氣田開發第七章氣井生產系統與舉升工藝

主講：張志全

2010年11月-2010年12月

氣嘴

分離器

地面管線

井筒

氣層氣井示意圖氣井系統前言第一節

氣井生產系統分析

第二節

氣井生產工作制度分析第三節

氣井產氣管柱的確定

第四節

排水采氣方法第五節

氣舉排水采氣

第六節

電潛泵排水采氣第七章氣井生產系統分析與舉升工藝第七章氣井生產系統分析與舉升工藝第一節

氣井生產系統分析

第二節

氣井生產工作制度分析第三節

氣井產氣管柱的確定

第四節

排水采氣方法第五節

氣舉排水采氣

第六節

電潛泵排水采氣

1系統的組成

2基本原理

3節點分析方法

4例題

3.1氣井生產系統分析

一、氣井生產系統組成圖7.1氣井生產系統示意圖“系統是相互作用的多元素的復合體”

系統分析：組分關聯整體小系統

簡單系統直接綜合大系統系統簡單巨系統統計綜合

巨系統

復雜巨系統

3.1氣井生產系統分析二、基本原理盡管各氣井由于結構不同，氣井生產系統模型因井而異。開采過程中，天然氣從地層流經氣井系統的氣層供氣子系統、井筒子系統和地面子系統。天然氣作為流體，應該遵循流體流動的基本定律——質量守衡和能量守衡定律。質量守衡定律在氣井系統中可以表達為：通過各部分（子系統）的流體質量相等；而能量守衡則表現為：各部分的壓力具有累加性，即流體從前一子系統的流出壓力正好等于下一子系統的流入壓力。根據質量守衡和能量守衡定律，就可以將油層子系統、井筒子系統和地面子系統的模型組合成氣井系統的模型。

二、基本原理3.1氣井生產系統分析氣體通過系統的每一部分都有壓力消耗，即在每一部分都產生壓力降。這些壓力降包括：△P1=Pr-Pwfs—通過氣層的壓降；△P2=Pwfs-Pwf—通過完井段的壓降；△P3=PUR-PDR—通過井底氣嘴的壓降；△P4=PUSV-PDSV—通過井下安全閥的壓降；△P5=Pwh-PDSC—通過地面氣嘴的壓降；△P6=PDSC-Psep—通過集氣管的壓降；△P7=Pwf-Pwh—油管內的總壓降；△P8=Pwh-Psep—井口到集氣站的總壓降。Pr為地層壓力；Pwfs為井底油層面上的壓力；Pwf為井底流壓；PUR

、PDR為井下節流器上、下游壓力；PUSV

、PDSV為井下安全閥的上、下游壓力；PDSC為地面氣嘴下游壓力；Pwh為井口油壓；Psep為分離器壓力。

三、節點分析方法3.1氣井生產系統分析

3.1氣井生產系統分析

一、氣井生產系統組成圖3.1氣井生產系統示意圖3.1氣井生產系統分析

（一）、節點設置

節點－兩段不同流動規律的銜接點。節點可以分為普通節點和函數節點兩種。普通節點——節點本身不產生與流量有關的壓降。對于圖（7.1）所示的氣井生產系統，分離器的壓力和地層壓力，通常可視為常數，在一段時間內認為這兩個壓力與系統流量無關。因此，其相應的位置（分離器和氣井控制范圍的外邊界）即圖中的①和⑧可取為普通節點。在圖中的③、⑥和⑦點也屬于普通節點。函數節點（FunctionalNode）是指當氣體通過井下安全閥、地面氣嘴等部件時，將產生與流過氣量相關的壓降，取這些部件為節點稱為函數節點（壓力函數節點）。函數節點產生與流量相關的壓降，其值可通過一定的數學模型進行計算。三、節點分析方法3.1氣井生產系統分析

二）解節點的選擇在運用節點分析法分析系統的具體問題時，通常集中分析系統中的某一節點，此節點一般稱為解節點。通過解節點的選擇，氣井生產系統被劃分成始節點到解節點和解節點到末節點兩部分，即為流入和流出兩大部分。通過對這兩部分的模擬計算，求得流入和流出動態特性參數，并分析比較，便可了解氣井生產系統的動態。解節點的選擇與系統分析的最終結果無關。即解節點的位置可以在生產系統內任意選擇，而不會影響系統分析得出的結果。但為了簡化計算，解節點的位置應該依據所要求解問題的目的而定。原則上，應該使解節點盡可能靠近分析對象。三、節點分析方法3.1氣井生產系統分析

