1、,石油工程概论 (General Introduction of Petroleum Engineering),油藏储量和开发机理,一、地质储量,指在地层原始状态下，油气藏中油气的总储量。获得地质储量是油气勘探的最终目标，也是油气田开发的前提。按照控制程度及精确性由低到高：,第一节 油藏储量,1、预测储量在地震详查以及其它方法提供的圈闭内，经过预探井钻探获得油（气）流、油气层或油气显示之后，根据区域地质条件分析和类比，对有利地区按容积法估算的储量。,第一节 油藏储量,2、控制储量在某一圈闭预探井发现工业油（气）流后，以建立探明储量为目的，在评价钻探过程中钻了少数评价井后所计算的储量。其相对误差
2、不超过50。,3、探明储量在油（气）田评价钻探阶段完成或基本完成后计算的储量，在现代技术和经济条件下，可提供开采并能获得社会经济效益的可靠储量。,二、容积法计算石油地质储量：,第一节 油藏储量,N = 100AhSoo / BoiN 石油地质储量，104t ；A 含油面积，km2 ；h 平均有效厚度，m ； 平均有效孔隙度，小数；So平均原始含油饱和度，小数；o地面原油密度，t/m3；Boi原始原油体积系数；,第一节 油藏储量,三、可采储量：在现代开采工艺技术和经济条件下，可以从油（气）藏中采出的 油（气）储量。,开发方案的调整和完善,一个油田的正规开发一般要经历三个阶段：,开发前的准备阶段,
3、开发设计和投产 （开发方案的制订和实施）,详探,开发试验,油层研究和评价,全面布置开发井,制订和实施完井方案、注采方案,工艺技术措施调整,井网层系调整,开发方式调整,第二节 油藏开发机理,第二节 油藏开发机理,油藏驱动能量：,1、天然能量边底水的压能流体和岩石的弹性膨胀能气顶气的弹性膨胀能溶解气的弹性膨胀能原油本身的位能 2、人工补充能量人工向油藏注水、注气来增加油藏驱油能量,驱动石油流动的能量可以是几种能量的综合作用,1、弹性驱动(elastic drive)主要依靠油藏岩石和流体的弹性膨胀能驱油的驱动。,原油被排挤到生产井中,油藏投入开发,油层压力开始下降,液体、岩石体积发生膨胀,储油层的
4、孔隙体积缩小,第二节 油藏开发机理,天然能量开采的几种开采方式,2、溶解气驱动(solution gas drive)主要依靠原油中分离出天然气的弹性膨胀能量驱油的驱动方式。,油层压力低于饱和压力,溶解在原油中的天然气将从原油中分离出来,天然气体积发生膨胀,原油被排挤流入油井,第二节 油藏开发机理,3、水压驱动(water drive)依靠边底水和（或）注入水为主要驱油动力的驱动方式。,(1)刚性水压驱动(rigid water drive)能量供给充分，水侵量完全补偿采出量。,第二节 油藏开发机理,(2)弹性水压驱动(elastic water drive)能量供给不充分，水侵量不能补偿采出
5、量。,4、气压驱动(gas drive)主要靠气顶气的膨胀能或注入气驱油的驱动方式。,(1)刚性气驱(Rigid gas drive)注入气量足以保持油藏压力稳定，或气顶体积比含油区体积大得多能够保持油藏压力基本保持不变。,第二节 油藏开发机理,(2)弹性气压驱动(Elastic gas drive)气顶体积小，不能够保持油藏压力基本不变。,5、重力驱动(gravity drive)依靠原油自身重力作为主要驱油能量的驱动方式。,当一个油藏的油层倾角比较大或油层厚度大时，重力驱动才能发挥作用。,第二节 油藏开发机理,小结：天然能量开采的几种开采方式： 弹性驱动溶解气驱动水压驱动气压驱动重力驱动,
6、溶解气驱采收率最低。,各种驱动方式的驱油能量来源不同,最终采收率(ultimate recovery)也不同,水压驱动方式的驱油效率最高，采收率最大。,一般情况下,油藏的驱动方式并不是一成不变的,国内外许多油田都采用人工注水保持压力的开发方式。,第二节 油藏开发机理,第三节 砂岩油田注水开发,在进行油田开发方案设计时，首先要确定油田开发方式(development model)，且应当尽可能充分利用油藏本身的天然能量来开发油田。,我国现有油田绝大多数不具备充足的天然能量补给条件,世界油田开发的历史也表明，若只依靠油田本身的能量开发，采油速度低，采收率小，原油产量不能满足国民经济发展的要求,选择
7、合适的注水时机对于充分利用天然能量，提高注水开发效果具有重要意义。,一、注水时间(waterflooding time),第三节 砂岩油田的注水开发,超前注水 同步注水 滞后注水,注水井在油藏所处的部位和注水井与生产井之间的排列关系。,二、注水方式(waterflooding mode),油层性质和构造条件,确定注水方式的主要依据：,目前国内外油田所采用的注水方式,切割注水,面积注水,点状注水,第三节 砂岩油田注水开发,1、边缘注水(marginal flood)注水井部署在含水区内或油水过渡带上或含油边界以内不远处。,注水井分布在含油区上,注水井分布在含水区,缘外注水,分类,缘上注水,注水井
