低渗气田气井生产制度优化方法石油工程本科毕业论文Word文档下载推荐.docx
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近年来，我国十分重视天然气的开发利用，以“西气东输”工程为标志，我国将在未来十年中大力开发天然气资源。
专家预计2020年天然气在世界能源组成中的比重将增加到29%左右,21世纪将成为主要能源，将是一个天然气世纪。
随着我国国民经济的持续发展，工业化程度的不断提高，对清洁能源的需求不断增大，预示着天然气具有很大的发展空间和良好的发展前景。
而目前我国天然气产业的发展与国民经济及社会发展很不适应。
为此，国家从能源结构调整、加强环保和可持续发展等基本国策出发，将大力发展天然气的开发利用，这将为天然气产业的发展创造良好环境。
1.1研究的目的与意义
气井生产系统分析是一个以气藏工程研究成果为基础的复杂系统工程。
每个气藏的开发和开采，都离不开气藏内部的多孔、多相渗流大系统和气井井筒举升与地面集输、分离的气井生产大系统。
这两个大系统把产层一气井一地面建设工程结合成为一个有机的统一整体。
两个大系统相互联系、相互作用的过程，就是气藏开发和气井开采的过程。
对气藏渗流大系统的研究，是气藏工程的任务，主要着重于产层，解决合理开发好气藏的问题。
对于气井生产大系统的研究，是采气工程的重要任务之一，主要着重于气井，解决合理开采好气井的问题。
两个大系统虽然着重点不同，却又紧密联系、紧密相关。
气井是产层的出口，是采气工作者用以控制气藏生产的手段。
气井开采不好，必然影响整个气藏的开发；
反之，如果气藏气水关系恶化，那么气井也很难实现稳定、正常生产。
因此，要合理开发好一个气藏，必须建立在依靠气井生产系统分析去科学开采好每一口气井的基础上；
要合理开采好气井，也必须以气藏工程为基础，从整个气藏的地质特点和储层特性等地质情况着眼，去指导气井生产系统分析，并在气井生产系统分析的基础上，制定出气井合理开采的采气工艺技术措施。
因而，搞好气井生产系统分析已成为指导气藏科学开发的重要原则之一。
一方面，由于每一个气藏和气井都有它的特殊性，这就不仅决定了整个气藏开发上所进行的气井生产系统分析的特点而且也决定了气井实施的采气工艺技术措施的特点；
另一方面，一个气藏在气藏工程研究的基础上，能否投入高效、高采收率的开发，也需要通过气井生产系统分析确定成熟、可靠，能有效应用于气藏的高效工艺技术:
气井能否正常生产，需要通过气井生产系统分析决策优化的气井开采工艺方式，强有力的气井作业手段以及人工举升助产措施；
天然气能否合理输送，需要通过气井生产系统分析提出有效的分离、计量输送技术措施:
气藏的开采能否降低天然气生产成本，提高综合经济效益，需要通过气井生产系统分析，解决好投入与产出的技术关键。
1.2研究内容
气井生产是个复杂系统工程，不合理的工艺制度，会导致气井产能降低、地层过早见水、形成水合物，从而影响气井的正常稳定生产。
本文将研究以下内容：
（1）影响气井正常生产的因素；
（2）气井生产优化内容；
（3）气井生产优化方法；
（4）优化设计。
1.3文献调研
1.气井生产优化内容
通过对现有文献的调研工作知道，影响气井生产的主要因素有井底流压对气井产量的影响，还有气井水合物的影响，井筒结盐，井筒积液等因素都对气井的正常生存造成了一定程度的影响。
2.气井生产优化方法进展
（1）在气井产能优化方面，通常采用节点分析法，气井节点分析方法就是运用系统工程理论将气井从气藏至分离器、集输站的各个生产环节视为一个完整的压力系统，就其各个部分在生产过程中的压力损耗进行综合分析，从而预测改变有关部分的主要参数以及工作制度后气井产量的变化，优化生产系统中各个环节，力求充分发挥气藏的生产潜力，制定合理的工作制度，提高油气藏开发的经济效益。
（2）防止水合物生成的有效方法
现场一般采用地面水套炉加热工艺，提高天然气流动温度。
降低天然气流动压力就是在维持原来的温度状态下使输气管道中的压力大幅度的降低。
加入干燥剂的目的是干燥天然气，脱去其中水份，防止天然气在输气管道中生成水合物；
