第九章 自喷采油及节点系统分析
第一节 自喷采油
第二节 节点系统分析采油方法通常是指将流到井底的原油采到地面上所采用的方法自喷采油法：利用油层自身的能量使油喷到地面的方法人工举升：人为给井底的油流补充能量，
将油采到地面的方法自喷人工举升有杆泵采油方法常规（抽油机）
地面驱动螺杆泵无杆泵电泵离心泵电动潜油螺杆泵水力泵水力活塞泵水力射流泵水力涡轮泵液动螺杆泵气举 连续气举间歇气举第一节 自喷采油一,自喷井生产系统中流体的流动规律
1,气液混合物在油管中的流动规律油 +水 +气 多相流气相 +液相 气液两相流
(1) 油气混合物在油管中的流动特征
1) 与单相液流的比较流压：从油层流到井底后具有的压力油压：流压作用下，克服静液柱压力和流动阻力后的压力
a.出现条件 单相两相与单相共存全井多相
bt pp?
wfbt ppp
bwf pp?
b.能量供给 单相：井底流压多相,+气体膨胀能
tfHwf pppp
wfp
c.运动参数 单相：
多相：自下而上，
Cvq,,
mvq?,
d.能量消耗 单相：重力 +摩阻多相：重力 +摩阻 +动能损失
2) 油气混合物在油管中的流动型态
2) 油气混合物在油管中的流动型态流动形态：流动过程中，油气在管线内的分布状态，简称流型。既与气油体积比，流速及油藏性质有关，又与管线走向有关 。
根据两相介质分布的外形分为 5类：
a,纯油流 单相连续流
bpp?
b.泡流 气体以小气泡的形式分散在液相中，气泡的直径相对于油管直径小很多
bpp?
特点；气体是分散相，液体是连续相，气体影响,对摩阻的影响不大，滑脱现象严重。
滑脱：气液垂直管流中，由于气液密度差引起的气体超越液体流动的现象。
m?
c.段塞流 一段油，一段气的结构特点：气是分散相，液是分散相，气托油向上运动，气体膨胀能得到较好的发挥和利用，
滑脱小。
d.环流 油管中心是连续的气相，而管壁为环流的流动结构。
特点：油气均为连续相，气体的举油作用是靠摩擦携带。
e.雾流 油管中央的气流芯子变粗，沿管壁流动的油环变薄，此时，大部分油都以小油滴分散在气流中。
特点：气体是连续相，液体是分散相，气携带油高速喷出井口，气液相对速度很小，
气体是整个流动的控制因素。
。流型为渐变，非突变。
同一井不全出现全部流态按两相介质分布外形划分泡流 段塞流 环流 雾流按流动的数学模型划分分散流 间歇流 分离流 分散流
3) 滑脱损失出现滑脱之后将增大气液混合物的密度，从而产生附加的压力损失,
多相垂直管流中，混合物液柱重力所消耗的能量远比其它能量消耗要大。
单位管长上的滑脱损失,
m m? 'm?
= -
lm
l
l
ggll
m
ggll
llggg
lg
gl
ggll
m
mgl
mgl
glgglll
ll
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f
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vv
qq
qq
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fffvfqgvfq
f
f
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ff
''
)'('
','
'
,,
'
考虑滑脱时无滑脱时又
(2) 气液两相流动的研究模型两相流动规律比单相流动复杂存在比例分布状况均相流动模型分相流动模型流动形态模型
a.均相流动模型,简称均流模型,混合物为均匀介质,流动的参数取两相介质的平均值，从而按照单相介质来处理,对泡流和雾流精度高，
简单，方便，工程上适用,
b.分相流动模型,简称分流模型，气、液分开流动，
有流动参数和物性参数，建立每相介质动力特性方程。该模型更能反映气液两相之间流动状况的变化，但计算较复杂。
c.流动形态模型,分成几种典型的流型，然后按不同流型的流动机理分别研究其流动规律。根据各种流型的特点建立相应的关系式，从而能深入地研究两相流动的实质。
(3) 气液两相管流压力分布计算步骤压力梯度公式,
2
si n
2
mm
m
z
m
mmm
v
d
f
d
dvvg
dz
dp
克服重力位能 动能变化而损失的压力其中,随 p 变化,计算压力分别应分段,
v,?
两种迭代方法,
压差分段,按长度增量迭代,
程度分段,按压力增量迭代,
压差分段的计算步骤,
任取一点 (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；
估计一个 对应的长度增量
计算该 管段的
计算该段
计算对应的 的管长
对比,相差大,则以 代,重复 2到 5步,直至 为止
计算该段下端对应长度 及,
以 Li,Pi为起点,重复 2到 7步,直至
p? 1L?
L? TP,
dL
dp
p? dLdp
pL
1LL L? 1L?
