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1、采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析第四章第四章 气井生产系统分析气井生产系统分析 第二节第二节 气井节点系统分析气井节点系统分析 第一节第一节 气体井筒稳定流动能量方程气体井筒稳定流动能量方程第一节第一节 气体通过气嘴的流动气体通过气嘴的流动1采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析气井生产系统的组成气井生产系统的组成(1)(1)油气层子系统油气层子系统 (2)(2)井筒子系统井筒子系统 (3)(3)地面集输子系统地面集输子系统 (4)(4)采气设备子系统采气设备子系统 稳定工作条件：协调稳定工作条件：协调 2采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析井筒多相流理论
2、：井筒多相流理论：研究各种举升方式井筒流体流动规律基本理论。研究各种举升方式井筒流体流动规律基本理论。研究特点：研究特点：流动复杂性、无严格数学解流动复杂性、无严格数学解研究途径：研究途径：基本流动方程基本流动方程 实验资料相关因次分析实验资料相关因次分析 近似关系近似关系第一节第一节 气体井筒稳定流动能量方程气体井筒稳定流动能量方程 3采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析一、基本能量方程一、基本能量方程 气体稳定流动气体稳定流动：在所讨论的管段内（热力体系内），任何断：在所讨论的管段内（热力体系内），任何断面上气体的面上气体的一切参数一切参数都都不随时间变化不随时间变化。图图2-
3、2 2-2 流体流动示意图流体流动示意图 对于对于m千克质量千克质量的气体，截面的气体，截面1、2之之间的能量平衡关系式间的能量平衡关系式为：为：第一节第一节 气体井筒稳定流动能量方程气体井筒稳定流动能量方程 4采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析对于单位质量流体，气体稳定流动方程式的微分形式为：对于单位质量流体，气体稳定流动方程式的微分形式为：对于井筒与水平成对于井筒与水平成 角的倾斜井，以角的倾斜井，以dLdL表示实长，以表示实长，以dhdh表示实高，则表示实高，则dh=dh=dLsindLsin，直接代入上式得：直接代入上式得：一、基本能量方程一、基本能量方程 第一节第一节
4、气体井筒稳定流动能量方程气体井筒稳定流动能量方程 5采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析为简化计算，假设为简化计算，假设dWdW=0=0，则气体稳定流动能量方程式为：，则气体稳定流动能量方程式为：一、基本能量方程一、基本能量方程 第一节第一节 气体井筒稳定流动能量方程气体井筒稳定流动能量方程 对于垂直管：对于垂直管：6采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析二、井筒摩阻计算二、井筒摩阻计算 单相流体（水或气），计算管内摩阻的达西阻力公式为：单相流体（水或气），计算管内摩阻的达西阻力公式为：确定式中的摩阻系数，可以查图版或通过公式计算。确定式中的摩阻系数，可以查图版或通过公式
5、计算。摩阻系数摩阻系数第一节第一节 气体井筒稳定流动能量方程气体井筒稳定流动能量方程 7采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析单相管流单相管流MoodyMoody图图 第一节第一节 气体井筒稳定流动能量方程气体井筒稳定流动能量方程 8采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析 ColebrookColebrook公式公式 该公式覆盖完全粗糙管、光滑管和过渡区三个流态区域。该公式覆盖完全粗糙管、光滑管和过渡区三个流态区域。当当ReRe相当大时相当大时,该公式即转化为适用于完全粗糙管的该公式即转化为适用于完全粗糙管的NikuradseNikuradse公式：公式：二、井筒摩阻计算二
6、、井筒摩阻计算 第一节第一节 气体井筒稳定流动能量方程气体井筒稳定流动能量方程 9采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析二、井筒摩阻计算二、井筒摩阻计算 JainJain公式公式 JainJain公式覆盖完全粗糙管、光滑管和过渡区三个流态区，为公式覆盖完全粗糙管、光滑管和过渡区三个流态区，为目前计算所广泛采用。目前计算所广泛采用。第一节第一节 气体井筒稳定流动能量方程气体井筒稳定流动能量方程 10采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析第一节第一节 气体井筒稳定流动能量方程气体井筒稳定流动能量方程 二、井筒摩阻计算二、井筒摩阻计算 3.Chen3.Chen公式公式 对于气水两
