人工举升理论2分析

人工举升理论人工举升理论石油大学吴晓东第二讲第二讲 表皮因子表皮因子I949年，VanEverdingen和HurSt引入了表皮效应来表征近井区域所具有的稳态压差Ps表皮效应与压差Ps成正比从数学上看，表皮效应没有物理量纲并与热传导中的膜片系数相似。近井区域示意图图1-12井筒附近的渗透率变化正表皮效应井的表皮效应是一个综合变量。一般说来，使流线偏离井的方向或限制流量的任何现象都会导致正表皮效应。象局部完井(即射孔高度小于油气藏高度)、孔眼数目不合适(会引起流线变形)，这些机械原因以及相变(对主流体相对渗透率的降低)、湍流和对油气藏渗透率的伤害等都会产生正表皮效应。负表皮效应负表皮效应表明近井地带的压降小于油气藏正常的压降。这种负表皮效应，即对总表皮效应的负贡献，可能是对基岩的激化(井眼附近的渗透率高于原始值)、水力裂缝或大斜度井引起的。表皮的不均匀性需要认识的重要一点是，沿整个生产段长度上，表皮的差异可能很大。这种情况在合采垂向上分开的两个或多个不同层段的井上最为可能出现。不同的地层性质(渗透率、应力、机械稳定性、流体)和不同压力都能造成钻井液侵入、炮眼清洗不好及其它原因的非均匀伤害环境。同样的理由也表明沿水平井筒方向非均匀伤害也是可能的。Hawkins公式公式Hawkins(1956)提出了众所周知的表皮效应与上述变量的相关方程式，通常叫Hawkins公式。Hawkins公式示意图公式示意图图1-13近井区井底的理想和实际流压如果井筒附近的渗透率为地层渗透率（即没有伤害），那么外边界压力 Ps与井筒的稳态压降所产生的Pwf,ideal可由下式给出如果井筒附近的渗透率变为Ks，那么真实井底压力的关系式为Pwf,ideal与Pwf,real之差恰好等于表皮效应引起的附加压降Ps，故Hawkins公式该公式在评估渗透率伤害得相对程度和伤害深度时非常有用。表皮效应的组成表皮效应的组成一口井的总表皮效应，是由许多项构成的，一般可把它们累加起来式中sd是伤害表皮；sc+是由于局部完井和井斜造成的表皮；sp是射孔表皮；所有拟表皮用连加号组合在-起，这些拟表皮包括所有与相态有关的速敏效应。表皮效应的讨论图1-14根据多流量试井确定表皮效应和非达西系数表观表皮表观表皮s相敏表皮效应相敏表皮效应与井筒附近压力梯度所引起的相态变化有关。对油井来说，如果井底流压低于泡点压力，则会形成一个气体饱和度，即使气相是不流动的，也会引起油的有效渗透率的降低。以有效(或相对)渗透率比代替K/Ks，则Hawkins可用于这种情况了。部分完井和斜井的表皮效应部分完井和斜井的表皮效应图1-15部分完井的斜井构形部分完井和斜井的表皮效应部分完井和斜井的表皮效应所有引起流线变形的情况都会产生表皮效应sc。和油气藏高度相比，射孔段越小，完井的偏心度越大，则表皮效应越大。所有引起流线变形的情况都会产生表皮效应sc。和油气藏高度相比，射孔段越小，完井的偏心度越大，则表皮效应越大。射孔的表皮效应射孔的表皮效应图1-16射孔表皮计算中所用的井的变量射孔的表皮效应射孔的表皮效应平面流效应sH、垂向汇聚效应sv和井筒效应swb.。第二章第二章 井筒流动动态井筒流动动态在垂直向上的两相流动中，经常出现四种类型流型，即：泡状流、段塞流、搅拌流、环状流。关于两相管流的计算关于两相管流的计算（贝格斯布里尔方法）（贝格斯布里尔方法）1973年贝格斯和布里尔基于由均相流动能量守恒方程式所得出的压力梯度方程式，以空气水混合物在长度为15米的倾斜透明管道中进行了大量的实验，得出了持液率和阻力系数的相关规律。所研究的参数范围是：气体流量，m3/s00.0980液体流量，m3/s00.0019系统的平均压力(绝对)，kPa24165.5管子的直径，mm25.438.1持液率，m3/m300.870压力梯度，kPa/m018倾斜角度，度一90十90流动型态全部这是目前气液两相管流方面较全面的研究成果。机械能量守恒方程式摩阻压力梯度摩阻压力梯度位差压力梯度位差压力梯度加速压力梯度加速压力梯度贝格斯布里尔方法贝格斯布里尔方法持液率持液率Hl的相关规律的相关规律图21持液率与角度的关系曲线的翻转大约都发生在与水平成50的地方。这一现象可以用重力和粘度对于液相的影响来说明。在上坡流动中，当管子角度沿着正方向增加时，作用在液体上的重力使得液体的流动速度减小因此增加了滑脱和持液率。