0)1( LL
Li Pi PiPiLiLi
n
i
,
1
LLn?
(4) 计算气液两相管流压力梯度的贝格斯 -
Beggs-Brill，在均相流能量方程基础上，依据实验得出持液率和沿程阻力系数的相关规律。
① 持液率：气液两相的过流断面中，液相的过流端面面积占总过流端面面积的份额。
② 压力梯度公式
afrh h
p
h
p
h
p
dh
dp )()()(
pvvHH
dA
Gv
gHH
dh
dp
sglgll
lgll
/})]1({[1
2
s i n)]1([
Aqv gsg /?,
气相折点速度
③ 流动形态：分散流，间歇流，分离流，过渡流
b.计算管线倾角作全方位变化的气液两相管流。是目前唯一能适用直井，斜井，水平井井筒及地面管线压力梯度的计算方法。
④ 沿程阻力系数
a.能计算全部流动形态的压力梯度
2,气液混合物通过油嘴的流动规律油嘴：调节和控制自喷井产量的装置选择油嘴的要求：
① 保持油井高产稳产
② 油井生产稳定，不受地面管线和压力波动的影响以气体为例，忽略能量损失和位能变化，
则出口流量为：
222?vAG?
① 将高压气体通过油嘴的流动视为绝热过程
k
kk
p
p
p
p
p
p
1
2
1
12
1
1
1
1
1
1
)(
11
)(
11
)(
② 根据气体稳定流动能量方程求
2v
])(1[
1
2
1
2
21,210
1
1
2
1
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2
1
2
2
K
K
p
p
p
pp
K
K
v
v
dpvv
ppvvv d v
dp
忽略积分
③ 由上面几式可得：
：气井相对密度
：油嘴直径
g
ch
3K
1K
1
2K
2
1
2
11g
2
ch1
3
sc
M P a:p
d
d/m)
p
p
()
p
p
(
1K
K
ZT
dp100 6 6.4
q
④ 求最大产量
m a xscq
对 求导，令 =0，解出
scq 'scq maxscq
])
1
2
()
1
2
[(
1
100 6 6.4 1112
11
2
1
3
m a x
K
K
K
g
ch
sc KKK
K
ZT
dp
q
⑤ 临界压力比（通过油嘴流量最大时的压力比）
1
1
2
1
)
1
2
(?
k
k
c
kp
p
p
p
时，非临界流动,下游压力 的影响将会逆流向上传播，影响流量时，临界流动,下游压力 的变化无法逆流向上传播，
流量不随变化压力波传播速度气 vv?
2p
压力波传播速度气 vv?
2p
1
1
2 )
1
2(?
k
k
kp
p
1
1
2 )
1
2(?
k
k
kp
p
临界流动,流体的速度达到压力波在该流体介质中的传播速度即声速时的流动。
此时，过嘴流量 只与 有关。1p
天然气似于单相气体流动空气，混合物过嘴流近
5 4 6.0
p
p
5 2 8.0
p
p
1
2
1
2
临界条件下，混合物的流量不受嘴后压力波动的影响，而只与嘴前压力有关。
whp chmogon dqcR /
=
whp
—— 油压 (即 ),Pa；1p
⑥ 嘴流曲线（油管特性曲线）
通过油嘴的压差
Bwh ppp
临界流动条件下，
成线性关系,如下图：
owh qp ---
二,自喷井管理及分层开采
1,自喷井管理基本内容 管好生产压差 -----手段取全取准资料 -----依据保证油井正常生成 --目的生产压差：油层压力与井底流压之差，
wfR ppp
合理生产压差 =油井的合理工作制度 =指在目前的油层压力下，油井以多大的流量和产量进行工作。
① 对于注水开发的油田，合理的工作制
保证较高的采油速度
保证注采平衡
保证注采指数稳定
保证无水采油期长
应能充分利用地层能量，又不破坏地层结构
流饱压差合理考虑了上述各种要求所确定的工作制度则认为是合理的 。 但是,,合理,是相对的,工作制度应随着生产情况的变化和技术的发展而改变,应以充分发挥油层潜力为前提 。
② 非注水开发油田合理工作制度应根据稳定试井和采油资料确定。
原则上：合理利用地层能量，保持生产稳定
2,自喷井分层开采原因：多油层只用一个油嘴难以控制各小层，难使各小层均合理生产分层开采：在多油层条件下，为充分发挥各油层的生产能力，调整层间矛盾，而对各小层分别控制开采，称分层开采。
⑴ 分层开采的方法单管分采：在井内只下一套油管柱，用单管多级封隔器将各个油层分隔开，在油管上与各油层对应的部位装一配产器，并在配产器内装一油嘴对各层进行控制采油 。
多管分采：在井内下入多套管柱，用封隔器将各个油层分隔开，通过每一套管柱和井口油嘴单独实现一个油层 (或层段 )的控制采油单管分采钢材少层数多，
3个以上钻井费低有层间干扰易作用施工多管分采钢材多层数少，
2到 3
个钻井费高无层间干扰难作用施工优缺点我国主要用单管分采，特殊井或层间干扰严重的井用多管分采。
（ 2）六分四清内容以单管分层注水为中心实现“六分四清”
的一整套油田开采工艺和技术。
六分：分层注水，分层采油，分层测试，分层研究，分层管理，分层改造四清：分层采油量清，分层注水量清，分层压力清，分层出水量清实质：按各层段差异，将各层段隔开，进行分层定量注水和采油。
（ 3）分层开采井下设备封隔器：风格油套环空，将油层分成互不干扰的独立系统。
配产器：内装油嘴，对其油层控制合适的生产压差，实现各层段定量产油。
第一节 自喷采油
第二节 节点系统分析采油方法通常是指将流到井底的原油采到地面上所采用的方法自喷采油法：利用油层自身的能量使油喷到地面的方法人工举升：人为给井底的油流补充能量，