7、相对于气水两相流动采用多相流动采用多相管流计算相关管流计算相关式。式。11采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析气气体体通通过过气气嘴嘴时时没没有有位位能能变变化化，也也没没有有功功的的输输入入或或输输出出，摩擦损失摩擦损失也可忽略不计，但也可忽略不计，但动能变化动能变化在此起重要作用。在此起重要作用。气体稳定流动能量方程可以写为气体稳定流动能量方程可以写为:气嘴气嘴：泛指气体通过的任何一种限流或节流装置。：泛指气体通过的任何一种限流或节流装置。第二节第二节 气体通过气嘴的流动气体通过气嘴的流动 12采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析从工程热力学的绝热过程观点分析：从工
8、程热力学的绝热过程观点分析：同时：同时：则：则：第二节第二节 气体通过气嘴的流动气体通过气嘴的流动 13采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析临界流速临界流速：通过气嘴出口端面的流速达到该端面下的音速时：通过气嘴出口端面的流速达到该端面下的音速时 的流速。的流速。时，为临界流；时，为临界流；相对密度为相对密度为0.6 0.6 的天然气的天然气通常通常时，就认为已达到时，就认为已达到临界流动临界流动。第二节第二节 气体通过气嘴的流动气体通过气嘴的流动 14采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析 当上游压力当上游压力P P1 1和气嘴直径一定时，一旦出口端面上的速度和气嘴直径一
9、定时，一旦出口端面上的速度大于音速，气流的压力波就不能反馈影响上游，气嘴出口与大于音速，气流的压力波就不能反馈影响上游，气嘴出口与入口之间的压力差就不能增大。此时，通过气嘴的气流量达入口之间的压力差就不能增大。此时，通过气嘴的气流量达到最大值。到最大值。第二节第二节 气体通过气嘴的流动气体通过气嘴的流动 15采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析 气井生产系统分析气井生产系统分析一般采用节点系统分析（一般采用节点系统分析（Nodal Nodal Systems AnalysisSystems Analysis）方法。它是运用）方法。它是运用系统工程理论系统工程理论研究气研究气田开发系
10、统的气藏工程、采气工程和气田集输工程之间压田开发系统的气藏工程、采气工程和气田集输工程之间压力、流量关系的方法。力、流量关系的方法。第三节第三节 气井节点系统分析气井节点系统分析 16采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析 气井生产系统分析是把气流从地层到用户的流动作为气井生产系统分析是把气流从地层到用户的流动作为一个研究对象，对全系统的一个研究对象，对全系统的压力损耗压力损耗进行综合分析。进行综合分析。这一方法的基本思想是在系统中某部位（如井底）这一方法的基本思想是在系统中某部位（如井底）设设置解节点置解节点，将系统各部分的压力损失相互关联起来，对每，将系统各部分的压力损失相互关联
11、起来，对每一部分的压力损失进行定量评估，对影响流入和流出解节一部分的压力损失进行定量评估，对影响流入和流出解节点能量的各种因素进行逐一评价和优选，从而点能量的各种因素进行逐一评价和优选，从而实现全系统实现全系统的优化生产的优化生产，发挥井的最大潜能。，发挥井的最大潜能。第三节第三节 气井节点系统分析气井节点系统分析 17采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析一、节点系统分析原理一、节点系统分析原理 1.1.气井系统生产过程气井系统生产过程 渗流渗流过程；过程；通过通过射孔孔眼射孔孔眼的流动过程；的流动过程；举升过程；举升过程；通过通过节流装置节流装置的流动过程；的流动过程；地面地面水
12、平或倾斜管流过程。水平或倾斜管流过程。第三节第三节 气井节点系统分析气井节点系统分析 18采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析节点系统分析法：节点系统分析法：应用系统工程原理，把整个油井生产系统应用系统工程原理，把整个油井生产系统分成若干子系统，研究各子系统间的相互关系及其对整个系分成若干子系统，研究各子系统间的相互关系及其对整个系统工作的影响，为系统优化运行及参数调控提供依据。统工作的影响，为系统优化运行及参数调控提供依据。节点划分依据：节点划分依据：不同的流动规律相关式不同的流动规律相关式2.2.节点系统分析法节点系统分析法第三节第三节 气井节点系统分析气井节点系统分析 19采
