第一章 海上采油工艺原理
第一节 流入动态
油井产量与井底流动压力的关系曲线称为流入动态曲线(Inflow Performance Relationship Curve)
,简称为IPR
曲线。它反映了油藏向该井供油的能力,有些书中也称指示曲线(IndexCurve)
,即油井产量与生产压差的关系曲线,因一定时间内油层压力可看作稳定不变,生产压差的变化即井底流压的变化。对单井来说,IPR
曲线表示了油层的工作特性,因此,它既是确定油井合理工作制度的依据,也是分析油井动态的基础。典型的油井流入动态曲线如图1-7
所示。由图可看出,IPR
曲线的基本形状与油藏的驱动类型有关,在同一驱动方式下pwf-
q关系的具体数值将取决于油层压力、渗透率及流体物性。有关不同驱动方式下pwf-
q关系与油藏物理参数及完井状况之间的定量关系已在渗流力学中作了详细的讨论。这里,我们仅从研究油井生产动态的角度来讨论不同条件下的流入动态曲线及其绘制方法。一、单相流体的流入动态井底流压高于原油在地层条件下的饱和压力时,油藏中流体的流动为单相流动。根据达西定律,等厚均质圆形地层中心一口井的产量公式为: (1-1a)
式中 q0── 油井产量(
地面),m
3/d
; h──油层有效厚度,m
; k ── 油层中油的有效渗透率,10
-3μm
2; ──油井平均地层压力,MPa
;pwf ──油井井底流压,MPa
; μ0 ──地层油的粘度,mPa
·s
;B0 ──原油体积系数,
无因次; re ── 油井供油边缘半径,m
;rw ──油井半径,m
; b ——
常数,圆形封闭边界,b=3/4
;圆形定压边界,b=0.5
;X ——
与泄油面积形状和井的位置有关的系数,圆形油藏X=
re/
rw;其余查表1-1
。s ── 表皮系数,
无因次;与油井完成完善程度,
井底污染或增产措施等有关。在单相流动条件下,油层物性及流体性质基本不随压力变化,因此,上述产量公式可写成: (1-1b
) 其中 (1-2
) Jo称为采油指数,即每增加单位生产压力差时,油井的产量。它是一个反映油层性质、流体参数、完井条件及泄油面积等与产量之间关系的综合指标。因而可用的数值来评价和分析油井的生产能力。一般都是用系统试井试井资料来求得采油指数。只要测得3
~5
个稳定工作制度下的产量及其流压,便可绘制该井的IPR
曲线。单相流动时的IPR
曲线为直线,其斜率的负倒数便是采油指数;在纵坐标(压力坐标)上的截距即为油层压力,外推直线至q0=0
处就可获得油藏的平均压力。有了采油指数就可以在油井进行系统分析时利用公式(1-2
)和公式(1-3
)来预测不同流压下的产量及油藏参数。当油井产量很高时,在井底附近将出现非达西渗流,根据渗流力学中的达西渗流二项式,油井产量和生产压差之间的关系为 (1-3
) 式中 C
、D
——与油层及流体物性等有关的系数。 将公式(2-3
)改写为 (1-4
) 由公式(1-4
)可看出,呈线性关系。由试井资料绘制的直线的斜率为D
,其截距为C
。求出C
、D
后,便可以利用公式(1-3
)预测非达西渗流范围内的油井流入动态。表1-1 单井泄流面积与井点位置系数
二、油气两相渗流时的流入动态当地层压力低于原油在地层条件下的饱和压力时,油藏驱动类型为溶解气驱,此时,油藏中流体的流动为气液两相流。油气两相渗流时的油井流入动态分析和预测一般采用简便的近似方法来绘制IPR
曲线。(1
)垂直井油气两相渗流时的流入动态1968
年,Vogel
发表了适用于溶解气驱油藏的无因次IPR
曲线及描述该曲线的方程。他们是根据用计算机对若干典型的溶解气驱油藏的流入动态曲线的计算结果提出的。计算时假设:圆形封闭油藏,油井位于中心;油层均质,含水饱和度恒定;忽略重力影响;忽略岩石和水的压缩性;油、气组成及平衡不变;油、气两相的压力相同;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。Vogel
