卡瓦

15、封隔器、支撑卡瓦）为支点，加压一定管柱重量来坐封封隔器的，其结构如图所示。 坐封时，将封隔器连接在管柱中，下放到井内预定的坐封深度， 由于承压接头9和下接头13与尾管（或卡瓦式封隔器，或支撑卡瓦）相接，以井底（或卡瓦式封隔器，或支撑卡瓦）为支点，坐封剪钉11在一定的管柱重量作用下被剪断，从而接头1、调节环3、中心管7和键12一起下行，压缩胶筒5，使胶筒的外径变大，封隔住油、套管环形空间。 解封时，上提管柱，胶筒直径变小，回复到原来状态。,卡瓦式封隔器 卡瓦式封隔器结构如图，可防止油管柱的轴向移动，所用胶筒为压缩式，一般均靠下放一定管柱重量坐卡和坐封，也有靠从油管柱内加液压来坐卡和坐封的。 坐封

16、时，将封隔器下放到预定位置。由于零件1018组成的扶正器，依靠弹簧14的张力造成扶正块13与套管壁的摩擦力，沿轨迹中心管19的轨迹槽运动，滑环销钉17就从短槽的上死点运动到坐封位置的长槽的上死点， 卡瓦10就从收拢状态变成被锥体撑开状态，并卡牢在套管壁之上。,与此同时，坐封剪钉9在一定管柱重量的作用下被剪断， 上接头1、调节环3和轨迹中心管19一起下行，压缩胶筒5，使其直径变大，从而封隔油、套管环形空间。 解封时，上提管柱，上接头1、调节环3和轨迹中心管19一起上行。 结果，滑环销钉17运动到下死点，锥体8退出卡瓦10，卡瓦10收回解卡，进而胶筒5也收回解封。,水力压缩式封隔器 水力压缩式封隔

17、器（如图），所用胶筒为压缩式，无卡瓦支撑，只靠从油管柱加液压压缩胶筒，使直径增大，封隔油、套管环形空间。 坐封时，从油管内加压力液，经中心管6的通孔作用到活塞9上，剪钉10被剪断， 活塞9和活塞套15上行，压缩胶筒4，使其直径变大，封隔油、套管环形空间。 卸压后，由于活塞套15被大卡簧17卡住，胶筒4仍处于坐封状态。,解封时，上提管柱，因上接头1、调节环2、中心管6和键19与管柱相连接，随之上行，而其余各件则依靠胶筒与套管壁间的摩擦力保持不动。 这样就从上端撤去了对胶筒的压力，胶筒又收缩恢复原装解封。,配产器,配产器通常与封隔器配合，下入井中，将各油层分隔开，实行分层配产。 其具体功用是控制各

18、油层的回压，适当降低高渗透层的采油量，相对加大中低渗透层的采油量，以达到分层配产或不压井起下作业的目的。 配产器主要由工作筒和堵塞器组成，其工作原理如图所示。,工作筒,堵塞器,油嘴,密封圈,配产器,配产器通常与封隔器配合，下入井中，将各油层分隔开，实行分层配产。 其具体功用是控制各油层的回压，适当降低高渗透层的采油量，相对加大中低渗透层的采油量，以达到分层配产或不压井起下作业的目的。 配产器主要由工作筒和堵塞器组成，其工作原理如图所示。,工作筒,堵塞器,油嘴,密封圈,工作原理： 工作筒一般是带有两个侧孔和两个竖槽的环形圆筒， 竖槽连通上、下油管，下部油层段的油气流通过竖槽到上部，侧孔只与本层段的油气流及工作筒中心管相连。 当堵塞器从井口投入，坐落在中心管上时，通过改变装在堵塞器上油嘴的直径，就能控制本层段油气流。 若堵塞器上装死嘴（堵头），该层段不出油，而其它油层的油气流仍可沿竖槽从油管产出； 若油嘴畅通，则侧孔与竖槽两个通道内的油气流在上部油管内混合喷出。 更换油嘴时，用专用打捞器起出堵塞器，装好新嘴子，配好密封，再投入井内。 用几级封隔器和配产器配合使用，便能达到分几层采油的目的。,工作筒,堵塞器,油嘴,密封圈,四、油井清腊,在原油开采过程中