第二章 自喷与气举采油

第二章自喷与气举采油通过油井从油层中开采原油的方法按油层能量是否充足，可分为自喷和机械采油两大类。

当油层能量充足时，完全依靠油层本身能量将原油举升到地面的方法称为自喷（natural flowing）；当油层能量不足时，人为地利用机械设备给井内液体补充能量的方法将原油举升到地面，称为机械采油方法也称人工举升（artifical lift）方法。

人工举升方法按其人工补充能量的方式分为气举和深井泵抽油（泵举）两大类。

气举采油是人为地将高压气体从地面注入到油井中，依靠气体的能量将井中原油举升到地面的一类人工举升方法。

气举采油与自喷采油具有基本相同的流动规律，即气液两相上升流动。

本章重点阐述自喷井的协调原理和节点分析方法，以及气举采油原理和设计方法。

第一节自喷井节点系统分析节点系统分析（nodal systems analysis）方法简称节点分析。

最初用于分析和优化电路和供水管网系统，1954年Gilbert提出把该方法用于油气井生产系统，后来Brown等人对此进行了系统的研究。

20世纪80年代以来，随着计算机技术的发展，该方法在油气井生产系统设计及生产动态预测中得到了广泛应用。

节点分析的对象是油藏至地面分离器的整个油气井生产系统，其基本思想是在某部位设置节点，将油气井系统隔离为相对独立的子系统，以压力和流量的变化关系为主要线索，把由节点隔离的各流动过程的数学模型有序地联系起来，以确定系统的流量。

节点分析的实质是计算机程序化的单井动态模型。

借助于它可以帮助人们理解油气井生产系统中各个可控制参数与环境因素对整个生产系统产量的影响和变化关系，从而寻求优化油气井生产系统特性的途径。

本节以自喷井为例，讲述节点分析的基本概念、方法及其应用。

一、基本概念和分析步骤1．油井生产系统油井生产系统是指从油层到地面油气分离器这一整个水力学系统。

由于各油田的地层特性、完井方式、举升工艺及地面集输工艺的差异较大，使得油井生产系统因井而异，互不相同。

图2-1给出了一个较完整的自喷井生产系统及各流动过程的压力损失。

对系统各组成部分的压力损失是节点分析的一个核心内容。

2．节点在油井生产系统中，节点（node）是一个位置的概念。

对于图2-1所示的自喷井系统，至少可以确定图示中的8个节点，对其它举升方式还会有不同的节点位置。

节点可分为普通节点和函数节点两类。

1) 普通节点一般指两段不同流动过程的衔接点，如图2-1所示的井口3，井底6以及系统的起、止点（地层边界8、分离器1）均属普通节点。

在这类节点处不产生与流量有关的压降。

2)函数节点具有限流作用的装置也可作为节点，如图2-1所示，地面油嘴2、井下安全阀4、井下油嘴5和完井段7。

由于这类装置在局部会产生一定压降，其压降的大小为流量的函数∆，故称为函数节点(function node)。

函数节点所产生的压降可用适当的公式计算。

p=)q(f3）解节点应用节点分析方法时，通常要选定一个节点，将整个系统划分为流入节点和流出节点两个部分进行求解。

所选用的这个使问题获得解决的节点称为求解节点（solution node），简称解节点或求解点。

图2-1自喷井生产系统及压力损失 r p —平均地层压力；p wfs —井底油层岩面压力；p wf —井底流压；p ur ,p dr —井下油嘴上、下游压力；p usv ,p dsv —安全阀上、下游压力；p wh —井口油压；p b —地面油嘴下游压力；p sep —分离器压力；Δp 1=r p -p wfs —油层渗流压力损失；Δp 2=p wfs -p wf —完井段压力损失；Δp 3=p UR -p DR —井下节流器压力损失；Δp 4=p USV -p DSV —井下安全阀压力损失；Δp 5=p wh -p B —地面油嘴压力损失；Δp 6=p B -p sep —地面出油管线压力损失；Δp 7=p wf -p wh —举升油管压力损失（包括Δp 3和Δp 4）；Δp 8=p wh -p sep —地面管线中的总损失（包括Δp 5）3．节点分析的基本步骤进行节点分析必须具备能够正确描述各流动过程动态规律（流量与压降）的数学模型。

例如，自喷井系统分析模型中应包括适用的油井流入动态IPR 、举升管柱及地面管线压力计算方法、油嘴流动相关式，以及流体在不同压力温度下的物性参数相关式。

以普通节点为例，节点分析的基本步骤如下：1) 建立油井模型并设置节点按油井生产的逻辑关系，明确生产流程的构成，并在系统内设置相应的节点，从而把油井系统有序地划分为相互联系又相互独立的若干部分。

2) 解节点的选择解节点位置与系统分析的结果无关。

灵活的节点位置有利于研究分析在整个系统中不同因素对产量的影响。

如果旨在说明接近地面部分的影响，则解节点可选为井口。

取井底为解节点有利于分析油层的供液能力和井筒的举升能力，以便优选油管尺寸和控制井口压力。

取系统终端（分离器）为解节点有利于分析整个井网各口井对产量的影响。

同样，如果关心井下部分的影响，解节点可选在井底和完井段，井底解节点应用很普遍。

以油嘴和完井段为函数节点，有利于进一步分析油嘴直径，完井结构因素（如孔密、孔径和孔深等）对井系统产量的影响。

总之，应根据所求解的问题合理选择解节点，通常应选在尽可能靠近分析对象的节点作为解节点。

3) 计算解节点上游的供液特征改变产量，从系统的始端（平均地层压力r p）至解节点沿流动方向，按解节点上游各流动过程的数学模型计算相应的解节点处的压力。

4) 计算解节点下游的排液特征改变产量，从系统终端（分离器p sep）至解节点逆流动方向，按解节点下游各流动过程的数学模型计算相应的解节点处的压力。

5) 确定生产协调点根据解节点上、下游的压力与产量的关系，在同一坐标系中绘制出解节点上游压力与产量的关系曲线（节点流入曲线）和解节点下游压力与产量的关系曲线（节点流出曲线），二曲线称为系统分析曲线，如图2-2所示。

