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

?p?f(q)，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。

3）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

pr—平均地层压力；pwfs—井底油层岩面压力；pwf—井底流压；pur,pdr—井下油嘴上、下游压力；pusv,pdsv—

安全阀上、下游压力；pwh—井口油压；pb—地面油嘴下游压力；psep—分离器压力；Δp1=pr-pwfs—油层渗流压力损失；Δp2=pwfs-pwf—完井段压力损失；Δp3=pUR-pDR—井下节流器压力损失；

Δp4=pUSV-pDSV—井下安全阀压力损失；Δp5=pwh-pB—地面油嘴压力损失；Δp6=pB-psep—地面出油管线压力损失；Δp7=pwf-pwh—举升油管压力损失（包括Δp3和Δp4）；Δp8=pwh-psep—地面管线中的总损失（包括Δp5）

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pr）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 psep）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

设定一组产液量qi（qi =iΔq，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pr和分离器压力psep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pwf~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pwf，此交点产量q为目前平均地层压力pr和给定分离器压力psep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pr3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。

pwf?psep??p地面管线??p油管

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

pr?psep??p地面管线??p油管??p油层

解节点流入压力 pr =常数

如图2-6所示，不同给定pr的水平线与油井特性曲线的交点表示pr对油井产量的影响。应当指出，随平均地层压力pr降低，油层渗流特性会发生变化，故应采用未来IPR预测方法。

的点与注气点处的油压连成直线，作为阀设计油压线D。该设计油压线代表每个气举阀深度处的转移流动油压；

（4）为确定顶阀位置，作一条井内液体的静压梯度线E,此线从井口压力pwh开始，交于注气启动压力的pko分布线，则此交点处的深度即为顶部阀的深度，该处的压力为顶阀的注气压力，该处温度即为顶部阀的温度；

（5）由上述交点处向左作水平线，并与设计油压线相交，此交点处的压力即为顶阀的设计油压；

从此交点起作一条与井内流体静压梯度线平行的直线F，并与注气工作压力pso分布线相交。此交点处的深度、压力和温度即分别为第二级阀的深度、注气压力和井内温度。 （6）重复第（5）步，即可取得第二级阀的设计油压值和其余阀的深度、注气压力和井内温度；

（7）归并与底阀。

若注气点以下仍打算布一备用阀，则备用阀的位置应在注气点处的工作阀以下。为了保证有一个阀位于注气点以下，必要时需要将阀的分布进行调整分布归并。归并时应以气举阀的工作特性参数阀距Δpv或阀的工作压差△p为依据。

(2-19)

6. 确定气举阀相关参数

（1）确定各阀的注气压力（打开压力）pvo和流压pt及对应温度。 （2）阀尺寸的选择。

在许多采用气举的油田，都有一套实用于油井的标准化阀孔确定方法（如图版法）。一般是采用梯度曲线确定各个阀的气液比和注气量，根据阀上、下游压力按气体嘴流公式计算阀的孔径。

若用查图法求阀孔直径，需对注气量进行校正，气体流量修正系数可查图或按井下温度T和气体相对密度rg用下式计算：

g gT (2-20)

根据嘴流公式或相应图版选择气举阀尺寸，阀尺寸不可太小，否则不能通过足够的气量，使高产的气举装置无法卸载。一般工作阀的尺寸通常应比最后一级卸载阀大一个尺寸，以保证井卸载后的正常作业。

（3）确定各阀的关闭压力pvc和最小流压以及充气压力和地面调试压力。

【例2-1】 油层中部深度2438.4m处温度66.8?C，井口流压0.68MPa，地层平均压力17.24MPa，油井无水产油量159m3/d，地温梯度2.74?C/100m，启动压力8.28MPa，原油相对密度0.85，地层气油比35.6m3/m3，注入气和产出气的相对密度均为0.65，压井液梯度9.04kPa/m，采油指数23m3/（d·MPa），油管直径50.3mm，注气量无限制。试用变地面注气压力设计法进行连续气举设计。

解：选用气压阀，阀间压降取为0.138MPa。 1）确定注气点

（1）作压力一深度图，纵坐标为深度，横坐标为压力。

h??p/GsC?0.0544rT（2）在井底深度2438.4m处标出地层平均压力pr?17.24MPa。 （3）计算井底流压，并在井底深度标出pwf

pr?pwf?qLJo?159/23?6.91MPa

（4）从井底静压处向上延伸作井底静压梯度曲线9.04?10-3MPa/m，直到与纵轴相交，交点即井口流压pwh=0的静液面深度，该深度Ls为

pwf?pr?(pr?pwf)?17.24?6.91?10.33MPa

Ls?L?pr/Gs?2438.4?17.24/9.04?10?3?531.3m

（5）从井底流压pwf =10.33MPa处向上延伸作注气点以下的油管流压梯度曲线，即地

层气液比下的梯度曲线。

（6）在地面深度为0处，标出地面注气工作压力(启动压力-0.689MPa),即pso=7.59MPa，并向下延伸作考虑气柱压力梯度曲线至井底。由气举手册气柱重量图版查得地面注气工作压