随着角度的进一步增加，液体在全部管子里搭接起来，减少了两相之间的滑脱，因此也就减少了持液率。在下坡流动中，当角度沿着负方向增加时，使得液体的流动速度增大，因此减少了持液率。随着角度沿着负方向进一步增加，有更多的液体与管子表面接触，粘性的拖曳是的液体的流动速度减小，持液率增加。倾斜两相流动的持液率流动型态的确定流动型态的确定图23贝格斯和布里尔的流动型态分布图（水平流动）流动型态的确定流动型态的确定在建立水平持液率的相关规律时，贝格斯和布里尔进行了多重的线性回归分析。对于不同的水平流动型态，贝格斯和布里尔建立了不同的持液率相关规律以及系数c的计算公式。沿程阻力系数沿程阻力系数 的相关规律的相关规律贝格斯和布里尔的研究结果(1)他们得出的相关规律可以准确地计算任何角度下空气水在1英寸和1.5英寸光滑圆管中两相流动时的持液率和压力梯度。它也可以应用于石油工业和化学工业中的许多场合。(2)对于两相流动的管道来说，在许多情况下，管子的倾斜角度明显地影晌着持液率和压力降。贝格斯和布里尔的研究结果在倾斜的两相流动中，当管道与水平约成十50的角度时，持液率达到最大值；当管道与水平约成-50的角度时，持液率达到极小值。在十90和十20时，其持液率近乎相等；这一事实说明，为什么铅直流动的持液率相关规律可以在一定程度上成功地应用于水平流动。贝格斯和布里尔的研究结果在石油工业中，与铅直方向成1520度倾斜的油井中的压力梯度大于铅直井中的压力梯度。气液两相管流在下坡时没有压力恢复这一假设，在某些情况下是正确的，但是在许多情况下，压力恢复却是相当大的，在丘陵和多山地带设计油气混输管道时必须予以考虑。节点系统分析节点系统分析节点系统分析(NodalSystemAnalysis)简称节点分析，最初用于分析和优化设计复杂的电路或管汇系统，1954年吉尔伯特(Gilbert)提议把该方法用于油井生产系统，后来布朗(Brown)等对此进行了比较全面、系统的研究，建立了油气井节点系统分析的基础。节点系统分析节点系统分析节点系统分析是通过任一选定的节点把从油气藏到地面分离器(或用户)所构成的整个油气井生产系统，按计算压力损失的公式或相关式分成几个部分，它既可以将整个系统中各部分的压力损失互相关联起来，对每一部分的压力损失进行定量评估，又可对影响流入、流出节点处流量的多种因素(参数)进行逐一的分析和优选，从而发挥系统的最大潜能，使油气井生产系统实现最优化。节点系统分析节点系统分析图24自喷井生产系统的压力损失示意图1一分离器；2一地面油嘴；3一井口；4一安全阀；5一节流器；6一pwf处；7一pwfs处；8一PR处片；9集气管网；10一油罐；pR一平均油藏压力；pwfs一井底油层面上的压力；pwf一井底流动压力；pUR，pDR一井下节流器上、下游压力；pUSV，pDSV安全阀的上、下游压力；pwh一井口油管压力;PB一地面油嘴下游压力(井口回压)；psep一分离器压力；p1=pr-pwfs一油藏中渗流的压力损失；p2=pwfs-pwf一穿过完井段的压力损失；p3=pUR-pDR一穿过井下节流器的压力损失；p4=pUSV-pDSV穿过井下安全阀的压力损失；p5=pwh-pB一穿过地面油嘴的压力损失；p6=pB-psep一地面出油管线的压力损失；p7=pwf-pwh一油管中的损失，包括p3和p4。p8=pwh-psep一地面管线中的总损失，包括p5。节点节点在油井生产系统中，节点是一个位置的概念。普通节点。两段不同流动规律的衔接点属普通节点。普通节点本身不产生与流量相关的压力损失。函数节点自喷井生产系统中，当流体通过井下节流器、安全阀、地面油嘴等部件时，都会产生与流量相关的压力损失，这些压力不连续的节点称为函数节点(压力函数节点)。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与流出节点两个部分进行求解，从而使问题获得解决，所选的这个使问题获得解决的节点称为求解节点(简称解节点或求解点)。可求解的问题可求解的问题应用节点分析方法时，首先应确定所要研究解决的问题，不同的油气井生产系统所解决的问题不同。对于自喷井生产系统，应用节点分析方法可求解以下几方面的问题。1新完钻的井，根据预测的流入动态曲线，选择完井方式、完井参数(如射孔完井的射孔密度)，确定油管尺寸，选择合理生产压差。