8、分布在油水过渡带上,缘内注水,边缘注水示意图,第三节 砂岩油田注水开发,位于油藏构造顶部的生产井往往得不到注入水能量的补充，在顶部易形成低压区，使油藏的驱动方式由水驱方式转变为弹性驱或溶解气驱等消耗开发方式。,油藏构造比较完整，油层分布稳定，边部和内部连通性好，油层流动系数较高，边水比较活跃的中小油田。特别是边缘地区吸水能力要好，以保证压力有效传播，使油田内部受到良好的注水效果。,适用条件,优点,缺点,油水界面比较完整，能够逐步向油藏内部推进，易于控制，无水采收率和低含水采收率比较高，最终采收率也比较高。,边缘注水,2、切割注水(Cutting flood)利用注水井排将含油面积切割成许多块（
9、切割区），每个切割区可以作为一个独立的开发单元。,切割注水示意图,第三节 砂岩油田注水开发,不能很好地适应非均质油层；注水井间干扰大；注水井排两边地质条件不同时，容易出现区间不平衡现象。,油层大面积分布，并具有一定的延伸长度，在注水井排上可以形成比较完整的切割线；保证在一个切割区内部署的生产井与注水井之间都有较好的连通性；油层具有一定的流动系数，保证在一定的切割区和一定的井排内生产井能见到较好的注水效果。,适用条件,优点,缺点,可根据油田的地质特征来选择切割井排的最佳方向及切割距；可优先开发储量最丰富、油井产量高的区块，使油田很快具有一定的生产能力。,切割注水,3、面积注水(pattern f
10、looding)将注水井和生产井按一定的几何形状和密度均匀地布置在整个含油面积进行开发。,注采井数比为1：1,（1）线状注水系统(Line flooding)注水井和生产井都等距地沿着直线分布，一排注水井对应一排生产井。,注水井与生产井即可以正对也可以交错。,第三节 砂岩油田注水开发,（2）强化面积注水系统根据油水井相互位置和所构成的井网形状不同,五点法,七点法,九点法,反九点法,四点法,由于面积注水井网的灵活性较大，因此具有较强的适应性。,第三节 砂岩油田注水开发,第四节 油田开发方案的编制,根据油田地质、地理等客观条件以及国民经济发展的需要和技术及经济可行性而编制的一整套开发油田的原则、办
11、法和要求。它是对一个要进行开发的油田制订出使油田投入长期和正式生产的一个总体部署和设计，是决定原油从油层流到生产井井底并采出地面的各种条件的综合。,一、开发方案编制的基本原则,(1)在油田客观条件允许的条件下，满足国民经济对原油生产的要求；,(2)充分利用油田天然能量资源，保证获得原油采收率；,(3)油田要长期稳产、高产；,(4)经济效益好；,第四节 油田开发方案的编制,开发方案的主要内容,油田地质情况,储量计算,开发原则,开发程序,开发层系、井网、开采方式和注采系统,钻井工程和完井方法,采油工艺技术,地面集输系统,开发指标,经济评价,方案实施要求,第四节 油田开发方案的编制,自喷与气举采油技
12、术,1、采油方法 采油方法是指将流入井底的原油采到地面所采用的工艺方法和方式。,概述,2、采油方法分类,人工举升采油,自喷采油,采油方法分类,人工给井筒流体增加能量将井底原油举升至地面的采油方式。,利用油层自身能量将原油举升到地面的采油方式。,第一节 自喷采油,1、自喷采油的定义,利用油层本身的能量将油举升到地面的方式。,2、自喷采油的特点,井筒和地面设备简单。,油井自喷的条件、产量,取决于地层中的石油所具有的能量是否大于自喷井中流动过程的能量损失之和。,地层能量与能量损失之和的差值越大，产量越大,一、油井流入动态：,（1）从油层到井底的地下渗流； （2）从井底到井口的垂直管流； （3）经油嘴
13、流出井口的嘴流； （4）通过井口地面出油管线流至 集油站分离器的水平管流。,第一节 自喷采油,1、自喷井生成过程中，原油流至地面分离器一般要经过四个流 动过程：,2、油井流入动态 油井产量与井底流动压力的关系。它反映了油藏向油井的供油能力，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，可以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。,第一节 自喷采油,3、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。,4、采油(液)指数（J),J的确定,改变油井工作制度，当油井稳定生产后，测定
