第六章 油井生产技术原理

⒈导管 用以保护井口附近的地表层，并建立泥浆循环。下 入深度取决于硬质地层的深度，约小于四十米。 ⒉表层套管
巩固上部比较疏松易塌不稳定岩层，安装封井器等 井口设备，下入深度一般为30～100米；
⒊技术套管 用于封隔某些难以控制的复杂地层，保证钻进顺利 进行，一般不下入技术套管，对于塌、漏、喷、卡等复 杂情况，可以通过调节泥浆性能来控制。 ⒋油层套管 钻开油层后必须下入的一层套管，用以封隔油气水 层，保证油井正常生产。
⒌贯眼完井 先钻开油层，然后在油层部位下入带眼套管。套管在油层顶部处 装有水泥伞，水泥伞上部的套管上有若干孔眼，保证注入水泥在油层 顶部上返固井，下部装有倒置的单流阀，固井后可把它钻掉，如图6-6 所示。
二、 油井试油
当油井完成之后，需要把地层中的油气水诱导到地面上来，经过专门测试取得各种 资料，这个过程称为试油。试油是石油勘探中继地面勘探和钻井之后的一项重要工作，
(6-3-15)
当油嘴尺寸和气油比一定时，油压与产量呈直线关系。
⑵地层-油管-油嘴流动协调 图6-18为地层-油管-油嘴流动协调曲线，交点C为给定油嘴尺寸下三者的协调点，改变 油嘴尺寸协调点发生变化，因此通过油嘴来控制和调节自喷井生产。
也是油井投产后确定合理工作制度的重要依据。通过试油可以了解油层及其流体的性质，
为附近钻穿同一地层的其它探井提供重要的地质资料；探井试油可以确定含油区域内各 个不同含油层的面积，并初步估算地下油气的工业储量；试油资料的分析结果可以确定 单井生产能力，为制订合理的开发方案提供重要的资料依据。
第六章
油井生产技术原理
(二)滑脱现象 油气混合物在垂直管中流动时，由于油气的密度差，使气体运动速度大于油的运动速 度，从而产生气体超越油上升的现象称之为滑脱。为了比较和分析存在和不存在滑脱时的 混合物密度，假定两种情况下气液体积流量不变。
二、 多相垂直管流压力分布计算 (不讲） 三、自喷采油方法(不讲）
(一)油井自喷原理 原油从地层流到井底后，如果井底压力较高，流体可以连 续不断地流到井口，通过油嘴沿地面管线输送到集油站，这种 生产井称为自喷井。
⒋雾流 当气体的数量和体积继续增大时，中心气柱完全占据了油管断面，气体将以很高的速 度流动，油相绝大部分都分散成小油滴，混在气流中，称为雾流。此时气体是连续相，油 相是分散相，高速气流将分散的油滴带出。
流态不同，能量的利用和消耗也不同。泡流主要为重力损失，其摩擦损失取决于液体 性质及流速；雾流摩擦损失较大，摩擦损失主要取决于气体的性质及速度。
第六章
油井生产技术原理
第一节 完井与试油
第二节 油井流入动态 第三节 气液混合物在垂直管中的流动规律 第四节 深井泵采油技术原理
第三节
气液混合物在垂直管中的流动规律
原油从油层流到井底后具有的压力，是油藏流体沿井筒向上流动 的动力。无论井底压力高于还是低于泡点压力，流体将以多相混合物沿 井筒向上流动，流体是否能够流出井口，或进一步通过地面管线流到计 量站，取决于流体沿井筒中压力损失。因此研究和掌握气液混合物在油 管中的流动规律，对于控制和调节油井工作方式，以获得最大产量具有 重要意义。
自喷采油的能量来源于井底油流所具有的静水压头和与油
流一同进入井底的自由气和溶解气分离后所具有的弹性膨胀能 量，而气体膨胀的举升作用有两种，一种是气体作用在液体上， 顶推液体上升，另一种是靠气液之间的摩擦作用，气体携带液
体上升，自喷采油的能量消耗与气液混合物的流动结构有关，
油井能否自喷主要取决于地层能量的大小。
⒋砾石充填完井 在割缝衬管完井中，通过自然选择形 成的管外“砂桥”容易被泥质颗粒堵塞而 降低流体的流通能力，在衬管完井基础上， 发展了砾石充填完井。砾石充填完井有两 种：裸眼内砾石充填和套管内砾石充填， 如图6-5所示。