将油采到地面的方法自喷人工举升有杆泵采油方法常规（抽油机）
地面驱动螺杆泵无杆泵电泵离心泵电动潜油螺杆泵水力泵水力活塞泵水力射流泵水力涡轮泵液动螺杆泵气举 连续气举间歇气举第一节 自喷采油一,自喷井生产系统中流体的流动规律
1,气液混合物在油管中的流动规律油 +水 +气 多相流气相 +液相 气液两相流
(1) 油气混合物在油管中的流动特征
1) 与单相液流的比较流压：从油层流到井底后具有的压力油压：流压作用下，克服静液柱压力和流动阻力后的压力
a.出现条件 单相两相与单相共存全井多相
bt pp?
wfbt ppp
bwf pp?
b.能量供给 单相：井底流压多相,+气体膨胀能
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wfp
c.运动参数 单相：
多相：自下而上，
Cvq,,
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d.能量消耗 单相：重力 +摩阻多相：重力 +摩阻 +动能损失
2) 油气混合物在油管中的流动型态
2) 油气混合物在油管中的流动型态流动形态：流动过程中，油气在管线内的分布状态，简称流型。既与气油体积比，流速及油藏性质有关，又与管线走向有关 。
根据两相介质分布的外形分为 5类：
a,纯油流 单相连续流
bpp?
b.泡流 气体以小气泡的形式分散在液相中，气泡的直径相对于油管直径小很多
bpp?
特点；气体是分散相，液体是连续相，气体影响,对摩阻的影响不大，滑脱现象严重。
滑脱：气液垂直管流中，由于气液密度差引起的气体超越液体流动的现象。
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c.段塞流 一段油，一段气的结构特点：气是分散相，液是分散相，气托油向上运动，气体膨胀能得到较好的发挥和利用，
滑脱小。
d.环流 油管中心是连续的气相，而管壁为环流的流动结构。
特点：油气均为连续相，气体的举油作用是靠摩擦携带。
e.雾流 油管中央的气流芯子变粗，沿管壁流动的油环变薄，此时，大部分油都以小油滴分散在气流中。
特点：气体是连续相，液体是分散相，气携带油高速喷出井口，气液相对速度很小，
气体是整个流动的控制因素。
。流型为渐变，非突变。
同一井不全出现全部流态按两相介质分布外形划分泡流 段塞流 环流 雾流按流动的数学模型划分分散流 间歇流 分离流 分散流
3) 滑脱损失出现滑脱之后将增大气液混合物的密度，从而产生附加的压力损失,
多相垂直管流中，混合物液柱重力所消耗的能量远比其它能量消耗要大。
单位管长上的滑脱损失,
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考虑滑脱时无滑脱时又
(2) 气液两相流动的研究模型两相流动规律比单相流动复杂存在比例分布状况均相流动模型分相流动模型流动形态模型
a.均相流动模型,简称均流模型,混合物为均匀介质,流动的参数取两相介质的平均值，从而按照单相介质来处理,对泡流和雾流精度高，
简单，方便，工程上适用,
b.分相流动模型,简称分流模型，气、液分开流动，
有流动参数和物性参数，建立每相介质动力特性方程。该模型更能反映气液两相之间流动状况的变化，但计算较复杂。
c.流动形态模型,分成几种典型的流型，然后按不同流型的流动机理分别研究其流动规律。根据各种流型的特点建立相应的关系式，从而能深入地研究两相流动的实质。
(3) 气液两相管流压力分布计算步骤压力梯度公式,
2
si n
2
mm
m
z
m
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d
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克服重力位能 动能变化而损失的压力其中,随 p 变化,计算压力分别应分段,
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两种迭代方法,
压差分段,按长度增量迭代,
程度分段,按压力增量迭代,
压差分段的计算步骤,
任取一点 (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；
估计一个 对应的长度增量
计算该 管段的
计算该段
计算对应的 的管长
对比,相差大,则以 代,重复 2到 5步,直至 为止
计算该段下端对应长度 及,
以 Li,Pi为起点,重复 2到 7步,直至
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L? TP,
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0)1( LL
Li Pi PiPiLiLi
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i
,
1
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(4) 计算气液两相管流压力梯度的贝格斯 -
Beggs-Brill，在均相流能量方程基础上，依据实验得出持液率和沿程阻力系数的相关规律。
① 持液率：气液两相的过流断面中，液相的过流端面面积占总过流端面面积的份额。
② 压力梯度公式
afrh h
p
h
