采油工程——自喷井流动过程及能量分析

第二章自喷与气举采油
第二节自喷井流动过程及能量分析
一、自喷井的四种流动过程
三个基本流动过程：
1）从油层到井底的流动—油层中的渗流；
2）从井底到井口的流动—井筒中的流动；
3）从井口到分离器—在地面管线中的水平或倾斜管流。

对于自喷井，原油到井口后，还有通过油嘴的流动—嘴流。

（一）四个流动过程之间的关系
从油层流到井底的剩余压力称为井底压力（或井底流动压力，简称流压）把油气推举到井口后剩余的压力称为井口油管压力（简称油压）。

（二）四种流动过程存在的能量供给与消耗
能量的大小主要表现为压力的高低，能量的消耗主要表现为压力的损失。

1、地层渗流
能量来源于原始地层压力和气体的膨胀，压力损失是由油、气、水三相流体在地层渗流过程中渗流阻力所产生的压力损失。

2、油井垂直管流
压力损失（含重力损失、摩擦损失和气流速度变化引起的动能损失）
3、嘴流
通过油嘴节流后的压力损失
4、出油管线流动
主要是摩擦损失和气流速度变化引起的动能损失
这四个流动过程是一个统一的水利学系统。

一般来说，上流程的末端压力，即上流程始端压力的剩余压力，也就是下流程的始端压力。

流体从地层流到地面分离器的总压力损失等于各个流动过程所产生的压力损失之和，即：
∆=p∆地层+ p∆井筒+ p∆油嘴+ p∆地面管线
p
二、油井流入动态
油井产量与井底流动压力的关系称为油井流入动态曲线称为流入动态曲线简称为IPR曲线。

由图可以看出，IPR 曲线的基本形状与油藏的驱动类型有关，在同一驱动方式下P f —q 关系的具体数值将取决于油层压力、渗透率及流体物性。

（一）单相流体的流入动态
)()(2w
e o o
f r o o r r In B p p h k q μπ-= 在单相流动条件下，油层物性及流体性质基本不随压力变化。

)(f r o p p J q -=
采油指数：即每增加单位生产压差时油井的产量。

非达西渗流：2
o o f r Dq Cq p p +=-
（一） 油气两相渗流时的流入动态
1、垂直井油气两相渗流时的流入动态
计算时假设：圆形封闭油藏；油井位于中心；油层均质；含水饱和度恒定；忽略重力影响；忽略岩石和水的压缩性；油、气组成及平衡不变；油、气两相的压力相同；拟稳态下流动，在给定某一瞬间，各点的脱气原油流量相同。

该曲线的横坐标为油井产量与最大产能的比值（o q /o q max ）,纵坐标为井底压力与目前地层压力的比值
图中曲线可用Vogel 方程表示： 2max )(8.02.01r f r f o o
p p p p q q --=
2、r p >b p >f p 时的流入动态（组合型的IPR 曲线）
在r p >b p >f p 条件下，油井以定产量生产时油藏中低饱和压力区的气体饱和度将迅速恢复到临界饱和度gc s 并保持常数。

井筒附近较大的压降将使气体饱和度有所增加。

f p >b p 时：()b r b p p J q -=
r p <b p 时：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+-=28.02.018.1b f b f b b r o
p p p p p p p q J
3、油气水三相流入动态
其实质是按含水率取纯油IPR 曲线和水IPR 曲线的加权平均值。

当已知测试点计算采液指数时，可按产量加权平均；当预测产量或流压时，可按流压加权平均。

三、井筒内气液两相流动
（一）井筒内两相流特征
1、井筒内单相流能量的来源和消耗
由流体力学知，此时油管中的压力平衡关系式为：
t fr H f p p p p ++=
（1）单相垂直管流能量来源为井底流动压力，能量消耗在克服液柱的重力和摩擦阻力两个方面。

（2）当井底有足够高的流压时，单相原油才能喷出井口，因此，油井自喷的充分条件为井底流动压力必须大于井内液柱压力与摩擦阻力之和。

（3）井筒气液两相流动。

气液两相垂直管流的能量来源除压能外，气体膨胀是很重要的方面。

2、气液混合物在垂直管中的流动结构
（1）泡流
特点：油是连续相，气是非连续相；气泡的流速大于油的流速，即存在相对运动，存在滑脱现象；气体举升油的作用表现为气体与油的摩擦携带作用，所以举油效率很小。

（2）段塞流
特点：在井筒内流体成一段油，一段气；气体举油的作用表现为气泡托举着油柱向上运动，气体的膨胀能得到很好的发挥和利用；在气泡推油上升过程中，有部分油沿油管壁上升的速度比气泡慢，因此，段塞流中油仍是连续相，气是非连续相；段塞流与泡流相比，油、气间相对运动小多了，滑脱现象也小的多。

（3）环流
特点：油气两相都是连续的；气体举油的作用主要靠摩擦携带。

（4）雾流
特点：气体是连续相，液体是非连续相，气体以极高的速度携带油滴喷出井口；油、气间几乎没有相对运动
油井中可能出现的流动结构自下而上依次为：纯油流、泡流、段塞流、环流、雾流。

3、滑脱损失
即在气液两相管流中，由于两相间密度差会产生气相超越液相的相对流动现象
（二）两相管流的压力梯度
能量消耗的变化反映在压力梯度的变化上，压力梯度是单位长度上的压力降。

两个过流断面之间的平均压力梯度为： ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+=∆∆gD V g G h p t t 212λν 四、嘴流规律
在临界流动条件下，混合物流经油嘴的质量流量与油嘴后、油嘴前的压力比t B P p /的变化关系，
图中m q 是气体或液体的质量流量，t P 与B p 为油嘴前、后的压力，当t P =B p 时（或1/=t B P p ），0=m q 。

曲线ab 段上可看出，当t B P p /逐渐减小时，质量流量m q 逐渐增加，但当增加到最大值时，继续减小压力比t B P p /，流量并不再增加，而是保持最大值不变，
如直线段bc 所示，图中最大流量b 点所对应的压力比t cr p p /，称为临界压力比，其值为：112+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=k k t cr k p p
油嘴产状公式：油气混合物在油嘴中的流动近似于单相气体流动，在临界流动条件下，流量的变化不受油嘴后压力B p 的影响。

此时油嘴直径、油压、产量和油气比之间，近似存在以下规律：
n m
t CR
d p q = 通常采用的嘴流公式为：
t p R
d q 5.02
4= 对于含水井：()5.05.0214--=w p f R
d q t 应当指出，油嘴流经验公式有很强的经验性，与油田条件有关。