裸眼砾石充填是在油层套管下到油层顶部，注水泥固井，打开生产层，并用扩大钻头 扩眼，然后下入衬管，采用液体反循环把预先选好的砾石带至井内，充填井底。也可以在 扩眼后先充填砾石，再将衬管旋转压入砾石内。套管内砾石充填是在钻穿生产层、下套管、 固井和射孔后，再下入衬管。砾石充填的主要问题是选择好砾石直径，保证地层砂形成 “砂桥”。研究表明，合适的砾石直径值应为10%的岩石累积颗粒组成对应直径的六到八倍。
第六章
油井生产技术原理
第一节 完井与试油 第二节 油井流入动态 第三节 气液混合物在垂直管中的流动规律 第四节 深井泵采油技术原理
第一节
一、 油井完井
完井与试油
油井完成主要包括两个方面：一是钻开油层；二是建立合理的井底结构， 将油层与油井连通起来。钻开油层是钻井过程中的重要环节，这道工序的质量 将直接影响油井的生产能力，当油层被钻开时，油层内的油气与井筒中的泥浆 柱相互接触，并建立新的压力平衡；所以在钻开油层时对泥浆的要求是：既要 压住井，不使油气产生无控制自喷，又不使泥浆过分侵入油层产生污染而降低 其渗透性。钻进和钻开油层之前必须做到：正确估计油层压力，做好油井防喷、 防油层堵塞工作；针对不同压力和岩性的油层，采用不同的压井液，做到“压 而不喷”和“压而不堵”。 (一)井身结构 油水井在开钻之前或钻进过程中，通常根据所钻遇地层的特点设计出不同 的井身结构，井身结构是指下入套管的层次，与多层套管相应的钻头直径；多 层套管的直径与下入深度；多层套管外固井水泥返高和人工井底，合理的井身 结构应满足于钻井、采油工艺的要求，同时以符合降低成本为原则。
为了节约大量钢材和水泥，减少固井次数以及多套管层次 所造成的井眼直径缩小，加快钻进速度，在条件允许的情况下应 尽量减少套管层次。在钻进过程中，若不遇到特别复杂的地层， 一般只下表层套管和油层套管。 (二)井底完成 井底完成是指油井与油层的连通方式与结构。合理的井底结 构应使油气层与井底充分连接起来，油气流动阻力小；能够妥善 封隔油气水层，防止层间干扰；有效地保护油层，防止油层坍塌 等。井底完成方法主要包括： ⒈射孔完井法 钻开油层后，下油层套管至油层底部，注水泥固井；然后下 入射孔枪对准油层部位射穿套管和水泥环，油层与井筒通过孔眼 连通起来，这种完井方法称为射孔完井，如图6-2所示。
⒉裸眼完井
将井眼钻至油层顶部，下入油层套 管，注水泥固井，然后用小直径的钻头 钻开油层，油层是裸露的，这种完井方 法称为裸眼完井，如图6-3所示。
裸眼完井的优点是油层井段在裸露状态下生产，渗流面积大，流动阻力小，适用于坚 实的裂缝性油层，但裸眼完井不能防止油层出砂及井壁坍塌，也不能克服不同压力的油 气水层相互干扰，更不能实现分层开采和分层作业。
(6-3-14)
我国油田的大量wenku.baidu.com计资料表明，如果自喷井不含水，并具有大致相同的气油比，原油
相对密度变化不大时(0.85~0.95)，上述关系式中的经验系数为：C＝4；n＝2；m＝0.5。当 自喷井含水时，上述公式中应考虑到含水率的影响：
4d 2 0.5 qo 0.5 Pt 1 f w R
第一节 完井与试油
第二节 油井流入动态 第三节 气液混合物在垂直管中的流动规律 第四节 深井泵采油技术原理
第二节
油井流入动态
油井流入动态是指油井产量随井底流动压力 的变化关系，它反映了油藏对油井的供给能力；表 示产量与流压关系的曲线称为流入动态曲线(Inflow Performance Relationship Curve)，简称IPR曲线。 油井流入动态关系是采油工程优化设计的基础,其重 要作用在于它以产量随流压变化的形式提供了不同 采油方式优化设计的边界条件；油井产能在整个开 发过程中是不断 变化的，但由于多井间能量传递的屏蔽效应，使得油井产能主要反映油井附近 地层能量供给和附近井的注采状况，而与远处的地层和井况没有关系；因此油 井产能在一定时间阶段内是相对稳定的。图6-11为典型的流入动态曲线，可以 看出，IPR曲线的基本形状与油藏驱动类型有关。
(二)地层－油管－油嘴流动协调
当油井稳定生产时，三个流动过程中的地层渗流、多相垂直管流及嘴流必然满足混 合物的质量和能量守恒，要使油井连续稳定自喷，必须使这几个流动过程既相互衔接又 相互协调。
