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。

图2-6

pr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 解节点流出压力

pwh?pr??p油层??p油管 pwh?psep??p地面管线

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qc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。而只有在某一产量范围内，滑脱与摩阻都不是很高时，达到较低的管流能量损耗。因此，油压随着产量的增加也有高有

低。

应用井口解节点可以分析不同直径的油管和地面管线，对油井生产动态的影响（图2-8）。

需要强调选择油管直径的重要性。油管直径将直接影响套管直径及其配套井下工具的确定。若选用过小的油管会限制油井产量；而选用过大的油管会增大滑脱损失。因此，在高产

油区的套管程序应在合理的油管直径的基础上进行优化设计。

4．井口为解节点（井口安装油嘴）

在上述简单油井系统中考虑在井口安装油嘴以控制油井产量。油层、举升油管、油嘴和地面管线四个流动过程的关系曲线如图2-9所示。仍先设定一组产液量，从油层和分离器开始分别计算出井口（即油嘴）处相应的油压和回压，与上述无油嘴情况不同的是，将满足回压低于油压一半（油嘴临界压力比近似取0.5）的点绘制pwh~q的曲线B，此曲线上的任一点均满足油嘴达到临界流动条件。油压曲线B与给定嘴径d的油嘴特征曲线G的交点C即为该油嘴下的产量及其油压pwh。

图2-9中pr-wf表示油层渗流压降,wf-wh表示井筒油管的举升压降。

图2-10中绘制了油嘴直径d分别为4，6，8，10，15mm的油嘴曲线，分别与管流曲线B相交，其交点所对应的产量分别是q6,q8,q10,q15。可根据配产确定与之对应的油嘴直径。

ppp

图2-9自喷井四个流动过程的协调关系 图2-10不同油嘴直径的油井产量

5. 以射孔段为函数节点

以上讨论的是普通节点分析方法，即在解节点处不存在压力的变化。而射孔完井段相当于节流装置，它的两端存在与产量相关的压差，故称为函数节点。射孔段的压差与射孔方式（正压或负压）和射孔参数（孔密、穿深和孔径等）有关，可由近似公式（1-32）计算。

以射孔段为解节点的计算路径与上述井底节点类似，即将油井系统隔离为两部分：节点流入部分是从pr计算油层到岩面流压wfs（考虑理想完善井S=0）；而另一部分从分离器压力psep计算到油管吸入口pwf。上述两条曲线之间的压差反映了相应产量下油井系统在射孔段处所要求的油井系统压降Δp系统，如图2-11所示。由射孔段压降公式（1-32）计算出给定射孔条件下（不同射孔密度N1-N4）的压降动态曲线Δp射孔，如图2-12所示。再由Δp系统与Δp射孔两条压差曲线的交点确定系统的产量。此方法可用于优选射孔方式及参数。

p图2-11 射孔段上下游压力与产量的关系 图2-12 不同射孔方式及孔密对产量的影响

同理，地面和井下油嘴、井下安全阀一类节流装置均可函数节点通过绘制相应油井系统在函数节点处的系统压降曲线（Δp井产量。

系统～

q）之后,再计算出相应的节流压降动态曲线求解油

第二节 气举采油

气举采油是指人为地从地面将高压气体注入停喷（间喷或自喷能力差）的油井中，以降低举升管中的流压梯度（气液混合物密度），利用气体的能量举升液体的一类人工举升方法。

气举的工作介质可以为天然气、氮气等高压气体，其井下设备简单。因此它具有较强的适应性，适用于高气液比的直井、斜井、丛式井、水平井以及小井眼井的采油和气井排液采气，也可用于油井诱喷或压裂酸化增产措施井和修井排液作业。气举的举升深度和排量变化灵活，井口和井下设备比较简单，管理方便。在高气液比、含砂及含腐蚀性介质的油井条件下，较其它人工举升方式更具优势。但气举采油要求稳定充足的气源，采用压缩机增压其地面设备一次性投资大。油田气举采油系统如图2-13所示。

图2-13 气举系统示意图

一、气举采油原理、方式及管柱

1．气举采油原理

气举采油是基于“U”型管原理(图2-14)，通过地面向油套环空（反举）或油管（正举）注入高压气体，使之与地层流体混合，降低液柱密度和对井底的回压（井底流压），从而提高油井产量。

图2-14 气举采油原理

2．气举采油方式

气举（gas lift）按注气方式可分为连续气举和间歇气举两大类，其中间歇气举还包括柱塞气举、腔室气举等特殊方式。

1）连续气举

连续气举（continuous gas-lift）是常用的气举采油方式，它是从油套环空（或油管）将高压气连续地注入井内，使油管（或油套环空）中的液体充气以降低其密度，从而降低井底流压，排出井中液体的一种人工举升方式。连续气举适用于油层供液能力较好且能量较充足的油井，连续气举井的采油原理与自喷井相似，其区别是气举井需要人为注入高压气体补充能量；而自喷井则完全依靠油层本身能量。