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2
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Aqv gsg /?,
气相折点速度
③ 流动形态：分散流，间歇流，分离流，过渡流
b.计算管线倾角作全方位变化的气液两相管流。是目前唯一能适用直井，斜井，水平井井筒及地面管线压力梯度的计算方法。
④ 沿程阻力系数
a.能计算全部流动形态的压力梯度
2,气液混合物通过油嘴的流动规律油嘴：调节和控制自喷井产量的装置选择油嘴的要求：
① 保持油井高产稳产
② 油井生产稳定，不受地面管线和压力波动的影响以气体为例，忽略能量损失和位能变化，
则出口流量为：
222?vAG?
① 将高压气体通过油嘴的流动视为绝热过程
k
kk
p
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1
2
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12
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1
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② 根据气体稳定流动能量方程求
2v
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K
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忽略积分
③ 由上面几式可得：
：气井相对密度
：油嘴直径
g
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3K
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1
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④ 求最大产量
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1
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⑤ 临界压力比（通过油嘴流量最大时的压力比）
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时，非临界流动,下游压力 的影响将会逆流向上传播，影响流量时，临界流动,下游压力 的变化无法逆流向上传播，
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此时，过嘴流量 只与 有关。1p
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临界条件下，混合物的流量不受嘴后压力波动的影响，而只与嘴前压力有关。
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=
whp
—— 油压 (即 ),Pa；1p
⑥ 嘴流曲线（油管特性曲线）
通过油嘴的压差
Bwh ppp
临界流动条件下，
成线性关系,如下图：
owh qp ---
二,自喷井管理及分层开采
1,自喷井管理基本内容 管好生产压差 -----手段取全取准资料 -----依据保证油井正常生成 --目的生产压差：油层压力与井底流压之差，
wfR ppp
合理生产压差 =油井的合理工作制度 =指在目前的油层压力下，油井以多大的流量和产量进行工作。
① 对于注水开发的油田，合理的工作制
保证较高的采油速度
保证注采平衡
保证注采指数稳定
保证无水采油期长
应能充分利用地层能量，又不破坏地层结构
流饱压差合理考虑了上述各种要求所确定的工作制度则认为是合理的 。 但是,,合理,是相对的,工作制度应随着生产情况的变化和技术的发展而改变,应以充分发挥油层潜力为前提 。
② 非注水开发油田合理工作制度应根据稳定试井和采油资料确定。
原则上：合理利用地层能量，保持生产稳定
2,自喷井分层开采原因：多油层只用一个油嘴难以控制各小层，难使各小层均合理生产分层开采：在多油层条件下，为充分发挥各油层的生产能力，调整层间矛盾，而对各小层分别控制开采，称分层开采。
⑴ 分层开采的方法单管分采：在井内只下一套油管柱，用单管多级封隔器将各个油层分隔开，在油管上与各油层对应的部位装一配产器，并在配产器内装一油嘴对各层进行控制采油 。
多管分采：在井内下入多套管柱，用封隔器将各个油层分隔开，通过每一套管柱和井口油嘴单独实现一个油层 (或层段 )的控制采油单管分采钢材少层数多，
3个以上钻井费低有层间干扰易作用施工多管分采钢材多层数少，
2到 3
个钻井费高无层间干扰难作用施工优缺点我国主要用单管分采，特殊井或层间干扰严重的井用多管分采。
（ 2）六分四清内容以单管分层注水为中心实现“六分四清”
的一整套油田开采工艺和技术。
六分：分层注水，分层采油，分层测试，分层研究，分层管理，分层改造四清：分层采油量清，分层注水量清，分层压力清，分层出水量清实质：按各层段差异，将各层段隔开，进行分层定量注水和采油。
（ 3）分层开采井下设备封隔器：风格油套环空，将油层分成互不干扰的独立系统。
配产器：内装油嘴，对其油层控制合适的生产压差，实现各层段定量产油。