三）氣井節點分析方法與應用：1、分析方法與步驟（1）選取解點；（2）建立流入部分模型，計算流入動態；（3）建立流出部分模型，計算流出動態；（4）作出流入、流出動態曲線；（5）分析三、節點分析方法3.1氣井生產系統分析

三）氣井節點分析方法與應用：2、應用（1）分析系統動態三、節點分析方法

圖7.2系統分析曲線3.1氣井生產系統分析

由圖（7.2）可見，流入與流出動態曲線的交點為A。在A點的左側，例如在產量q1下，對應的井底流壓P1>P1/，說明生產系統內流入能力大于流出能力，這說明油管或流出部分的管線設備系統的設計能力過小或流出部分有阻礙流動的因素存在，限制了氣井生產能力的發揮。而在A點的右側，例如在產量下，情況剛好相反。在該處表明氣層生產能力達不到設計流出管道系統的能力，說明流出管路的設計過大，造成了不必要的浪費或氣井的某些參數控制不合理，或氣層傷害降低了井的生產能力，需要進行解堵、改造等措施。只有在A點，產層的生產能力剛好等于流出管路系統的生產能力，表明井處于流入與流出能力協調的狀態，該點稱為協調產量點。三、節點分析方法3.1氣井生產系統分析

三）氣井接點分析方法與應用：（2）系統的優化選擇

三、節點分析方法

圖7.3系統優化分析圖解3.1氣井生產系統分析

例1：對氣井生產系統進行節點分析。假定如圖7.1系統不裝安全閥和氣嘴，已知：產能指數方程為

油管深度

H=3000m；地面水平集氣管

L=3000m；油管和集氣管內徑

d=6.20㎝；管內平均溫度=293K；氣體相對密度=0.6；分離器壓力=5MPa。目標：在所給參數條件下，求系統最大產能。解：取③為解點，系統被分割為兩部分（1）流入

(2)流出三、節點分析方法

3.1氣井生產系統分析

一、氣井生產系統組成圖7.1氣井生產系統示意圖3.1氣井生產系統分析

分析步驟如下：表7.1（1）假設一系列氣體流量:5、7.5、10、12.5、15、17.5和20，單位為104m3/d；（2）在Psep=5MPa條件下，利用水平管輸氣公式計算各流量相應的井口壓力Pwh值，計算結果列入表7.1第4欄；三、節點分析方法

qsc104m3/dpsepMPa水平輸氣管△P3-1MPaP3=PwhMPa5.050.17015.17017.550.37525.375210.050.64985.649812.550.98845.988415.051.36956.369517.551.79656.796520.052.25817.25813.1氣井生產系統分析

表7.2（3）取=13.459MPa，利用所給氣井產能指數方程，計算各流量下的Pwf值，計算結果列入表7.2第3欄；（4）利用垂直管單相氣流公式計算，計算結果列入表7.2第6欄；

三、節點分析方法

qsprIPR垂直管單相流P6△P8-6P3△P6-35.013.4612.4141.0449.8012.6127.513.4611.7071.7519.1982.50810.013.4610.8992.5598.4892.40912.513.469.9773.4827.6562.32115.013.468.91494.5446.6582.25617.513.467.66265.7965.4141.86620.013.466.10947.3494.6871.4223.1氣井生產系統分析

（5）在同一圖上畫出流入、流出動態曲線，如圖7.4所示；

(6）由流入、流出動態曲線的交點，求出系統在目前條件下的最大產能為15.4×104m3/d。

圖7.4

三、節點分析方法

3.1氣井生產系統分析

例2在圖（7.1）的生產系統中，井口安裝一個氣嘴，可供選擇的氣嘴尺寸分別為26/64，32/64和40/64in，即1.03、1.27和1.59㎝；其它參數同前例。試分析安裝氣嘴后對系統產能的影響。解：（1）選氣嘴②為解點；（2）從例1，由流出動態曲線求得不同流量下流出系統的P3值，并令P3=PDSC；同時，由流入動態曲線可求得對應流量下流入系統的P3值，且P3=Pwh。圖7.4

三、節點分析方法

3.1氣井生產系統分析

(3)令▽P1

＝Pwh-PDSC。

表7.3三、節點分析方法

△p1/MPa

Qsc/104m3/d0

15.4

2

12.5

3

9.5

4

4.5

3.1氣井生產系統分析

（4）氣嘴在非臨界狀態下工作，利用嘴流公式計算不同尺寸氣嘴的qsc～▽P2值表7.4

三、節點分析方法

D/㎝（in）

QscPwh△p2=pwh－pDSC1.03(26/64)