对不同流体性质、油气比、相对渗透率、井距及压裂过的井和井底有污染的井等各种情况下的21
个溶解气驱油藏进行计算,结果发现IPR
曲线除高粘度油藏及油井污染严重时差别较大外,
都有类似形状,Vogel
在排除这些特殊情况后绘制了一条如图1-2
所示的参考曲线,称为Vogel
曲线,该曲线的横坐标为油井产量与最大产能的比值(),纵坐标为井底压力与目前地层平均压力的比值()。这条曲线可看作是溶解气驱油藏渗流方程通解的近似解。图中曲线可用Vogel
方程表示: (1-6)
式中 q0max ── 井底流压降至大气压时的油井最大日产油量,m
3/d
。其余符号的意义及单位同前。Vogel
方程可以在不涉及油藏参数及流体性质资料,只需已知油井产量及相应的井底流压就可以简便地求出油井的IPR
曲线。例1-1:已知某井油层平均压力=13.0MPa
,pwf=11.0MPa
时的日产油量q0=30m
3/d
,试用Vogel
方程绘制该井的IPR
曲线。解:1
)计算q
omax=116.3 m
3/d
2
)预测不同流压下的产油量利用 计算不同流压下的产油量并将结果列入表1-2
表 1-2 不同流压下的产油量
3)
根据1-2
表中的数据绘制IPR
曲线,如图1-3
所示。根据绘制的IPR
曲线及Vogel
方程,即可预测不同流压下所对应的日产油量,并以q0作为设计的依据或油井管理分析的基础。现场实践证明,用上述方法预测溶解气驱油藏的油井产量获得了较满意的结果。值得注意的是Vogel
在建立无因次流入动态曲线和方程时,认为油井是理想的完善井。实际油井并非理想的完善井,由于井的不完善性会增加或降低井底附近的压力降,因此,在绘制非完善井的IPR
曲线时应用理想完善井的井底流压代替实际井的井底流压代入Vogel
方程。则非完善井的流入动态为 (1-7)
式中 ——
理想完善井的流压,MPa
;——
同一产量下实际非完善井的流压,MPa
;——
非完善井表皮附加压力降,MPa
;由渗流力学知其余符号意义及单位同前。(2
)斜井和水平井的IPR
曲线20世纪80年代以来,国际上水平井的井数和产量一直迅速增加。对于较薄的油层或垂向渗透率较大的油藏,尤其是裂缝性油藏,钻水平井是极好的选择。如图1-4所示,长度为L的水平井穿过水平渗透率和垂向渗透率分别为
Kh和
KV的油藏。水平井形成椭球形的泄流区域,其泄流区域的长半轴为
与水平井长度有关,大大增加了井眼与油藏的接触面积。
基于Joshi
(1988
)的研究成果,位于油层中部水平井在稳态流动及条件下的采油指数为 (1-8)
式中 β-----
油层渗透率各向异性系数;——长度为L
的水平井所形成的椭球形泄流区域的长半轴,m
;——水平井的泄流半径, m
; Kh、
Kv——油层水平、垂向方向的渗透率,10
-3μm
2;
L——水平井水平段长度(简称井长),m;
S——水平井表皮系数,无因次;
A——水平井控制泄油面积,m
2。
Bendakhlia等用两种三维三相黑油模拟器研究了多种情况下溶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。曲线表明:早期的IPR曲线近乎于直线,随着采收率增加,曲度增加,接近衰竭时曲度稍有减小。
Bendakhlia
建议用: (1-9)
图 1-4 水平井示意图
来拟合IPR
曲线图版,发现吻合很好。v和n两参数随采收率变化的关系曲线如图2
-5
所示。三、时的流入动态(组合型的IPR曲线)当油藏压力高于饱和压力,而井底流压低于饱和压力时,油藏中将同时存在单相和气液两相流动。在时典型的IPR
曲线如图2-6
所示。在pwf>