14、一系列流压与产量值绘成一条直线，该直线斜率的负倒数即为采油指数J。,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有关的综合指标。,第一节 自喷采油,1、流动型态（流动结构、流型）：流动过程中油、气的分布状态。, 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。,第一节 自喷采油,二、 多相垂直管流,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现象。,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，不影响摩擦阻力；滑脱现象
15、比较严重。,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。,泡流,第一节 自喷采油,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。,段塞流,第一节 自喷采油,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；摩擦损失变大；滑脱损失变小；气体举油作用主要是靠摩擦携带。,环流,第一节 自喷采油,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
16、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。,雾流,第一节 自喷采油,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。,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,小结：,第一节 自喷采油,第二节 气举采油原理,必须有足够的气源； 需要压缩机组和地面高压气管线，地面设备系统复杂； 一次性投资较大； 系统效率较低。,利用从地面向井筒注入高压气
17、体,将原油举升至地面的一种人工举升方式。,气举定义：,优点：,井口和井下设备比较简单,缺点：,高产量的深井；气油(液)比高的油井；定向井和水平井等。,适用条件：,一、气举采油原理,依靠从地面注入井内的高压气体与油层产出流体在井筒中混合，利用气体的膨胀使井筒中的混合液密度降低，将流到井内的原油举升到地面。,第二节 气举采油原理,向井筒周期性地注入气体，推动停注期间在井筒内聚集的油层流体段塞升至地面，从而排出井中液体。,气举分类（按注气方式分）,连续气举,将高压气体连续地注入井内，排出井筒中液体。,间歇气举,第二节 气举采油原理,适用条件：供液能力较好、产量较高的油井。,适用条件：油层供给能力差，
18、产量低的油井。,当油井停产时，油管和套管内的液面处于同一高度，当启动压缩机向油套环形空间注入高压气体时，环空液面将被挤压下降。,(1)启动过程,二、气举启动,第二节 气举采油原理,如不考虑液体被挤入地层，环空中的液体将全部进入油管，油管内液面上升。随着压缩机压力的不断提高，最终达到启动压力。,气举井（无阀）的启动过程 b环形液面到达管鞋,气举启动压力:当环形空间内的液面达到管鞋(注气点)时的井口注入压力。,第二节 气举采油原理,当高压气体进入油管后，由于油管内混合液密度降低，液面不断升高。最终，液流喷出地面，井底流压随着高压气体的进一步注入，也将不断降低，最后达到一个协调稳定状态。,气举井（无
19、阀）的启动过程 c气体进入油管,第二节 气举采油原理,当高压气体进入油管后，由于油管内混合液密度降低，井底流压将不断降低。,(2)气举过程中压缩机压力变化,压缩机向油套环形空间注入高压气体，随着压缩机压力的不断提高，环形空间内的液面将最终达到管鞋（注气点）处，此时的井口注入压力为启动压力。,当井底流压低于油层压力时，液流则从油层中流出，这时混合液密度又有所增加，压缩机的注入压力也随之增加，经过一段时间后趋于稳定(气举工作压力)。,第二节 气举采油原理,一、自喷井生成过程中，原油流至地面分离器一般要经过四个流动过程： （1）从油层到井底的地下渗流；（2）从井底到井口的垂直管流；（3）经油嘴流出井
20、口的嘴流；（4）通过井口地面出油管线流至集油站分离器的水平管流。 二、多相垂直管流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。,复习提要,三、IPR曲线，产油（液）指数1、表示产量与井底流压关系的曲线；2、单位生产压差下的油井产油(液)量。,复习提要,a停产时；b环形液面到达管鞋；c气体进入油管,气举启动压力:当环形空间内的液面达到管鞋(注气点)时的井口注入压力。,四、气举采油依靠从地面注入井内的高压气体与油层产出流体在井筒中混合，利用气体的膨胀使井筒中的混合液密度降低，将流到井内的原油举升到地面。连续气举 间歇气举,石油工程概论 (General Intr
