采油工程原理.ppt
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1、采油工程原理采油工程原理与设计采油工程原理与设计油气畅流入井经济有效举升地面计量和分离经济有效地提高油井产量和原油采收率采油工采油工采油工采油工程目标程目标程目标程目标采油工采油工采油工采油工程任务程任务程任务程任务采油工程原理与设计采油工程原理与设计采采油油工工艺艺采油方法增产维护措施自喷采油气举采油有杆泵采油无杆泵采油注水酸化、酸压砂、蜡、水、稠、低工作原理工作原理计算方法计算方法工程设计工程设计 分分 析析水力压裂采油工程原理与设计采油工程原理与设计采油工程课程内容第一章 油井流入动态与井筒多相流动计算 重点掌握第二章 自喷与气举采油第三章 有杆泵采油 重点掌握第四章 无杆泵采油 重点掌
2、握 喷射泵第五章 水力压裂技术第六章 酸处理技术重点掌握重点掌握采油工程原理与设计采油工程原理与设计第一节 油井流入动态(IPR曲线)油井流入动态曲线(IPR曲线):表示产量与井底流压关系的曲线,简称IPR曲线。油井流入动态:油井产量与井底流动压力的关系。它反映了油藏向井的供油能力,反映了油藏压力、油层物性、流体物性、完井质量等对油层渗流规律的影响,是采油工程与油藏工程的衔接点。通过油井流入动态研究为油藏工程提供检验资料;为采油工程的下一步工作提供依据;检查钻井、固井、完井和各项工艺措施等技术水平的优劣。第一章 油井流入动态与井筒多相流动计算采油工程原理与设计采油工程原理与设计图1-1 典型的
3、流入动态曲线采油工程原理与设计采油工程原理与设计一、单相液体流入动态供给边缘压力不变圆形地层中心一口井的产量公式为:(1-1)圆形封闭油藏,拟稳态条件下的油井产量公式为:(1-2)采油工程原理与设计采油工程原理与设计图1-2 泄油面积形状与油井的位置系数对于非圆形封闭泄油面积的油井产量公式,可根据泄油面积和油井位置进行校正。采油工程原理与设计采油工程原理与设计采油采油(液液)指数指数:单位生产压差下的油井产油(液)量,反映油层性质、厚度、流体物性、完井条件及泄油面积等与产量之间关系的综合指标。单相流动时,油层物性及流体性质基本不随压力变化,产量公式可表示为:采油工程原理与设计采油工程原理与设计
4、采油指数J的获得:油藏参数计算 试井资料:测得35个稳定工作制度下的产量及其流压,便可绘制该井的实测IPR曲线 对于单相液体流动的直线型IPR曲线,采油指数可定义为产油量与生产压差之比,或者单位生产压差下的油井产油量;也可定义为每增加单位生产压差时,油井产量的增加值,或油井IPR曲线斜率的负倒数。注意事项:对于多相流动的非直线型IPR曲线,由于其斜率不是定值,按上述几种定义所求得的采油指数则不同。所以,对于具有非直线型IPR曲线的油井,在使用采油指数时,应该说明相应的流动压力,不能简单地用某一流压下的采油指数来直接推算不同流压下的产量。采油工程原理与设计采油工程原理与设计当油井产量很高时,井底
5、附近将出现非达西渗流非达西渗流:胶结地层的紊流速度系数:非胶结地层紊流速度系数:采油工程原理与设计采油工程原理与设计二、油气两相渗流时的流入动态o、Bo、Kro都是压力的函数。用上述方法绘制IPR曲线十分繁琐。通常结合生产资料来绘制通常结合生产资料来绘制IPRIPR曲线。曲线。平面径向流,直井油气两相渗流时油井产量公式为:(一)垂直井油气两相渗流时的流入动态采油工程原理与设计采油工程原理与设计1.1.Vogel Vogel 方法方法假设条件:a.圆形封闭油藏,油井位于中心;b.均质油层,含水饱和度恒定;c.忽略重力影响;d.忽略岩石和水的压缩性;e.油、气组成及平衡不变;f.油、气两相的压力相