加入抑制剂的目的是降低露点温度，现场多用甲醇、乙二醇等热力学抑制剂，近年来也研发出N一乙烯基毗咯烷酮（PVP）,N一乙烯基己内酞胺（PVCap）等动力学抑制剂。
1.4研究思路
从影响气井正常生产的因素出发，分析研究现有的优化方法，在生产制度方面，通常用的节点分析法没有考虑气藏本身的供气能力和井底积液、水合物、结盐等因素的影响。
本文综合考虑了以上各种因素对气井生产的影响，并提出了相应的防治措施。
第二章生产制度优化方法
在进行气井生产制度优化时，要知道地层压力、地层生产能力、以及流体在井筒中的流动规律，考虑气井生产的稳产期时要知道气井单井控制储量。
2.1气井地层压力的计算方法
1、Hasan和Kabir法
在无限大地层线形流动阶段后，经一过渡阶段即进入拟平面径向流阶段。
以常产量生产的一口气井与之相应的压力恢复曲线，就得半对数直线段的反映阶段。
此阶段的压力恢复可用Horner法表示为：
（2.1）
Hasam和Kabir在Horner方程的基础上，在进一步研究Mead的经验方法时，对式中对数项用泰勒公式展开，并进行必要的简化得到：
（2.2）
（2.2）式代表一条水平渐近线为
的等轴双曲线，由于它是用一个无限大作用油气藏导出，所以，边界条件的任何变化都不能改变其形式。
（2.2）式中，在无限大的关井时间里，井底恢复压力将逐渐趋近于平均地层压力，则有：
或
（2.3）
因此，只要我们能从压力恢复曲线拟合出如（2.3）式所示的形式，则其截距
的算术平方根即为气井供给面积内的平均地层压力。
B值的确定：
可采用下式计算b值：
（2.4）
应用（2.4）式计算出b值之后，代入（2.2）式，再利用压力恢复曲线续流段部分数据进行线性回归分析，即可确定出气井的平均地层压力。
2、平均地层压力的截距法
压力恢复曲线的Horner法可表示为：
Hassan和Kabir经过进一步推导得到：
（2.5）
则地层压力：
（2.6）
3、两点法
在稳定回压试井的条件下,气井的产能方程可由下式表示:
（2.7）
式中
——气井产量，104m3/d；
——气井的平均地层压力，MPa;
——气井的井底流动压力，MPa;
n——动态指数，取值为0.5～1.0；
C——产能系数。
气井的动态完全被层流控制时，n=0.5；
完全被湍流控制时，n=1.0。
以上式为基础，建立无因次形式：
（2.8）
式中
（2.9）
（2.10）
通过对不同时间常规多点稳定回压试井取得的68个测试点资料,建立了（2.11）式的相关经验公式:
（2.11）
将（2.9）,（2.10）代入（2.8）式得:
（2.12）
（2.12）式便是“两点法”计算气井地层压力的公式基础。
、
可采用稳定回压试井的两点取得，仅
为未知数。
令稳定回压试井所取得的两点分别为（
，
）、（
），将这两点代入（2.12）式，解出
得：
（2.13）
由（2.13）式看出，应用本方法计算平均地层压力，仅需知道两个单点的稳定回压测试的产量与井底流动压力。
2.2气藏储量的计算
对于一个具有天然水驱作用的不封闭性气藏，随着气藏的开采和地层压力的下降，将会引起天然边水或底水对气藏的水侵。
被水侵所占据的气藏的孔隙体积量，加上剩余天然气所占有的气藏的孔隙体积量，应当等于气藏的原始含气的孔隙体积量。
因此，可以直接写出水驱气藏的物质平衡方程式:
GBgi＝（G-Gp）Bg十（We-WpBw）（2.14）
式中：
G——气藏的地质储量，
；
Gp——气藏的累积产气量，
We——累积天然水侵量，
Wp——累积产水量，
Bw——地层水的体积系数；
Bgi——原始地层压力下天然气的体积系数；
Bg——目前地层压力下天然气的体积系数；
所以,可得水驱气藏的表达式为
（2.15）
Pi——气藏的原始地层压力，Mpa；
P——气藏的目前地层压力，MPa；
Ps——地面标准压力，MPa；
Tsc——地面标准温度，K；
T——气藏的地层温度，K；
Zi——Pi压力下的气体偏差系数；
Z——P压力下的气体偏差系数。
气藏没有连通的边、底水，即为定容封闭性气藏。
对于这类气藏，随着开采气藏的地层压力连续下降，故又有消耗式气藏之称。