可求解的问题可求解的问题2对已投产的生产井系统，找出影响产量的因素，采取措施使之达到合理利用自身压力，取得最大产量。3改善现有生产井的某些条件，预测产量变化，例如，更换油嘴、油管后的产量变化。可求解的问题可求解的问题4预测未来油井的生产动态，例如根据地层压力变化，预测未来的开采动态及停喷时间。5对各种生产方案进行经济分析，寻求最佳生产方案和最大经济效益，进行油、气井生产系统优化设计。必备的数学模型必备的数学模型一个完整的油气井生产系统由若干个部分组成，为了使节点分析方法得以应用，必须具备能够准确描述各部分流量与压力损失的数学模型，以及流体物性参数的计算公式或相关式。解题步骤解题步骤对自喷井生产系统进行节点分析，一般步骤如下：1建立生产井模型。无论用节点分析方法解决哪类问题，首先按油、气井生产的逻辑关系，合理设置节点，从而建立生产井模型(或称确立油井生产系统)。2选择解节点。对一个所要研究解决的问题而言，解节点往往不是唯一的，因此应根据所求解的问题合理选择，通常应选尽可能靠近分析对象的节点作为解节点。解题步骤解题步骤3计算解节点上、下游的供、排液特性。解节点选定后，它就将整个生产系统分割为流入、流出两部分。选普通节点为解节点时，从油层开始到解节点为流入部分，从解节点到分离器为流出部分。根据有关数学模型分别计算给定条件下，解节点上、下游的压力与流量的关系。解题步骤解题步骤4确定生产协调点。根据解节点上、下游的压力与流量的关系，在同一坐标中绘制出解节点上游压力与流量的关系曲线(流入动态曲线即IPR曲线)和下游压力与流量的关系曲线(流出动态曲线即IPR曲线)。流入曲线反映在所给地层压力下，经过若干部分到解节点的供液情况，流出曲线反映在所给分离器压力下，从解节点经过若干部分到分离器的排液情况。流入、流出曲线的交点，即是所给条件下系统可提供的产量与解节点处的压力。解题步骤解题步骤在解节点流入、流出曲线的交点处，流入部分的产量等于流出部分的排量；流入部分的剩余压力等于流出部分排出流入产量所需的压力。解节点上、下游能够协调工作，因此该交点称为协调工作点，简称协调点。如果流入、流出曲线不相交，则流入、流出部分无协调点，说明系统不能按给定的条件正常生产。解题步骤解题步骤5进行动态拟合。由于数学模型及有关参数的误差，上面所求的理论产量常与实际产量不吻合，此时应对数学模型及有关参数进行调整，并经历一个阶段的拟合，使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。解题步骤解题步骤6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，也可以围绕所要解决的问题进行敏感参数分析，通过分析，优选出生产参数，实现油气井生产系统的优化运行。普通节点分析普通节点分析图25简单的自喷井生产系统的节点井底为解节点整个生产系统将从底(节点6)分成两部分：一部分为油藏中的流动；另一部分为从油管入口到分离器的管流系统。协调曲线图26解节点在井底的解协调工作点井底节点的流入与流出曲线的交点就是地层与管流系统的协调点，除此点外，两条曲线上其它点均不满足协调的条件，不是它们的协调工作点。预测油藏未来油井产量图27预测未来产量油井完善性(或流动效率)变化所带来的影响图28油井流动效率变化的影响井口为解节点图29解节点在井口的解井口为解节点图210不同直径油管和出油管线的影响井口为解节点由两条曲线的交点就可求出该井在所给条件下的产量及井口压力。解节点选在井口可用来研究不同直径的油管和出油管线对生产动态的影响，便于选择油管及出油管线的直径。平均油藏压力为解节点图211pR变化时对产量的影响函数节点分析当以函数节点为解节点时，先要以系统两端为起点分别计算不同流量下解节点上、下游的压力、求得节点压差并给出压差一流量曲线。由两条压差一流量曲线的交点便可求得问题的解油嘴上、下游压力与产量关系曲线图212油嘴上、下游压力与产量关系曲线不同规格油嘴的生产系统特征图213不同规格油嘴的生产系统特征以地面油嘴为解节点以地面油嘴为解节点将整个生产系统分为流入、流出两大部分。求出油嘴上、下游压差与产量的关系曲线以地面油嘴为解节点，可以根据要求选择合适的油嘴及预测不同油嘴下的油井产量。油嘴特性曲线图214油嘴特性曲线