6、同;g.拟稳态下流动,在给定的某一瞬间,各点的脱气原油流量相同。采油工程原理与设计采油工程原理与设计Vogel方程图1-3 Vogel 曲线采油工程原理与设计采油工程原理与设计 a.计算c.根据给定的流压及计算的相应产量绘制IPR曲线。b.给定不同流压,计算相应的产量:已知地层压力和一个工作点:已知地层压力和一个工作点:利用Vogel方程绘制IPR曲线的步骤采油工程原理与设计采油工程原理与设计 油藏压力未知,已知两个工作点油藏压力未知,已知两个工作点a.油藏平均压力的确定 b.计算d.根据给定的流压及计算的相应产量绘制IPR曲线c.给定不同流压,计算相应的产量采油工程原理与设计采油工程原理与设
7、计Vogel曲线与数值模拟IPR曲线的对比a.按Vogel方程计算的IPR曲线,最大误差出现在用小生产压差下的测试资料来预测最大产量。一般,误差低于5。虽然,随着采出程度的增加,到开采末期误差上升到20,但其绝对值却很小。b.如果用测试点的资料按直线外推时,最大误差可达 7080,只是在开采末期约30%。C.采出程度N对油井流入动态影响大,而kh/、B0、k、S0等参数对其影响不大。图1-4 不同方法计算的油井IPR曲线1-用测试点按直线外推;2-计算机计算的;3-用Vogel方程计算的采油工程原理与设计采油工程原理与设计2.费特柯维奇方法溶解气驱油藏:假设 与压力 成直线关系,则:采油工程原
8、理与设计采油工程原理与设计式中:则:令:当 时:所以:采油工程原理与设计采油工程原理与设计3.非完善井Vogel方程的修正油水井的非完善性:打开性质不完善;如射孔完成 打开程度不完善;如未全部钻穿油层 打开程度和打开性质双重不完善 油层受到损害 酸化、压裂等措施改变油井的完善性,从而增加或降低井底附近的压力降,影响油井流入动态关系。采油工程原理与设计采油工程原理与设计 图1-5 完善井和非完善井周围 的压力分布示意图采油工程原理与设计采油工程原理与设计完善井:非完善井:令:非完善井附加压力降:则:采油工程原理与设计采油工程原理与设计油井的流动效率(FE):油井的理想生产压差与实际生产压差之比。
9、油层受污染的或不完善井,完善井,增产措施后的超完善井,采油工程原理与设计采油工程原理与设计利用流动效率计算非完善直井流入动态的方法图1-6 Standing 无因次IPR曲线 Standing方法(FE=0.51.5)采油工程原理与设计采油工程原理与设计Standing方法计算不完善井IPR曲线的步骤:a.根据已知Pr和Pwf计算在FE=1时最大产量b.预测不同流压下的产量c.根据计算结果绘制IPR曲线采油工程原理与设计采油工程原理与设计 Harrison方法图1-7 Harrison无因次IPR曲线(FE1)采油工程原理与设计采油工程原理与设计b.求FE对应的最大产量,即Pwf=0时的产量H
10、arrison方法计算超完善井IPR曲线的步骤:a.计算FE=1时的qomax(FE=1)先求Pwf/Pr,然后查图1-7中对应的FE曲线上的相应值qo/qomax(FE=1)。则c.计算不同流压下的产量d.根据计算结果绘制IPR曲线采油工程原理与设计采油工程原理与设计(二)斜井和水平井的IPR曲线 Cheng对溶解气驱油藏中斜井和水平井进行了数值模拟,并用回归的方法得到了类似Vogel方程的不同井斜角井的IPR回归方程:P=Pwf/Pr;q=qo/qomax ;A、B、C为取决于井斜角的系数。采油工程原理与设计采油工程原理与设计Bendakhlia等用两种三维三相黑油模拟器研究了多种情况下溶