因此，当We＝0和Wp＝0时，分别可以得到定容封闭性气藏物质平衡方程式（即压降法计算公式）：
G=
/（1-
）
2.3气井产能计算
无论是探井或是生产井，确定和预测气井的产能，都是必不可少的工作。
它不但涉及到气藏的早期评价，而且也是编制气田开发规划和方案的需要，是地面建设的依据和基础，气井增产措施决策的基础。
气井的绝对无阻流量是反映气井潜在产能的重要指标，是预测气井产能的基础。
无论是新发现的气探井，或是已投产的产气井，都需要不失时机地进行无阻流量的求算。
1、回压产能试井
气井的产能试井亦称回压试井。
1929年pierce和rowlinsfil首次提出了一个测量各种回压下井的生产能力的气井生产方法，后由rowlins和shell-hardt发表。
这种类型的试井一般称为“常规”回压试井，也称系统试井，又称多点测试方法。
是气井以多个产量生产的情况下，测取相应的稳定井底流压。
其测试方法是以一个较小的产量生产稳定后，测取相应的稳定井底流压，然后再增大产量，再测取相应的井底流压，如此改变4-5个工作制度。
这种方式要求气井以几种不同的稳定流量进行生产，每达到一稳定流量后紧跟着一个稳定的关井阶段。
系统试井资料的分析方法有压力分析法、压力平方法和拟压力分析三种方法。
其分析求得方程的形式有指数式和二项式，通过本软件的计算可以得到这两种形式的产能方程。
（1）二项式形式的分析过程:
根据气井渗流的非达西现象可得，以压力平方表示时，气井渗流的产量与井底流压之间满足以下的二项式关系:
（2.16）
将（2.16）进一步整理，得：
（2.17）
由式（2.17）可知:
之间满足线形关系，其直线的斜率为系数B，直线的截距为A。
因此，将实测数据整理，在直角坐标系中作直线，利用最小二乘法求出直线的斜率及截距即可求得系数B和A.。
在求得系数A和B后，利用（2.16）式可求得计算气井无阻流量的公式为：
（2.18）
（2）指数式形式的分析过程
国外的石油工作者通过大量观察得到气井渗流量，井底流压和产量之间满足如下经验关系式：
（2.19）
将上式两边取对数得到:
（2.20）
由（2.20）式知,按
～
整理，可以得到一条直线，根据方程的斜率和截距可以求得方程系数c和n之值。
由此计算气井的绝对无阻流量为：
（2.21）
系统试井测试方法是公认的精度最高的产能测试方法，因而一直沿用至今。
它是矿场上常采用的方法之一，具有资料多，信息量大，分析结果可靠的特点。
但此法的主要缺点是生产和关井阶段都要求达到稳定状态，故其测试时间长，尤其是对低渗气田，压力恢复时间长，测试费用高，对于新井而言，造成资料浪费大，因此，该方法不宜在新井中使用。
2、等时产能试井
1955年，cullender提出了一种等时的回压试井方法，能较充分地描述气井的产能动态特征。
此法要求气井以等周期，不同流量进行生产，每周期后的关井井底压力要达到稳定。
除要求知道瞬时产能数据外，还需知道一个稳定的延续流动点。
在进行等时试井测试时，要求首先以一个较小的产量开并生产一段时间后，关井恢复地层压力，待恢复到地层压力后，再以一个稍大的产量又开井生产相同的时间，然后关井恢复，如此进行4个工作制度后，再以一个小的产量生产到稳定。
这里产量序列的确定的方法和确定原则与系统试井一样，产量序列必须由小到大递增，最后的延时生产又以较小的产量进行。
二项式的系数B与生产时间无关，因此可以根据短期试井确定，对于不同的产量，只要每一个产量的生产时间是常数，则C和A也是固定不变的。
但是，n和B可以根据短期（不稳定的）等时试井得到，而C或A则只能从稳定条件下求得。
下面介绍等时试井资料的处理：
（1）指数式处理方法
（2.22）
上式两边取对数,得到
（2.23）
不稳定的几个点按
整理资料做出直线后求出直线的斜率n，再以稳定点所测得的产量
和相应的压力
求出c值
（2.24）
然后按照（2.22）式可以求得无阻流量值
。
（2）二项式处理方法
二项式方程
～Q成直线关系。
在处理等时试井资料时，先以不稳定点按
～Q整理资料，并作成直线，求直线的斜率B。
在一稳定点
和
，求出产能方程系数A：