-4

力为7.59MPa时，压力梯度为5.84?10MPa/m。

（7）标出工作套压与流压梯度线相交的平衡点位置（2263m）。

（8）从平衡点压力减去过阀压差?p =1.38MPa，并延长地层气液比压力梯度曲线，得到注气点位置为2103.0m。

（9）从井口流压pwh=0.68MPa处起，向注气点作直线，即油压梯度线。

（10）由图1-26查得注气点以上的总气液比GLRT=267m3/m3，则注入气液比：GLRinj=GLRT-GLRs=231m3/m3 因此，注气量为 2）气举生产动态分析

由确定的注气点深度，油管尺寸等参数，假设一组产液量，以注气点为节点，从井底往注气点计算，计算出注气点的流入曲线。给定一注气量，由假设的一组产液量从井口往注气点计算，计算出注气点的流出曲线，流入曲线与流出曲线的交点即为协调点，协调点对应的产液量即为给定注气量下的产液量，改变注气量得到对应的产液量，将产液量与注气量关系作图即得到气举生产动态曲线，见图2-24。从图可知，注气量3.67×104m3/d对应产液量最大159m3/d，故该注气量为对应注气点的最优注气量。

3）确定阀位置

（1）从井口流压pwh=0.68MPa处起，向下作9.04?10-3MPa/m的静液梯度线，与启动压力线相交，交点深度为899m，该深度即顶部阀位置，对应压力为工作套压8.825MPa。

（2）由上述交点向左作水平线与油压梯度线相交，得顶部阀处流动油压为4.344MPa。

-3

（3）由4.344MPa的油压线处起，向下作9.04?10MPa/m的静液梯度线，与平行于启动压力线的8.28-0.138=8.14MPa的注气压力线相交，交点位置为第二级阀深度1508m，工作套压为9.1MPa。

（4）由第（3）步所得交点向左作水平线与油压梯度线相交，交点压力为5.585MPa，即第二级阀的流动油压。

（5）重复以上步骤，分别得到以下各级阀的深度及压力：

第三级阀深度1905m；工作套压9.24MPa；流动油压6.89MPa； 第四级阀深度2164m；工作套压9.30MPa；流动油压8.13MPa； 第四级阀深度已达到注气点以下，故不再布阀。

由以上各结果可看出，注气点位于第三、四级阀之间，为使有一个阀位于注气点，同时有一个位于注气点以下，对所布阀作如下调整，其结果列入表2-2，阀分布如图2-27所示。

Qing?qLGLRing?159?231?3.67?104m3/d

压力，MPa0024681012静液流压500注气压力最小油压启动压力1000井深，m150020002500图2-27 气举阀分布

（6）由温度梯度和阀位置深度可得阀处温度：

T1=51.25?C； T2=67.9?C； T3=78.75?C； T4=84.16?C； T5=85.8?C 对温度校正（取整）结果列入表2-2。

（7）由各阀深度和油压由图1-26查得各阀深度的气液比，分别为 GLR1=23m3/m3；GLR2=107m3/m3；GLR3=GLR4=GLR5=267m3/m3

由于第一级阀的总气液GLR1=23m3/m3小于地层气液比35.6m3/m3，对其注入气量计算取Ginj1=23m3/m3，以下各级阀注气量取注入气液比=总气液比-地层气液比：

Ginj2=71.4；Ginj3=Ginj4=Ginj5=231.4

（8）计算各阀的所需注气量（104m3/d）：Qing=GLRinj×qL 分别得：Qinj1=0.37；Qinj2=1.15；Qinj3= Qinj4= Qinj5=3.68

（9）根据各阀处温度由2-20式计算注气量校正系数，分别为 CgT1=1.060；CgT2=1.087；CgT3=1.104；CgT4=1.113；CgT5=1.115 （10）校正后注气量（104m3/d）依次为

Qinj1=0.39；Qinj2=1.25；Qinj3=4.06；Qinj4=4.09；Qinj5=4.10 4）确定阀尺寸

根据以上计算数据，由阀上游压力、下游压力和校正注气量查图版或用气嘴流量公式得各阀尺寸分别为

第一级阀：5/64??6/64?；

第二级阀：7/64??1/8?；

第三、四级阀：15/64??16/64?； 第五级阀：16/64??18/64? 因此，各级阀的孔径依次取为：2.38、3.175、6.35、7.14mm 选取外径25.4mm气压阀，波纹管面积为2.082?10-4m2 5）确定相关参数