11、解气驱油藏中水平井的流入动态关系。得到了不同条件下IPR曲线。Bendakhlia用公式来拟合IPR曲线图版,发现吻合很好。采油工程原理与设计采油工程原理与设计图1-8 拟合的IPR曲线与实际曲线的对比 _拟合的IPR曲线,实际曲线采油工程原理与设计采油工程原理与设计 图1-9 参数v、n与采收率系数之间的关系采油工程原理与设计采油工程原理与设计其它水平井产能计算模型:Borisov模型:Giger模型:Joshi模型:Renard&Dupuy模型:采油工程原理与设计采油工程原理与设计(1)基本公式 当油藏压力高于饱和压力,而流动压力低于饱和压力时,油藏中将同时存在单相和两相流动,拟稳态条件下
12、产量的一般表达式为:三、时的流入动态采油工程原理与设计采油工程原理与设计图1-11 组合型IPR曲线(2)实用计算方法采油工程原理与设计采油工程原理与设计流压等于饱和压力时的产量为:当 时,由于油藏中全部为单相液体流动。当 后,油藏中出现两相流动。流入动态公式为:直线段采油指数采油工程原理与设计采油工程原理与设计四、油气水三相IPR 曲线Petrobras提出了计算三相流动IPR曲线的方法。综合IPR曲线的实质: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,是按产量加权平均;当预测产量或流压时是按流压加权平均。图1-12 油气水三相IPR 曲线采油工程原理与设
13、计采油工程原理与设计(一)采液指数计算已知一个测试点(、)和饱和压力 及油藏压力 当 时:思考题:推导 时的采液指数计算式。当 时:当 时:其中:直线段采油指数采油工程原理与设计采油工程原理与设计 ,则:,则按流压加权平均进行推导:(二)某一产量下的流压计算所以:采油工程原理与设计采油工程原理与设计因为:所以:若 ,则综合IPR曲线的斜率可近似为常数。思考题:试推导采油工程原理与设计采油工程原理与设计五、多层油藏油井流入动态(1)多油层油井流入动态迭加型IPR图1-13 多层油藏油井流入动态采油工程原理与设计采油工程原理与设计(2)含水油井流入动态图1-14 含水油井流入动态与含水变化 ()图
14、1-15 含水油井流入动态曲线 ()采油工程原理与设计采油工程原理与设计小 结(1)上述介绍的方法阐明了油井流入动态的物理意义,也是目前现场最常用的计算方法。(2)油井流入动态研究主要有三种途径:基于Vogel、Fetkovich、Petrobras方法的完善。建立不同类型油藏和井底条件的渗流模型。利用单井流入动态的油藏数值模拟技术。(3)油井流入动态是采油工程各项技术措施设计、分析与评价的依据。采油工程原理与设计采油工程原理与设计第二节 井筒气液两相流基本概念井筒多相流理论井筒多相流理论:研究各种举升方式油井生产规律基本理论研究特点研究特点:流动复杂性、无严格数学解研究途径研究途径:基本流动
15、方程 实验资料相关因次分析 近似关系采油工程原理与设计采油工程原理与设计一、井筒气液两相流动的特性(一)气液两相流动与单相液流的比较采油工程原理与设计采油工程原理与设计流动型态(流动结构、流型):流动过程中油、气的分布状态。(二)气液混合物在垂直管中的流动结构变化 纯液流 当井筒压力大于饱和压力时,天然气溶解在原油中,产液呈单相液流。影响流型的因素:气液体积比、流速、气液界面性质等。采油工程原理与设计采油工程原理与设计泡流 井筒压力稍低于饱和压力时,溶解气开始从油中分离出来,气体都以小气泡分散在液相中。滑脱现象:混合流体流动过程中,由于流体间的密度差异,引起的小密度流体流速大于大密度流体流速的