pb时,由于油藏中全部为单相液体流动,采油指数为常数,IPR
曲线为直线。此时的流入动态可用式(2-1b
)表示,
采油指数可由测试结果求得 (2-10
) 流压等于饱和压力时的产量qb为当pwf <
pb后,油藏中出现两相渗流,IPR
曲线 之间的关系将由直线变成曲线。如果用pb及qc代替Vogel
方程中的及qomax,则可用Vogel
方程来描述pwf <
pb时的流入动态。由此可得 (1-12
) 分别对公式(1-10
)和(1-12
)求导,可得在pwf=
pb点,上述两个导数相等,即则 (1-13
)将公式(1-11
)代入公式(1-13
),得 (1-14
) 如果测试时的井底流压高于饱和压力(即pwftest>
pb),则可直接用公式(1-10
)、(1-11
)和(1-13
)求得Jo、qb和qc后用公式(1-12
)计算不同流压下的产量,从而绘出相应的IPR
曲线。如果测试时的井底流压低于饱和压力(即pwftest<
pb),则由公式(2-10
)、(2-12
)和(2-13
)得 (1-15
) 只要将测试得到的产量和流压及pr和pb代入(1-15
)式便可求得pwf<
pb条件下的采油指数。例1-2 已知某井油层平均压力=16.0MPa,
pb=13.0MPa
,pwf=14.0MPa
时的日产油量q0=20m
3/d
,试计算pwf=8.0MPa
时的产量及该井的IPR
曲线。解:1
)计算qb和J因pwf>
pb,可采用公式(1-7
)计算Jo及qb=10.0
(m
3/d
)/MPa
=30
(m
3/d
)2
)计算qC及q0max=72.22
(m
3/d
) (m
3/d
) 3
)MPa
时的产量=71.45
(m
3/d
)4
)不同流压下的产量表1-3
表 1-3 不同流压下的产量
5
)根据表1-3
中的数据绘制IPR
曲线,如图1-6
所示。4.油气水三相渗流时的流入动态当考虑油气水三相渗流时,IPR
曲线(图1-7
)计算公式如下: (1-16)
(1-17)
式中 ——井底压力降至大气压时的最大产液量,m
3/d
;f
w——含水率,小数;J(JL)——产液指数,m
3/
(d.MPa
)。其余符号及意义同前。建立含水的IPR
曲线所必须的变量是油藏平均压力、饱和压力、总产量q与相应的井底流压和含水率fw,下面分两种情况给出采油指数J(在这里应该说是采液指数)的计算表达式:测试时,若
>
,则
(1-18)
测试时,若
<
,则
(1-19)
式中:A=
第二节 自喷原理
一、自喷井的四种流动过程任何油井的生产都可分为三个基本流动过程:从油层到井底的流动——
油层中的渗流;从井底到井口的流动——
井筒中的流动;从井口到分离器——
在地面管线中的水平或倾斜管流。对自喷井,原油到井口后,还有通过油嘴的流动——
嘴流。所以自喷井从油层流到地面转油站可以分为四个基本流动过程——地层渗流、井筒多相管流、嘴流、地面管线流动。如图1-8
所示。虽然四种流动过程各自遵循的规律不同,但具有共同的特点:(1
)四种流动过程同处于一个动力系统中从油层流到井底的剩余压力称为井底压力(
或井底流动压力,简称流压)
。对某一油层来说,
在一定的开采阶段,油层压力相对稳定于某一数值,如改变井底压力就可改变产量的大小,井底压力变大,则产出量就要减少。可见油从油层流入井底的过程中井底压力是阻力,而对油气在垂直管上升过程来说,井底压力则是把油气举出地面的动力。把油气推举到井口后剩余的压力称为井口油管压力(简称油压),井口油管压力对油气在井内垂直管流来说是一个阻力,而对嘴流来说又是动力。可见以上流动过程是相互联系的同一个动力系统。其中井底压力及井口油管压力的变化是油井分析管理工作中的重要依据。(2)