5101520

5.5857.5859.101

0.4511.442.73

1.27(32/64)

5101520

5.5166.3437.9299.791

0.3460.6931.5592.533

1.59(40/64)

5101520

5.2405.9307.5858.998

0.070.281.221.74

3.1氣井生產系統分析

（5）在同一張圖上繪出系統的～曲線和各氣嘴的～曲線，如圖（7.5）所示。每一組曲線與系統的～曲線相交，每一交點相應的流量為安裝該氣嘴后系統的產能，

圖7.5

三、節點分析方法

3.2氣井生產工作制度分析

氣井生產工作制度，又稱工藝制度，是指適應氣井產層地質特征和滿足生產需要時產量和壓力應遵循的關系。

序號工作制度名稱適用條件1定產量制度

氣藏開采初期2定井底滲流速度制度C=const疏松的砂巖地層，防止流速大于某值時砂子從地層中產出3定井壁壓力梯度制度

氣層的巖石不緊密，易坍塌的氣井4定井口（井底）壓力制度

凝析氣井，防止井底壓力低于某值時油在地層中凝析出來；當輸氣壓力一定時，要求一定的井口壓力，以保證輸入管網5定井底壓差制度氣層巖石不緊密、易坍塌的井；有邊、底水的井，防止生產壓差過大引起水錐三、影響氣井生產工作制度的因素1．自然因素1）產層由非膠結的砂子或膠結很差的砂巖構成時

2）在凝析氣藏開發中

3）底水錐進

2．工藝因素影響氣井生產工作制度的工藝因素有很多，如：1）延長無壓縮機開采階段；2）防止氣井過早水淹；3）減少輸氣干線前壓縮機站和人工制冷裝置的功率；

三、影響氣井生產工作制度的因素

3.2氣井生產工作制度分析4）地層溫度比較低的氣井，要確定一個可允許的無水合物形成的產量或采取其它防水合物的措施。5）CO2含量高的氣井，當氣體沿油管流動的速度超過一定值后（約11m/s），對管柱的接頭產生強烈的腐蝕作用，若氣體有水，則電化學腐蝕作用更強。除了采取相應的材料和防腐蝕措施外，另一種輔助方法是盡可能保持一種腐蝕小的流速。6）當氣井井底有積液時，要設法保持能帶出液體的流速。

7）在惡劣的氣候條件或艱苦地區鉆井，要求最大限度的縮短鉆井周期，這也會影響到氣井生產工作制度的確定。獲得了儲層開發經驗，并調查過市場需氣量后，才有可能進行全面分析，決定氣井的合理管徑大小。

3.3氣井產氣管柱的確定三、影響氣井生產工作制度的因素3.3氣井產氣管柱的確定

首先，如果管柱在靠近井底處安裝有封隔器，則管柱可以保護套管不受產氣管柱內流體的高壓作用。其次，它可以保護套管不受液體的腐蝕作用。第三，如果尺寸及組合得當，使用產氣管柱可以使井身內不會留有烴類液體和水。第四，管柱的尺寸必須足夠大，因而可以使氣井在井口回壓的作用下能通過最大氣量。第四項是在有各種限制情況下所起到的作用最重要的一個。一、產氣管尺寸對產氣量的影響產氣管尺寸對產氣量的影響可以采用系統分析方法進行分析。如第一節中的例1和例2。

一、產氣管尺寸對產氣量的影響二、選擇不同流速下用于舉升液體的管徑要舉起一定直徑的液滴，井中的氣體速度必須超過不流動氣體中液滴的自由降落速度，這個速度由下式給出:當氣流速度等于液滴沉降的最終速度時，直徑為d的液滴就能被氣流夾帶到地面，即

二、選擇不同流速下用于舉升液體的管徑3.3氣井產氣管柱的確定液滴變形的慣性力（）與阻止這種變形的表面壓力（）之比，用韋伯數（Webernumber）來表示

許多實驗表明，在韋伯數達到30之前，存在著穩定的液滴。因此，穩定的自由降落液滴的最大直徑為

則攜帶最大液滴的最小氣體流速為

3.3氣井產氣管柱的確定二、選擇不同流速下用于舉升液體的管徑為安全計，Turner等人建議取安全系數為20%。有為了礦場使用，對水可以采用如下數值：=60N/m，