节点流入曲线反映在给定地层压力下油层到解节点（流入段）的供液能力。

节点流出曲线反映在给定分离器压力下，从解节点到分离器（流出段）的排液能力。

在解节点流入、流出曲线的交点A处，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。

解节点上、下游能够稳定协调工作，因此该交点A称为油井生产协调点（q，p），简称协调点。

如果流入、流出曲线不相交或者存在双交点的情况将在后面进一步说明。

图2-2系统分析曲线及其解6) 进行动态拟合由于数学模型及有关参数的误差，上述产量常与实际产量不相吻合，此时应对数学模型及有关参数进行调整，经过拟合使所建立的数学模型和计算程序能正确反映油井生产系统的实际情况。

7) 程序应用拟合后的计算程序既可以用于对整个生产系统的分析，也可以围绕所需解决的问题进行参数的敏感性分析。

通过分析，优化出生产参数，实现油井系统的优化生产。

二、节点分析方法及其应用下面以油层到分离器(图2-3a)简单的自喷井生产系统为例，说明节点分析方法及其应用。

1.井底为解节点以井底为解节点是最常用的分析方法。

井底节点将整个油井系统隔离为油层和举升油管+地面管线两部分，如图2-3a 所示。

节点流入部分即为油层渗流，用流入动态IPR 曲线描述。

从油层中部位置至地面分离器，其压降为举升油管压降与地面管线压降之和。

解节点流出压力为 油管地面管线p p p p sep wf ∆+∆+=设定一组产液量q i （q i =i Δq ，Δq 为产量步长，i 为计算点序号，i=1，2，……，N ），分别以给定的平均地层压力r p 和分离器压力p sep 开始计算至解节点，计算得出流入和流出解节点的压力。

并在同一坐标图上绘制解节点流入和流出动态p wf ~q 曲线（即系统分析曲线），如图2-3b 所示。

也可能会出现图2-3c 、d 的情况。

这三种系统分析曲线解释如下：（1）第一种情况。

图2-3b 中解节点流入与流出曲线相交，其交点即为油井系统的产量q 及其井底流压p wf ，此交点产量q 为目前平均地层压力r p 和给定分离器压力p sep 条件下的油井的自喷产量（无地面油嘴）。

（2）第二种情况。

图2-3c 中两条曲线不相交。

这说明在给定油井条件下，油层的供液能力小于油井的排液能力，油井不能协调自喷生产，需要补充人工能量进行机械采油。

欲使油井以产量q 生产，节点流入与流出曲线之间的压差△p 即为机械采油系统需要补充的人工能量。

（3）第三种情况。

图2-3d 中两条曲线在较低产量和较高产量处存在两个交点，两个交点之间的节点流出曲线低于流入曲线。

经理论分析和实践证明，较低产量的交点是不稳定流动；而较高产量的交点是稳定流动的，即为协调点。

在其它解节点位置的分析也存在上述情况时与上述解释相同。

选井底为解节点，可预测油层压力降低后的产量及其井底流压，如图2-4所示。

当油层压力降至图示3r p 时，系统分析曲线无交点(流入、流出部分无协调点)，说明油层供液能力小于举升油管排液能力，则油井停喷。

图2-4 预测未来产量 图2-5流动效率对产量的影响选井底为解节点也可应用于研究油层污染及增产措施后，改变了油井流动效率所引起的井底流压及其产量的变化，如图2-5所示。

2. 平均地层压力为解节点设定一组产液量，并以给定的分离器压力为起点，逆流体流动方向计算出相应的平均地层压力，即解节点流出压力 油层油管地面管线p p p p p sep r ∆+∆+∆+=解节点流入压力 r p =常数如图2-6所示，不同给定r p 的水平线与油井特性曲线的交点表示r p 对油井产量的影响。

应当指出，随平均地层压力r p 降低，油层渗流特性会发生变化，故应采用未来IPR 预测方法。

图2-6 r p 变化对产量的影响3．井口为解节点（无油嘴）以井口为解节点也是常用的分析方法之一。

井口解节点将油井系统隔离成两部分，即从分离器开始至井口部分与油层到井底再经举升油管到井口部分。

其计算步骤与井底节点相似，以设定的一组产液量，分别按所选用的方法计算，求出两部分相应产液量在解节点（井口）处的压力。

解节点流入压力油管油层p p p p r wh ∆-∆-= 解节点流出压力 地面管线p p p sep wh ∆+=图2-7 井口为解节点 图2-8 不同直径油管和出油管线的影响 然后将这两组数据即井口解节点的流入和流出曲线绘制在同一坐标图上，便可求出相应的井口油压和产量，如图2-7所示。

图中的井口解节点的流入曲线表示油井不同产量下的井口油压的大小。

需要说明油压并不总是随产量的增加而降低，而是在q c 时存在峰值。

这种现象符合前面所述气液两相管流规律。

因产量较低时管内流速低，滑脱损失严重；产量较高时，摩阻损失较大。

这两种情况均会使油管举升的能量损失增大。