2）间歇气举

间歇气举（intermittent gas-lift）是向油套环空内周期性地注入高压气体，气体迅速进入油管内形成气塞，将停注期间井中的积液推至地面的非常规气举采油方式。采用间歇气举时，地面一般需要配套使用间歇气举控制器（周期-时间控制器）。

间歇气举主要用于地层能量不足的油井。对这类油井，采用间歇气举较连续气举可明显减少注气量，提高举升效率。其缺点是井口装置比较复杂，在闭式循环气举系统中，当间歇气举井占到一定比例时，容易造成地面注气压力波动，影响其它气举井的正常生产。

柱塞气举（plunger lift）是一种特殊的间歇气举方式。它是利用油管内的柱塞在气体与液体之间形成一固体界面，有效地减少液体滑脱损失，提高其举升效率。当地层气液比较高时，可以利用油井自身能量周期性地推动柱塞举液，否则需要补充注气。是否需要注气应视地层气体能量而定。

柱塞气举能有效地防止油管结蜡，也可用于气井排液采气。但柱塞气举的地面装置较其它气举方式复杂，操作管理有一定难度，生产过程中容易在地面集输管网内造成较大的压力波动。

3．气举管柱结构

常用的单管气举管柱结构主要有开式、半闭式、闭式三种，如图2-15所示。

(a) 开式管柱 (b) 半闭式管柱 (c) 闭式管柱

图2-15 气举井单管柱结构

1) 开式管柱

在开式管柱结构中，油管管柱不带封隔器而被直接悬挂在井筒中，如图2-15a所示。开式管柱只适用于液面较高的连续气举井。由于这种管柱的油管与套管环空是连通的，对低产油井，当液面下降到油管管鞋时，注入气就会从油套环空窜入油管，造成注气量的失控。开式管柱的另一个缺点是，每当气举井关井后再重新启动时，由于液面重新升高，必须将工作阀以上的液体重新排出去，不仅延长了开井时间，而且液体反复通过气举阀，容易对气举阀造成冲蚀，降低阀的使用寿命。因此，开式管柱通常用在因套管损坏、变形、腐蚀或其他原因不能下封隔器的连续气举井。

2) 半闭式管柱

半闭式管柱如图2-15b所示，管柱的下部安装一封隔器，将油管和套管空间分隔开，以避免因液面下降造成注入气从套管窜入油管, 同时也避免了每次关井后重新开井时的重复排液过程。半闭式管柱既适用于连续气举井，也适用于间歇气举，是气举常用的管柱结构。

3) 闭式管柱

闭式管柱如图2-15c所示，是在半闭式管柱结构的基础上，油管底部安装固定阀（单流阀），其作用是在间歇气举时，阻止油管内的压力作用于地层。闭式管柱一般用于间歇气举井。

二、气举的启动过程

气举井从关井到投产要经历一个瞬态卸载过程，即将高压气体经过预定深度注入举升管，使油井投入正常工作的过程。现以油套管环空注气说明气举生产时的启动过程。油井停产时，油套管内的静液面在同一位置（静液面距管鞋的深度h称为油管沉没度），如图2-16a 所示。当开动压缩机向油套环空注入气体后，环空内的液面被挤压下降，如不考虑液体被挤入地层，油套环空内的液体则全部进入油管，油管内的液面上升，在此过程中压缩机的压力不断升高。当油套环空内的液面下降到油管管鞋时（图2-16b），油管内的液面上升高度为Δh，压缩机压力达到最大，称为启动压力pe。注入气体进入油管与油管内液体混合，液面不断上升直至喷出地面（图2-16c）。在开始喷出之前，井底压力大于或等于地层压力；喷出后由于油套环空仍继续进气，油管内的液体继续喷出，使混气液密度进一步降低，油管鞋压力相应降低，此时井底压力及压缩机压力亦随之下降。当井底压力低于地层压力时，地层流体就流入井内。由于地层出液使油管内的混气液密度稍有增加，因而压缩机压力会有所上升，经过一段时间后趋于稳定，达到稳定生产时的压缩机压力称为工作压力po。气举过程中压缩机出口压力的变化曲线如图2-17所示。

如果压缩机的额定压力小于启动压力，则气体将无法进入油管举出井筒中的液体，气举将无法启动。气举启动压力的大小与气举方式、油管下入深度L、油管沉没度h、油套管直径（D、d）以及油层吸液能力有关。在气举启动过程中油管内液面尚未超过井口时，根据“U”

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