=1081kg/m3。則

對于凝析油：=20N/m，=726kg/m3。則

3.3氣井產氣管柱的確定二、選擇不同流速下用于舉升液體的管徑1、優選管柱：優點：1）屬自力式氣舉，能充分利用氣藏自身能量，不需人為施加外部能源助噴，2）變井由間歇生產為較長時期的連續生產，經濟效益顯著；3）．設計成熟、工藝可靠，成功率高；4）設備配套簡單、施工管理方便，易推廣。缺點：1）．工藝井必須有一定的生產能力，無自噴能力的井必須輔以其他誘噴措施復產或采用不壓井修井工藝作業；2）．工藝的排液能力較小，一般在120m2/d左右；3．對小油管常受井深影響。一般在2600m左右

3.4

排水采氣

一、排水采氣方法2、泡沫優點

:1)

投資小、經濟效益顯著;2)設備配套簡單，管理施工方便;3)易于推廣.

缺點

:1)要求井有一定的自噴能力，自噴能力喪失的水淹井須輔之以放噴或其他誘噴措施，以恢復自噴能力;2)需定時定量向井筒添加泡排劑，工藝的排液能力不高，一般100m3/左右，氣液比比較小;3)井身結構要求嚴格;4)工藝參數的確定難度較大.

3.4

排水采氣

一、排水采氣方法3、連續氣舉

優點

:1)工藝井不受井斜、井深和硫化氫限制及氣液比影響;2)排液量大,單井增產效果顯著;3)可多次重復啟動,與投撈式裝置配套，可減少修井作業次數;4)設備配套簡單，管理方便;5)易測取液面和壓力資料，設計可靠，經濟效益高

缺點

:1)井受注氣壓力對井底造成的回壓影響，不能把氣采至枯竭;2)需要高壓氣井或工藝壓縮機作高壓氣源;3)套管必須能承受注氣高壓;4)高壓施工，對裝置的安全可靠性要求高;

3.4

排水采氣

一、排水采氣方法4、柱塞氣舉

優點

:

1)裝置設計、安裝和管理方便;2)適用于各種條件的井,尤其適用于高氣液比的井，但也可用于氣液比低到534.3～890.5m3/m3的井；3)勿需外部電源；4)井下設備可用鋼絲繩起吊設備安裝；

5)柱塞上下移動可防止結蠟和積垢。缺點

:

1)不能把氣采至枯竭;2)適合于正常情況下排液量小于30m3/d左右的井;3)為達到正確調節，要求較多的工程監測;

4)除了與氣舉一起采用外，要求油套管之間連通，以保證正常操作。

3.4

排水采氣

一、排水采氣方法5、機抽

優點

:1）

設備簡單，可用天然氣和電作動力，易于實現自動控制；

2）設計方法簡單、成熟；

3）投資少，并可使裝備多井重復使用；

4）不受采出程度影響，能把氣采至枯竭。缺點

:1）受井斜、井深和硫化氫影響較大；

2）鑒于氣水井與油井性質差異較大，尚未完全解決配套問題

。

3.4

排水采氣

一、排水采氣方法6、電潛泵優點

:1）排量大(400m3/d)，揚程高(2500m)、可形成大的生產壓差，將氣井采至枯竭；2）易于安裝井下溫度、壓力傳感元件，在地面通過控制屏，隨時直觀測出泵吸入口處溫度、運行電流、壓力等參數；3）自動化程度較高，安裝、操作、管理方便；4）不受井斜限制。缺點

:

1）需要裝高壓電源；2）主要裝備在井下，對于單井設備系統，氣井復活后，難于取出進行重復運用，使裝備的一次性投資較大；3）電機、電纜壽命受井溫影響，由于高溫下電纜易損壞，使井深受限制，目前僅能應用于3000m左右井深

。

一、排水采氣方法3.4

排水采氣

氣舉是一種舉升井下流體的方法。這種方法是通過某種機械手段，把具有較高壓力的氣體注入到井筒中，用作舉升液流的介質。氣舉可分為①連續氣舉、②間歇氣舉、③柱塞氣舉三種①連續氣舉：就是將高壓氣體連續地注入氣舉管內，使井筒中的液體充氣并減輕產出液混合物的密度，達到降低井底壓力的目的，在地層與井底之間形成足夠的生產壓差，從而獲得所需的產量。②間歇氣舉：就是周期性地向井筒注入高壓氣，靠高壓氣的膨脹能將積聚在井筒中的液體舉升到地面的一種舉升方法。③柱塞氣舉：間歇氣舉的一種特殊形式，柱塞作為一種固體的密封界面，將被舉升的液段與舉升氣體分開，減少氣體竄流和液體回落，以提高氣舉的效率。