21、oduction of Petroleum Engineering),有杆泵及无杆泵采油技术,第四章,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,一、抽油装置,其它附件,抽油机是有杆深井泵采油的主要地面设备，它将电能转化为机械能，包括游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种。,1、抽油机,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,1、抽油机,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,游梁-连杆-曲柄机构 减速箱 动力设备 辅助装置,游梁式抽油机组成,工作时，动力设备将高速旋转运动通过减速箱传递给曲柄，带动曲柄作低速旋转；曲柄通过连杆带动游梁作上下摆动；挂在驴头上的悬绳器通过抽油杆带动井下深井泵作上下往复运动，把油抽
22、到地面。,工作原理,2、抽油泵,工作筒(外筒和衬套)柱塞游动凡尔(排出阀)固定凡尔(吸入阀),主 要 组 成,抽油泵是将机械能转化为流体压能的设备。,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,柱塞,游动凡尔,工作筒,固定凡尔,泵的类型,B-杆式泵,A-管式泵,1油管；2锁紧卡；3柱塞；4游动凡尔；5工作筒；6固定凡尔,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,按照抽油泵在油管中的固定方式可分为：管式泵和杆式泵,（1）管式抽油泵： 下泵深度较小的高产油井,缺点,工作筒在地面组装好后接在油管柱下端，随油管一起下入井内，然后投入固定凡尔，最后把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵筒内。,特点,优点,结构简单，制造成本
23、低，在相同油管直径下，允许下入的泵径较杆式泵大，因而排量大。,检泵时要起出全部油管，费工费时，适用于下泵深度不很大、产量较高的的油井。,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,（2）杆式抽油泵：下泵深度较大的低产油井,缺点,特点,优点,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,（一）泵的抽汲过程,泵内进液的条件：泵内压力(吸入压力)低于沉没压力（油、套管环形空间液柱压力）。,1、上冲程,二、泵的工作原理,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,A-上冲程,抽油杆柱带着柱塞向上运动，柱塞上的游动凡尔受管内液柱压力而关闭。此时，泵内压力降低，固定凡尔在油、套管环形空间液柱压力与泵内压力之差的作用下被打开，
24、泵筒内吸入液体。,2、下冲程,抽油杆柱带动柱塞向下运动，固定凡尔在重力作用下关闭。泵内压力因液体压缩而增高，当泵内压力大于柱塞以上液柱压力时，游动凡尔被顶开。柱塞下部泵筒内的液体通过游动凡尔进入柱塞上部的油管中。,泵排出的条件：泵内压力高于柱塞以上的液柱压力。,柱塞上下抽汲一次为一个冲程，在一个冲程内完成进油与排油的过程。一分钟内完成的冲程次数叫冲数（冲次）,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,B-下冲程,（二)泵的理论排量及泵效,在一个冲程内，排出的液体体积：,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,泵的工作过程是由三个基本环节所组成，即柱塞在泵内让出容积，井内液体进泵和从泵内排出井内液体。
25、,柱塞横截面积,m2,光杆冲程，m,（二)泵的理论排量及泵效,每分钟的冲数为N，则每分钟排量：,每日排量:,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,冲数（冲次）,泵的理论排量,泵效：实际产量Q与理论产量Qt的比值,在实际生产中，由于油管、抽油杆的弹性伸缩、气体进泵、砂、蜡等各种因素影响，实际产量往往小于理论排量Qt。,泵效的大小反映了泵的工作状况，泵效越大，泵的工作条件越好。,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,（二)泵的理论排量及泵效,例：已知某油井的抽油泵的直径0.075m，冲程3m，冲数15次/分钟，每天排液量为90m3，请计算该泵的泵效。,第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理,（二)泵