16、现象。如:油气滑脱、气液滑脱、油水滑脱等。特点:气体是分散相,液体是连续相;气体主要影响混合物密度,对摩擦阻力影响不大;滑脱现象比较严重。采油工程原理与设计采油工程原理与设计段塞流 当混合物继续向上流动,压力逐渐降低,气体不断膨胀,小气泡将合并成大气泡,直到能够占据整个油管断面时,井筒内将形成一段液一段气的结构。特点:气体呈分散相,液体呈连续相;一段气一段液交替出现;气体膨胀能得到较好的利用;滑脱损失变小;摩擦损失变大。采油工程原理与设计采油工程原理与设计环流 油管中心是连续的气流而管壁为油环的流动结构。特点:气液两相都是连续相;气体举油作用主要是靠摩擦携带;滑脱损失变小;摩擦损失变大。采油工
17、程原理与设计采油工程原理与设计雾流 气体的体积流量增加到足够大时,油管中内流动的气流芯子将变得很粗,沿管壁流动的油环变得很薄,绝大部分油以小油滴分散在气流中。特点:气体是连续相,液体是分散相;气体以很高的速度携带液滴喷出井口;气、液之间的相对运动速度很小;气相是整个流动的控制因素。采油工程原理与设计采油工程原理与设计总结:油井生产中可能出现的流型自下而上依次为:纯油(液)流、泡流、段塞流、环流和雾流。实际上,在同一口井内,一般不会出现完整的流型变化。图1-17 油气沿井筒喷出时的流型变化示意图纯油流;泡流;段塞流;环流;雾流采油工程原理与设计采油工程原理与设计实际计算:直接求存在滑脱混合物密度
18、或包括滑脱在内的摩擦阻力系数。(三)滑脱损失概念因滑脱而产生的附加压力损失称为滑脱损失。单位管长上滑脱损失为:图1-18 气液两相流流动断面简图滑脱损失的实质:液相的流动断面增大引起混合物密度的增加。采油工程原理与设计采油工程原理与设计二、井筒气液两相流能量平衡方程及压力分布计算步骤 两个流动断面间的能量平衡关系:(一)能量平衡方程推导图2-19 倾斜管流能量平衡关系示意图采油工程原理与设计采油工程原理与设计图2-19 倾斜管流能量平衡关系示意图倾斜多相管流断面1和断面2的流体的能量平衡关系为:采油工程原理与设计采油工程原理与设计适合于各种管流的通用压力梯度方程:则:令:采油工程原理与设计采油
19、工程原理与设计以计算段下端压力为起点,重复步,计算下一段的深度和压力,直到各段的累加深度等于管长为止。(2)多相垂直管流压力分布计算步骤重复的计算,直至 。1)按深度增量迭代的步骤已知任一点(井口或井底)的压力作为起点,任选一个合适的压力降作为计算的压力间隔p。估计一个对应的深度增量h。计算该管段的平均温度及平均压力,并确定流体性质参数。判断流型,并计算该段的压力梯度dp/dh。计算对应于的该段管长(深度差)h。计算该段下端对应的深度及压力。采油工程原理与设计采油工程原理与设计2)按压力增量迭代的步骤(略)思考题:根据上述步骤整理出计算压力分布的程序流程框图。说明:a.计算压力分布过程中,温度
20、和压力是相关的;b.流体物性参数计算至关重要,但目前方法精度差;c.不同的多相流计算方法差别较大,因此在实际应用中有必要根据油井的实际情况筛选精度相对高的方法。采油工程原理与设计采油工程原理与设计第三节 Orkiszewski方法 综合了Griffith&Wallis 和 Duns&Ros 等方法 处理过渡性流型时,采用Ros方法(内插法)针对每种流动型态提出存容比及摩擦损失的计算方法 提出了四种流型,即泡流、段塞流、过渡流及环雾流 把Griffith段塞流相关式改进后推广到了高流速区 1967年提出,适用于垂直管流计算采油工程原理与设计采油工程原理与设计出现雾流时,气体体积流量远大于液体体积