四种流动过程存在的能量供给与消耗有效的利用能量,减小能量消耗是分析管理油井的重要基础,能量的大小主要表现为压力的高低,能量的消耗主要表现为压力的损失。四种流动过程的压力损失情况如下:①地层渗流:能量来源于原始地层压力和气体的膨胀能,压力损失是由油、气、水三相流体在地层渗流过程中渗流阻力所产生的压力损失。当井底压力高于饱和压力时为单相流动,当井底压力低于饱和压力时井底附近为多相渗流。在从油层渗流到井底过程中的压力损失占油层至分离器总压力损失的10
%~30
%。②油井垂直管流:压力损失(含重力损失、摩擦损失和气流速度变化引起的动能损失)占总压力损失的30
%~80
%。能量来源于井底流压和气体的膨胀能。③嘴流:油气通过油嘴节流后的压力损失一般占总压力损失的5
%~30
%;④出油管线流动:压力损失主要是摩擦损失和气流速度变化引起的动能损失,一般占总压力损失的5
%~10
%,能量来源于井口油压和气体的膨胀能。流体从地层流到地面分离器的总压力损失等于各个流动过程所产生的压力损失之和。即为了保持自喷井高产稳产,取得最佳经济效益,有必要掌握各个流动过程的流动规律从而合理地控制和调节工作方式。二、井筒内气液两相流动在许多情况下,油井生产系统的总压降大部分是用来克服混合物在油管中流动时的重力和摩擦损失。为了掌握油井生产规律及合理地控制和调节油井工作方式,必须熟悉气-液混合物在油管中的流动规律。
由于流体的非均匀性,在气液两相管流中,气液各相的分布状况可能是多种多样,存在着各种不同的流型,而气液界面又很复杂和多变。描述两相管流的数学模型要比单相管流复杂得多。两相管流的处理方法与单相流有共同之处,但也有其特点。
(1)井筒两相流特性
①井筒单相流能量的来源和消耗
当井口压力大于原油的饱和压力时,井内沿垂直管流着的是单相原油,其流动规律与水动力学中单相垂直管流的流动规律完全相同。一些注水开发的油田,油井含水达90%以上,气液比很低,也可看成是单相垂直管流。井底流动压力既是油藏流体流到井底后的剩余压力,同时也是沿井筒向上流动的动力。由流体力学知,此时油管中的压力平衡等式为:
(1-20)
或
(1-20a)
式中
── 井底流动压力,MPa;
pwh ── 井口压力,MPa。
──液体重力所产生的压力,MPa;
──克服摩擦所消耗的压力(摩擦阻力),MPa;
f ── 水力阻力系数;其值取决于液体在管中流动的状态,由相应的雷诺数值确定。
Re<2320为流层,
f=64/Re,
Re>2320为紊流,
f值可由经验公式计算(参看工程流体力学中的经验公式)。
L ── 油管长度,m;
D──油管直径,m;
H ── 井深,m;
ρl ──液体的密度,kg/m
3;
υl ── 气液混合物在油管中运动的速度,m/s;
其余符号同上。
从压力平衡关系式(1-20)可看出:
1)单相垂直管流能量来源为井底流动压力,能量消耗在克服液柱的重力和摩擦阻力两个方面。
2)当井底有足够高的流压时,单相原油才能喷出井口,因此,其自喷的充分条件为井底流动压力必须大于井内液柱压力与摩擦阻力之和。即
(1-21)
②井筒气液两相流动与单相流动对比
当自喷井的井底压力低于饱和压力时,则整个油管内均为气-液两相流动。当井底压力高于饱和压力而井口压力低于饱和压力时,油流上升到其压力低于饱和压力的某一高度之后,油中溶解的天然气开始从油中分离出来,油管中便由单相液流变为油-气两相流动。液流中增加了气相之后,其流动型态(流态)与单相垂直管流有很大的差别,流动过程中的能量供给与消耗关系要复杂得多。油气上升过程中,从油中不断分离出溶解气参与膨胀和举升液体。气液两相垂直管流的能量来源除压能外,气体膨胀是很重要的方面。一些溶解气驱油藏的自喷井,流压很低,主要靠气体膨胀来维持油井自喷。但并非所有的气体膨胀能量都可以有效地举油,这要看气体在举升系统中做功的条件。油气在流动过程中的分布