（2.25）
求出系数A和B后,根据方程计算出气井的绝对无阻流量。
等时试井较常规回压试井来讲所需时间缩短了，但由于每个工作制度都要求关井恢复到原始压力，使得关井恢复时间较长，整个测试时间较长，测试费用比较高。
3、修正等时试井
在很致密的气藏中，要在第一个生产阶段之前获得完全稳定的气藏压力，或在测试期间气藏要关井恢复到原始压力，总是不切实际的。
因此，作为多数井的一种测试手段，真正的等时试井己证明是不现实的。
1959年，katzr等人提出了一种修正的等时试井方法。
这种方法除关井周期外，其它与前法相同，即每段关井时间不必达到井底压力稳定，而和生产时间一样长。
修正等时试井与等时试井方法相比，其最大特点就是，开井时间和关井时间一样长短，不要求每一个关井时，恢复到地层压力。
这样，在分析资料求n值或B值时，计算每个点的压力差值是以前关井恢复值减去本次开井的井底流压值，整个处理过程与等时试井处理过程类似。
修正等时试井测试方法是等时试井方法的改进，在实际测试时，只要求所有工作制度下的开井生产时间和关井恢复时间都一样，矿场操作十分方便，既缩短了开井流动期的时间，也缩短了关井恢复期的时间，因而，该方法提出后，在矿场上得到了广泛的应用.
4、一点法产能预测
针对常规多点回压稳定试井关井时间长的缺点，1987年陈元千教授根据油田实际气井的多点稳定试井取得的资料分析结果，利用通常的二项式产能方程和指数式产能方程提出了简化的一点法计算公式。
利用一个点稳定流测试数据，确定气井无阻流量的方法，即“一点法”。
一点法测试是只测一个工作制度下的稳定压力。
陈元千教授根据气田实际资料,推导得出了以下三个一点法公式：
（2.26）
（2.27）
（2.28）
其中，
一点法测试对于探井缺少集输流程和装置时，可以大大缩短测试时间，减少气体的放空和节约大量的费用，减少资源的巨大浪费。
对于新区探井而言，是一种测试效率比较高的方法。
缺点是对资料的分析方法带有一定的经验性和统计性，其分析结果有一定的偏差。
使用一点法时，有如下注意事项：
1）一点法测试资料的分析方法中，要求该点的资料一定要达到压力稳定时的资料，否则，计算结果不能反映气井的真实情况。
2）一点法测试资料的分析方法是建立在地层为单相流情况下导出的，如果在测试过程中，井底出现了两相流，如底水窜入井底或井底附近比较大的范围内出现了凝析油析出，形成了油气两相流等，对于这种情况，一点法测试的分析结果不准确。
3）在测试过程中，尽管地层中为单相流，但井筒中有积液，并且压力计又在积液的上面时，测试的压力值不能反映地层的真实情况，这种情况下，分析结果也不准确。
2.4气井井筒流动规律
1.单相气体井底流动压力计算
气体沿圆形管柱流动时，井底流动压力公式为
（2.29）
—井底流动压力，MPa；
—井口流动压力，MPa；
—气井产量，
d—油管或套管内径，m；
f—摩阻系数；
L—气层中深，m。
天然气管流摩阻系数表
管径
内径d
f值
英寸
cm
11/2
4.03
0.0166
2
5.03
0.0161
21/2
6.2
0.01512
3
7.59
0.0145
4
10.03
0.0139
5
12.7
0.013
6
15.2
0.0124
注：
f值系成都科研所关于“天然气管流摩擦系数研究”报告的推荐值。
2.气水两相流井筒压力计算
（1）Hagedorn-Brown模型
压力梯度方程：
（2.30）
（2）Duns-Ros模型
（2.31）
（3）Orkiszewski方法
（2.32）
（4）Beggs-Bill方法
（2.33）
（5）Mukherjee-Brill方法
（2.34）
（6）SWPI-SPA方法
（2.35）
2.5气井节点分析
气井节点分析方法就是运用系统工程理论将气井从气藏至分离器、集输站的各个生产环节视为一个完整的压力系统，就其各个部分在生产过程中的压力损耗进行综合分析，从而预测改变有关部分的主要参数以及工作制度后气井产量的变化，优化生产系统中各个环节，力求充分发挥气藏的生产潜力，制定合理的工作制度，提高油气藏开发的经济效益。
图2.1节点分析法示意图