21、流量。根据气体定律,动能变化可表示为:一、压力降公式及流动型态划分界限由垂直管流能量方程可知,压力降是摩擦能量损失、势能变化和动能变化之和:所以压降计算式为:采油工程原理与设计采油工程原理与设计表1-3 Orkiszewski方法流型划分界限不同流动型态下 和 的计算方法不同。采油工程原理与设计采油工程原理与设计二、平均密度及摩擦损失梯度的计算气相存容比气相存容比(含气率含气率)Hg:管段中气相体积与管段容积之比值。液相存容比液相存容比(持液率持液率)HL:管段中液相体积与管段容积之比值。(1)泡流平均密度:采油工程原理与设计采油工程原理与设计滑脱速度:气相流速与液相流速之差。则:泡流摩擦损失
22、梯度按液相进行计算:采油工程原理与设计采油工程原理与设计图1-21 摩擦阻力系数曲线(教材p37)图1-21采油工程原理与设计采油工程原理与设计(2)段塞流平均密度:段塞流的摩擦梯度:段塞流计算中,关键是滑脱速度vs的计算。目前,vs的计算方法有两种:查图迭代法和经验公式法。采油工程原理与设计采油工程原理与设计泡流雷诺数:图1-22 C1Nb曲线雷诺数:图1-23 C2NRe曲线滑脱速度的计算迭代法滑脱速度:采油工程原理与设计采油工程原理与设计滑脱速度的计算经验公式计算法详见教材p3893公式(1-54)(1-58)。(3)过渡流 过渡流的混合物平均密度及摩擦梯度是先按段塞流和雾流分别进行计算
23、,然后用内插方法来确定相应的数值。采油工程原理与设计采油工程原理与设计雾流混合物平均密度计算公式与泡流相同:由于雾流的气液无相对运动速度,即滑脱速度接近于零,基本上没有滑脱。雾流摩擦系数可根据气体雷诺数和液膜相对粗糙度查图得。摩擦梯度:(4)雾流所以:采油工程原理与设计采油工程原理与设计图1-24 Orkiszewski方法计算流程框图采油工程原理与设计采油工程原理与设计第四节 Beggs&Brill 方法 水和空气、聚丙烯管实验基础上总结的方法 建立流型分布图,将七种流型归为三类,增加了过渡流 计算时先按水平管流计算,然后采用倾斜校正系数校正成相应的倾斜管流 倾斜度-90+90,分上坡和下坡
24、流动 1973年提出,适用于水平、垂直和任意倾斜管流计算采油工程原理与设计采油工程原理与设计Beggs&Brill 两相水平管流型分离流分层流波状流环状流间歇流团状流段塞流分散流泡 流雾 流采油工程原理与设计采油工程原理与设计一、基本方程 单位质量气液混合物稳定流动的机械能量守恒方程为:(1)位差压力梯度:消耗于混合物静水压头的压力梯度。(2)摩擦压力梯度:克服管壁流动阻力消耗的压力梯度。假设条件:气液混合物既未对外作功,也未受外界功。采油工程原理与设计采油工程原理与设计(3)加速度压力梯度:由于动能变化而消耗的压力梯度。忽略液体压缩性、考虑到气体质量流速变化远远小于气体密度变化,则:(4)总
25、压力梯度(Beggs-Brill方法的基本方程)采油工程原理与设计采油工程原理与设计图1-26 Beggs-Brill流型分布图(教材p45)二、Beggs&Brill方法的流型分布图及流型判别式采油工程原理与设计采油工程原理与设计表2-4 Beggs-Brill法流型判别条件采油工程原理与设计采油工程原理与设计三、持液率及混合物密度确定(1)持液率Beggs&Brill方法计算倾斜管流时首先按水平管计算,然后进行倾斜校正。表1-6 a、b、c常数表采油工程原理与设计采油工程原理与设计 实验结果表明,倾斜校正系数与倾斜角、无滑脱持液率、弗洛德数及液体速度数有关。图图1-27 1-27 不同不同
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