⒈地层与油管协调
地层工作曲线是油流入井的动态曲线(IPR)，表示了不同井底压力下产量的变化规 律。油管工作曲线是在给定井口压力(油压)和油管尺寸下油井产量与管鞋压力的关系曲 线如图6-16所示。
⒊衬管完井 将井眼钻至油层顶部，下入油层套管，注水泥固井，然后用小 直径的钻头钻开油层，在裸露的油层部位下入一根预先在地面打好 孔眼的衬管，衬管通过悬挂器固定在油层套管的尾部，并密封衬管 的顶部，这种完井方法称为衬管完井，如图6-4所示。 衬管的开眼形式较多，孔眼形式可以是圆孔，也可以是割缝， 但孔眼衬管的防砂能力较差；而衬管的割缝可以制成梯形的，割缝 的大底边位于管子的内表面，当地层液体流向井底时，砂粒将被阻 止在衬管的外面形成“砂桥”，并阻止较小的砂粒流入，经过自然 选择，井壁处可以形成由粗到细的滤砂器，具有良好的防砂效果。 实验研究表明，缝眼的宽度不大于砂粒直径的两倍时，可以在缝眼 外面形成稳定的“砂桥”，此砂粒直径为10％的岩石累积颗粒组成 所对应的直径值。
到或超过压力波在流体介质中的传播速度(声速)的流动状态。在临界流情况下，油井
产量只与油嘴前压力(油压)有关，而与油嘴后的压力(回压)无关，嘴流动态关系为：
Cd n q o m Pt R
式中，P油压，MPa
R-气油比，m3/m3； qo-产油量，m3/d； d-油嘴直径，mm C、m、n-经验系数。
⒈泡流 当井筒中某点的压力稍低于饱和压力时，少量气体便从油中分离出来，这时气体 以小气泡的状态存在于油中，称为泡流。在这种情况下，油是连续相，气体是分散相。 由于气液密度间的差别，气液相对运动速度大，这时气体举油主要依靠气泡与油之间 的摩擦作用，举油效果较差。 ⒉段塞流 当混合物继续向上运动时，随着压力降低，气泡不断膨胀和增多，小气泡合并成 大气泡直到占据整个油管断面，井筒中形成一段油一段气的流动状态，称为段塞流。 此时，油是连续相，气体象一个破漏的活塞推举原油向上运动。气液之间相对运动比 泡流小得多，气体举油效果好。 ⒊环流 随着压力继续降低，气量再度增加并不断膨胀，大气泡从油中突破，互相连接起 来，把原油挤向管壁，使原油沿管壁向上运动，此时气流上升速度很快，气液都是连 续相，气体依靠摩擦作用携带着原油向上运动 。
一、气液混合物在垂直管中的流动特征
(一)多相垂直管流的特点
地层流体在沿井筒的流动过程中，当压力小于饱 和压力时开始出现脱气，管内呈现油气或油气水的混 合物流动。混合物在井底压力的作用下，克服液柱重 力和摩擦损失后到达井口。若井筒中为单相或油水两 相液体流动，流体物性参数间的差别较小，压力变化 比较单一。而气液混合物的流动情况相当复杂，当气 体从原油中分离出后，随压力降低而发生膨胀，产生 的弹性膨胀能量参与举油。气体膨胀举油能量的大小 与气量、压力变化范围以及举油方式等因素有关。由 于气液间的密度相差较大，气液两相流速不同，致使 混合物的流速和密度沿井筒的不同断面发生变化，重 力和摩擦损失计算也比较复杂。气液两相在垂直管中 的流动结构(流态)，至下而上可能出现以下几种流态: 如图6-12所示。
射孔完井的优点是能够有效地防止井壁坍塌，封隔不同压力和性质的油气层，有利于 实现分层测试、分层开采、分层改造等工艺技术措施，是目前国内外使用最普遍的完井方式。 射孔完井方式油层与井底的连通面积较小，油气渗流阻力大，油井的不完善程度大；实践证 明，射孔密度、孔径和射孔深度增加有利于提高油井完善程度，但射孔密度增加受套管强度 的限制，孔径的大小受油层性质的制约。一般认为，合适的孔密为每米套管10～20孔。
油层与油管具有不同工作规律，要使油井保持稳定自喷，则必须使二者的工作协调，
协调条件为：
q地层 q油管
P
wf 地层
Pwf

油管
⒉地层-油管-油嘴流动协调
⑴嘴流动态 混合物到达井口后，通过油嘴流入地面输油管线，由于油嘴直径很小，混合物体 积流量很大，因此流体流经油嘴时，流速极高，可以达到临界流状态，流体的流速达