26、的理论排量及泵效,泵效计算公式：Q/Qt Q =1440fpSN Q泵的实际排量，m3； Qt泵的理论排量，m3； fp泵的横截面积，m2； S泵的冲程，m；N泵的冲数，次/分钟；,第二节 影响泵效的因素及提高措施,(3) 漏失影响,(1) 抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩,(2) 气体和充不满的影响,一、泵效影响因素：从泵工作的三个基本环节（活塞让出体积、原油进泵和泵内排液）可归纳为：,3、抽油杆振动对活塞冲程的影响,2、惯性载荷对活塞冲程的影响,1、静载荷对活塞冲程的影响,在上下冲程中由于活塞以上的液柱重量交替地作用于油管和抽油杆上，引起油管和抽油杆周期性地增载和减载，从而引起弹性伸缩。,（一）
27、抽油杆和油管弹性伸缩对活塞冲程的影响,第二节 影响泵效的因素及提高措施,表示泵的充满程度，其值为泵内吸入液体与活塞让出体积之比：,充满系数：,上冲程活塞让出的容积每冲程吸入泵内的液体体积,（二）气体对泵效的影响,第二节 影响泵效的因素及提高措施,当泵内吸入气液混合物后，气体占据了柱塞让出的部分空间，或者当泵的排量大于油层供油能力时，液体来不及进入泵内，都会使进入泵内的液量减小。,(1)排出部分漏失（游动凡尔、活塞衬套）,(2)吸入部分漏失（吸入凡尔）,(3)其它部分漏失（油管丝扣、泵的连接部分、泄油器）,（三）漏失的影响,第二节 影响泵效的因素及提高措施,柱塞与衬套的间隙及阀和其它部件间的漏失
28、都会使实际排量减小。一般，在下泵后一定时期内，漏失的影响是不大的，但当液体有腐蚀性或含砂时，将会由于对泵的腐蚀和磨损，使漏失迅速增加。,二.提高泵效的措施,1、选择合理的工作方式, 对于稠油的井，一般选用大泵径、大冲程、小冲次；, 对于连喷带抽井则选用大冲数快速抽汲，以增强诱喷作用。,2、确定合理沉没度。,3、改善泵的结构，提高泵的抗磨、抗腐蚀性能。,4、使用油管锚减少冲程损失,5、合理利用气体能量及减少气体影响,第二节 影响泵效的因素及提高措施, 一般是先选用大冲程和较小泵径，这样既可以减小气体影响，又可以降低悬点载荷。,降低泵口气液比，减小进泵气量，从而提高泵的充满程度。,采取防砂、防腐蚀
29、、防蜡及定期检泵。,电 潜 泵 采 油 系 统 示 意 图,第三节 无杆泵采油,一、电潜泵,一、电潜泵,电潜泵它是将电动机和泵一起下入油井内液面以下进行抽油的井下采油设备。地面电源通过变压器、控制屏和潜油电缆将电能输送给井下潜油电机，使电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的井液举升到地面。,第三节 无杆泵采油,电潜泵举升方式的主要优点：,电潜泵举升方式的主要缺点：,第三节 无杆泵采油,1、含气液体对电泵工作特性的影响,2、液体粘度对电泵工作特性的影响,3、温度对电泵工作特性的影响,4、砂、蜡等对电泵工作特性的影响,5、其它如沉没度、井下压力等。,影响电泵工作特性的因素,第三节
30、无杆泵采油,二、水力活塞泵,水力活塞泵是一种液压传动的无杆抽油设备，其井下部分主要由液马达、抽油泵和滑阀控制机构组成。动力液由地面加压后，经油管或专用动力液管传至井下，通过滑阀控制机构不断改变供给液马达的液体流向来驱动液马达做往复运动，从而带动抽油泵进行抽油。,第三节 无杆泵采油,液马达,高压泵机组,井下器具管柱结构,井口,高压控制管汇,计量装置,动力液处理装置,地面管线,抽油泵,滑阀控制机构,系统组成,油井装置,地面流程,水力活塞泵井下机组,二、水力活塞泵,第三节 无杆泵采油,动力液地面加压；,油管或专用动力液管输送；,动力液被传至井下液马达处；,滑阀控制机构换向；,动力液驱动液马达；,液马
31、达做往复运动；,液马达通过活塞杆带动抽油泵做往复运动；,原油被增压举升。,水力活塞泵采油系统举升原理,第三节 无杆泵采油,适应条件,主要缺点,第三节 无杆泵采油,复习提要,一、泵的冲程,抽油杆柱带着柱塞向上运动，柱塞上的游动凡尔受管内液柱压力而关闭。此时，泵内压力降低，固定凡尔在油、套管环形空间液柱压力与泵内压力之差的作用下被打开，泵筒内吸入液体。上冲程,抽油杆柱带动柱塞向下运动，固定凡尔在重力作用下关闭。泵内压力因液体压缩而增高，当泵内压力大于柱塞以上液柱压力时，游动凡尔被顶开。柱塞下部泵筒内的液体通过游动凡尔进入柱塞上部的油管中。下冲程,泵的理论排量:,泵效：实际产量Q与理论产量Qt的比值,二. 提高泵效措施,1、选择合理的工作方式,2、确定合理沉没度,3、改善泵的结构，提高泵的抗磨、抗腐蚀性,4、使用油管锚减少冲程损失,5、合理利用气体能量及减少气体影响,复习提要,