一、基本概念3.5

氣舉排水采氣

一間歇氣舉設計方法建立在產量的基礎上的設計方法設計方法百分載荷方法百分載荷方法對工作氣舉閥深度，或油井生產能力都不知道的間歇氣舉井比較適用。1氣舉閥的分布

頂部氣舉閥的深度為：其余各氣舉閥深度按下式計算，一直分布到井底為止：

設計方法3.5

氣舉排水采氣

2每次循環需注氣量的確定間歇氣舉一次循環所需注氣量,等于當液段達到井口時,在液段下部平均壓力和平均溫度條件下，充滿液段下部的油管柱所需的氣量。根據氣體定律可得：

為一次循環所需的氣量（標準條件下），m3；為油管中氣柱段的長度,m；At為油管的內截面積,m2；為油管內液段下面的平均壓力，MPa；為油管內液段下面的平均溫度，℃；Z為對應、的天然氣壓縮因子。

設計方法3.5

氣舉排水采氣

3氣舉閥參數的確定對于深度為的氣舉閥，閥處打開壓力可用下式計算根據氣體定律，可以確定出從環空中析放出氣體所需要降低的壓力，MPa；氣舉閥的關閉壓力可取為,MPa；氣舉閥的閥座面積與風包面積比R=2/pvo；根據R即可確定出閥孔徑dv，mm；閥處風包壓力用下式計算

設計方法3.5

氣舉排水采氣

4最佳循環次數N的確定和產量預測間歇氣舉的日排液量可用下式表達：q為間歇氣舉日排液量，m3/d；n為每天的循環次數,次/d；γl為產液的壓力梯度，MPa/m；pr為地層平均壓力，MPa；T為每次循環的注氣時間，d；pm為注氣期間作用于地層的回壓，MPa。Qm為注氣期末油管中液體的最小體積（回落量），m3；回落量可近似地取為22%/1000m。

設計方法3.5

氣舉排水采氣

4最佳循環次數N的確定和產量預測假定T和pm不受每天循環次數n的影響，則對任何一口具體的氣井，J(Pr-Pm)就可以認為是一個常數，于是間歇氣舉的排液量的優化，取決于循環次數n的函數f(n)的優化。

設計方法3.5

氣舉排水采氣

所以當df(n)/dn=0時，f(n)有極大值，其對應的n即是最佳循環次數N，且有：exp(b/N)=(1+b/N)exp(bT)

由上式，利用牛頓-拉夫遜迭代法，就可求得b,T值一定時的N。

設計方法3.5

氣舉排水采氣

三柱塞氣舉氣井停噴與否取決于井底積液的多少。當套管壓力恢復到能使環空的氣體突破油管尾部足以舉升油管中的積液和柱塞時，井才能生產。柱塞下面舉升氣體的壓力必須大于柱塞上部壓力的1/3才能進行有效的舉升。柱塞氣舉的能量主要來源于地層氣，這就要求氣液比相當高，通常約大于534.3～890.5m3/m3。當地層氣能量不足時，它可以額外注氣。靠氣井自身能量進行舉升的稱為常規柱塞氣舉；需要額外注入氣體的稱為組合式柱塞氣舉。

設計方法3.5

氣舉排水采氣

三柱塞氣舉

設計方法3.5

氣舉排水采氣

圖7.10柱塞舉升裝置示意圖三柱塞氣舉

設計方法3.5

氣舉排水采氣

圖7.11柱塞氣舉一個循環的壓力變化三柱塞氣舉1965年，美國的（Foss&Gaul）總結了文杜里（Ventura）油田85口柱塞舉升井的實測資料，給出了靜力學的分析方法。

當柱塞和柱塞上部的液體段塞一起在油管內某一深度上升時，其壓力平衡公式為：井口套壓+油套環空中由氣柱重量產生的壓力-油套環空中氣體摩阻損失=油管中柱塞之下的氣體摩阻損失+柱塞下部的氣柱壓力+柱塞的摩阻損失+舉升柱塞和液體段塞所需的壓力+液體段塞的摩阻損失+液體段塞上部氣體的摩阻損失+液體段塞上部由氣柱重產生的壓力+井口油管回壓+柱塞下部生產液體所產生的壓力

設計方法3.5

氣舉排水采氣

三柱塞氣舉1.最小套壓正如前面所述，柱塞上升過程中的臨界點是柱