13、气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析3.3.气井生产系统的模拟分析气井生产系统的模拟分析 求解点的选择：求解点的选择：主要取决于所要研究解决的问题。主要取决于所要研究解决的问题。求解点：求解点：为使问题获得解决的节点。为使问题获得解决的节点。第三节第三节 气井节点系统分析气井节点系统分析 20采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析协调曲线示意图协调曲线示意图节点流入曲线节点流入曲线节点流出曲线节点流出曲线协调点协调点第三节第三节 气井节点系统分析气井节点系统分析 21采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析4.4.气井生产系统的优化分析气井生产系统的优化分析 气井生
14、产系统的优化分析气井生产系统的优化分析就是通过对多个影响参数的敏就是通过对多个影响参数的敏感性分析和必要的调整、改造，使气井在感性分析和必要的调整、改造，使气井在最佳最佳的生产状态下的生产状态下生产。生产。第三节第三节 气井节点系统分析气井节点系统分析 22采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析二、气井节点系统分析法的应用二、气井节点系统分析法的应用(1)(1)对已开钻的新井，根据预测的流入动态曲线，选择完井方对已开钻的新井，根据预测的流入动态曲线，选择完井方式及有关参数，确定油管尺寸和合理的生产压差。式及有关参数，确定油管尺寸和合理的生产压差。(2)(2)对已投产的生产井，能迅速找
15、出限制气井的不合理因素，对已投产的生产井，能迅速找出限制气井的不合理因素，提出有针对性的改造及调整措施，使之合理地利用自身能力，提出有针对性的改造及调整措施，使之合理地利用自身能力，实现稳产高产。实现稳产高产。(3)(3)优选气井在一定生产状态下的最佳控制产量。优选气井在一定生产状态下的最佳控制产量。第三节第三节 气井节点系统分析气井节点系统分析 (4)(4)确定气井停喷时的生产状态，从而分析气井的停喷原因。确定气井停喷时的生产状态，从而分析气井的停喷原因。23采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析二、气井节点系统分析法的应用二、气井节点系统分析法的应用 第三节第三节 气井节点系统分
16、析气井节点系统分析 (5)(5)确定排水采气时机，优选排水采气方式。确定排水采气时机，优选排水采气方式。(6)(6)对各种产量下的开采方式进行经济分析，寻求最佳方案和对各种产量下的开采方式进行经济分析，寻求最佳方案和最大经济效益。最大经济效益。(7)(7)选用某一方法（如产量递减曲线分析方法），预测未来气选用某一方法（如产量递减曲线分析方法），预测未来气井的产量随时间的变化。井的产量随时间的变化。采油工程采油工程课程课程中有详细介绍。中有详细介绍。(8)(8)使生产人员很快找出提高气井产量的途径。使生产人员很快找出提高气井产量的途径。24采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析三、气井
17、生产系统分析步骤三、气井生产系统分析步骤 第三节第三节 气井节点系统分析气井节点系统分析 (1)(1)建立生产模型。针对要分析的问题，对实际气井生产系统建立生产模型。针对要分析的问题，对实际气井生产系统加以抽象，表示为数学模型能描述的各个部分。加以抽象，表示为数学模型能描述的各个部分。(2)(2)根据确定的分析目标选定解节点。由节点类型确定节点分根据确定的分析目标选定解节点。由节点类型确定节点分析方法，例如是函数节点分析还是普通节点分析。析方法，例如是函数节点分析还是普通节点分析。(3)(3)完成各个部分数学模型的静动态生产资料的拟合，绘制流完成各个部分数学模型的静动态生产资料的拟合，绘制流入
18、和流出动态曲线。系统可能提供的理论产能必然不会与实入和流出动态曲线。系统可能提供的理论产能必然不会与实际试采的生产资料相吻合。通过对数学模型或参数的调整，际试采的生产资料相吻合。通过对数学模型或参数的调整，并经过一段试采阶段的拟合，使建立的数学模型和计算程序并经过一段试采阶段的拟合，使建立的数学模型和计算程序能反映气井系统的实际。能反映气井系统的实际。25采气工程气井生产系统分析采气工程气井生产系统分析END三、气井生产系统分析步骤三、气井生产系统分析步骤 第三节第三节 气井节点系统分析气井节点系统分析 (4)(4)求解流入和流出动态曲线的协调点。求解流入和流出动态曲线的协调点。(5)(5)完成确定目标的敏感参数分析。例如，可以分析油管直径、完成确定目标的敏感参数分析。例如，可以分析油管直径、射孔密度、表皮系数、井口油压等参数，优选出系统参数，射孔密度、表皮系数、井口油压等参数，优选出系统参数，然后就可对气井生产系统进行调整或重新设计。然后就可对气井生产系统进行调整或重新设计。26