由式（2-14）、（2-15）、（2-17）计算阀的气室压力和试验架打开压力等相关参数列入表2-2。

表2-2 变地面注气压力设计法的设计结果 序号 深度，m 1 900 2 1509 3 1905 4 2103 5 2164

阀孔直径，mm (in) 温度，℃ 注气压力，MPa pvc，MPa 油压pt，MPa pvc=pd(阀处)，MPa pd(60?F)，MPa ptro(60?F)，MPa R 1-R Ct 注气量，10m/d 432.38 (3/32) 51 8.28 8.83 4.34 8.729 7.667 7.846 0.0223 0.9777 0.879 0.39 3.175 (1/8) 68 8.14 9.11 5.58 8.963 7.460 7.763 0.0396 0.9604 0.832 1.25 6.35 (1/4) 79 8.0 9.24 6.89 8.867 7.122 8.460 0.1583 0.8417 0.803 4.06 6.35 (1/4) 84 7.86 9.28 7.52 8.963 7.081 8.419 0.1583 0.8417 0.790 4.09 7.14 (9/32) 86 7.72 9.31 8.14 8.963 7.046 8.812 0.2004 0.7996 0.786 4.10 参考文献

[1] 张琪主编．采油工程原理及设计.山东东营：石油大学出版社，2000

[2] [美]K.E.布朗．升举法采油工艺卷二（上）.北京：石油工业出版社，1987 [3] 《钻采工艺》编辑部译．气举手册（上、下）.成都：四川石油管理局，1986 [4] [美]M.J.埃克诺米德期等编．石油开采系统. 北京：石油工业出版社，1989 [5] [美]H.B.布雷德利．石油工业手册（上）.北京：石油工业出版社，1992 [6] 罗英俊，万仁溥主编．采油技术手册（上）.北京：石油工业出版社，2005 [7] 杨川东主编．采气工程. 北京：石油工业出版社，1997

习 题

2-1 概述自喷井系统普通节点和函数节点分析方法的基本思路。 2-2 分别以分离器和地面油嘴为解节点，图示说明分离器压力和油嘴直径对自喷井产量的影

响。

33

2-3某井已知：地层平均压力16.4MPa，油层中深1673m处温度68℃，生产气液比108m/m，

饱和压力18.89MPa，油、气相对密度分别为0.856、0.73，不含水。根据实测拟合IPR曲线方程：pwf = –0.0004q2 – 0.024q + 16.4。设计井口油压4.4MPa，井口温度取20℃。试确定自喷生产方式的合理油管尺寸。

2-4油层中部深度2500m，分离器压力0.5MPa，井底静压38.5MPa，井口温度26.7?C，地温

33

梯度2.6?C/100m，原油相对密度0.85,含水率15％，生产气油比1200m/m,产出气的相

3

对密度均为0.65,采液指数34.5m/(d．MPa)，井口到分离器水平地面管线长100m，油

3

管内径62mm, 要求自喷产液量160m/d，试确定地面油嘴直径。 2-5 气举系统的基本构成包括哪几部分？

2-6 试述各种气举采油方式的采油原理和气举管柱的特点。

2-７理论分析油管注气，油套环空举升的气举启动压力变化范围。 2-８试述气举阀的作用、工作原理、类型及调试方法。

o

2-９已知气举阀上、下游压力分别为6.5、5.8MPa，天然气相对密度为0.65，气体温度60C，

阀的嘴子孔径为1/4″，试求：通过此阀的气体流量。

2-10套压气举阀位于井深1828.8m，阀处油压3.45MPa，阀气室压力4.83MPa，封包面积Ab

22

为6.45cm，阀孔面积Ap为0.645 cm，试确定打开阀所需的阀处套压。

2-11设一套压气举阀地面打开压力为5.17MPa，R为0.1，阀深1828.8m，平均温度43.3?C，

阀处油压3.45MPa，注入气相对密度0.6。试确定阀处打开压力及地面关闭压力。 2-12试述连续气举装置的卸载过程。

2-13 试述连续气举井节点系统分析的基本步骤。

2-14 试用第一、二章有关计算方法编程计算阀【例2-1】所要求的布阀设计。

2-15油层中深2500m处温度为76.67?C，井口油压0.83MPa，井底静压14.24MPa，井口温

度42.78?C，含水率50％，油井无水产油量159m3/d，地温梯度2.74?C/100m，注入气工作压力为6.20MPa，启动压力7.58MPa，原油相对密度0.85，饱和压力为10.34MPa，生产气油比71.24（m3/m3），注入气和产出气的相对密度均为0.7，油井充满了压井液，压井液梯度9.23kPa/m，采液指数115.3m3/（d·MPa），油管内径62mm，注气量无限制（阀工作压差取1MPa）。（1）试确定气举采油的最高产液量；（2）试用变地面注气压力设计法进行连续气举设计（阀间压降取0.138MPa）。

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