（1）气井生产系统的组成
气井生产系统指从地层﹑油管﹑井口﹑地面针阀﹑集输管线﹑分离器﹑到输气干线这一完整的生产系统。
主要由三部分组成：
1）气体通过气层孔隙介质或裂缝流入井底；
2）气体通过井筒的管柱流至井口；
3）气体通过地面集输管线流到分离器。
（2）生产系统内节点的设置
为了进行系统分析，必须在系统内设置节点，在气井生产系统中，节点是一个位置的概念，可以根据设计要求选择节点位置。
在应用节点分析方法解决问题时，通常集中分析系统中某一节点，此节点称解节点。
通过解节点的选择，气井生产系统被划分为两大部分，即流入、流出部分，指始节点到解节点和解节点到末节点所包括的部分。
通过对节点流入和流出部分的模拟计算，求得流入和流出的动态特性，再分析比较流入和流出特性，便可求得气井的生产动态。
解节点的选择与系统分析的最终结果无关，本文解节点选在生产井底处。
（3）气井节点分析的步骤
a、建立生产井模型
首先要勾画出从气层、完井段、井筒、井口、集输管线直到分离器或其他端点的生产流程及建立生产井模型。
b、根据确定的分析目标选定节点
在气井生产模型建立后，可供选择的节点很多，究竟去哪一个节点取决于确定的目标，原则上所取节点应尽可能靠近分析的对象。
c、计算并绘制所选节点的流入、流出动态曲线
节点一经选定，它本身就将生产系统分割为流入一方和流出一方，对于普通节点，从气层开始到节点流入一方，它反映在目前地层压力下，经过若干部分到节点的供气情况；
从其他端点开始到节点为流出一方，它反映在其他端点压力一定时的输出情况。
利用所学的采气工程知识，分别建立流入、流出的数学模型，求出相应的协调工作点，计算出系统可能提供的理论产能。
d、动态拟合
图2.2生产井的节点模型
系统提供的理论产能不一定与实际试采的数据资料相吻合，经过对数学模型或参数的调整，并经历一段试采阶段的拟合，建立修正系数，使建立的数学模型和程序设计的结果与气井的实际生产相吻合。
e、程序应用
拟合后的计算程序，既可以用于对整个气井生产系统的分析。
（4）气井生产系统的模拟分析
在模拟分析一个气井生产系统时，通过节点设置和解节点的选择，把生产系统划分为两大部分。
若把解节点选在Pwf处，Pr～Pwf段为流入部分，而Pwf～Pscp称为流出部分。
分析过程中分别由系统的初始点Pr和末点Pscp进行模拟计算,求得流入和流出的动态关系。
通过用图解形式将流入和流出曲线画在同一张坐标图上进行分析。
由图可见，流入和流出动态曲线的交点为A,在A点左侧，例如在q1产量下，对应的井底流压p1>
p1’，说明生产系统内流入能力大于流出能力，这说明油管或流出部分的管线设备系统的设计能力过小或流出部分有阻碍流动的因素存在，限制了气井生产能力的发挥。
而在A点的右侧，例如在q2产量下，情况就刚好相反，此处表明气层生产能力达不到设计流出管路系统的能力，说明设计的流出管路设计能力过大，造成不必要的浪费，或气井的某些参数控制不合理，或气层伤害降低了井的生产能力，需要进行解堵、改造等措施[12]。
只有在A点产层的生产能力刚好等于流出管路系统的生产能力。
这点表明气井处于流入和流出能力协调的状态，此点称为协调产量点。
2.6影响气井正常生产的其他因素
2.6.1井底积液的影响
1.携液能力计算
气井的气流常常伴有液相产物，由于这些液体的存在，往往影响着气井的流功特性．甚至完全阻碍气体流动。
液体需要借助气体将其带至地面，如果气体没有足够的掩带能力，液体将聚集于井底，增大对地层的回压，而降低气并的产能，从井内把液体带至地面所需要的最小气速，应足以把井内可能存在的最大液滴带到地面，该流速称为临界流速[10]，可按流体力学理论计算。
临界流速和流量为：
Turner模型
（2.36）
MinLi模型
（2.37）
YeYang模型
（2.38）
式中：
pwf——油管鞋处的井底绝对压力，Mpa；
——能排出水的最小线性气流速度，
——油管压力，
——能排出水的最小流量，
——井口条件下的Z系数
——生产时的井口温度，
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