油井生产系统的节点分析方法

油井生产系统的节点分析方法

一、节点分析方法

1.基本概念

节点系统分析(Nodal Systems Analysis)简称为NODAL分析。该方法广泛地应用于油井生产系统设计和生产动态预测，它是运用系统工程理论优化分析油井生产系统的一种综合分析方法。通过节点把从油藏到地面分离器所构成的整个油井生产系统按计算压力损失的公式或相关式分成段，用不同的计算公式对相应的流动段进行计算。节点系统分析的对象是整个油井生产系统，采用节点分析的目的是有效地分析评价油井生产系统，预测油井生产动态和进行油井生产系统设计。在运用油井节点分析方法时，通常采用集中分析系统中的某一节点，使所要分析的问题获得解决的节点称为求解节点（Solution node）。由于局部产生压降或增压使节点两端压力不相等的这种具有特殊功能的节点称为功能节点。如设置在井下安全阀、井下油嘴、泵处的节点。

运用油井节点分析方法，结合油藏工程及采油工艺生产方面的实际工作经验以及油田开发政策对油田生产提出的指标要求，可以分别对新老油田的油井生产进行系统优化分析。在新油田的开发设计中，应用油井节点分析方法可以优化采油工艺设计，选定最佳的采油工艺方案。在对老油田的油井进行系统优化分析研究中，可以尽快找出油井的限产因素，为油井的增产措施和改造提供依据。油井节点分析方法具有以下几个方面用途：

①确定目前生产条件下油井的动态特性；

②优选油井在一定生产状态下的最佳控制产量；

③对油井进行系统优化分析，能迅速找出油井的限产因

素，提出有针对性的油井改造及调整措施；

④确定油井停喷时的生产状态，从而分析确定油井的停喷原因；

⑤确定油井转人工举升方式生产的最佳时机，同时有助于机械采油方式的优选；

⑥可以使管理人员很快地找出提高油井产量的途径。

节点分析方法在油田生产中的应用越来越广泛，其发挥的作用也越来越大。在应用节点分析方法解决实际问题时，为了得到符合实际的分析结果，从节点的划分，计算公式的选择，到计算结果的分析，都应根据油田的实际情况进行认真的研究，从而使节点分析方法的应用不断得到发展。

2.节点分析方法

1）确定系统范围及设置节点位置

在采用节点系统分析方法进行油井生产动态分析时，应根据需要解决的问题性质和条件确定系统的范围，以便既能使问题得到充分的分析，又能简化分析计算。例如在给定油井产量、井底流压及井口压力的条件下，进行油井举升优化设计时，则可把系统限定在从井底到井口，并包括举升设备在内的范围内。又如在已知或给定井口压力的条件下，不需要研究地面流动系统，而仅用于自喷井油管尺寸选择或人工举升设备选择时，则又可把系统限定在从油藏开始到井口的范围内，人工举升井还需要包括举升设备系统。系统范围确定之后，就可根据系统内各流动过程的特点设置相应的节点。

2）选定求解节点

通过求解点的选择，可将油井生产系统划分为两大部分，即流入和流出部分。通过对流入和流出部分的模拟计算求得油井生产动态。

求解点的位置可以在油井系统内任意选择，原则上要依所要求解的问题的目的而定。例如，在分析地面生产设施的影响时（地面管线长度、管径及分离器压力等），求解点可选在井口处；在研究井筒流动与油藏供油能力的协调关系时，求解点一般选择在井底处。而研究分离器压力或油藏压力对油井生产动态的影响时，求解节点可选择在分离器处或油藏压力；在研究泵的举升能力时，大多选择泵作为求解节点。

3）分析计算

油井稳定生产时，整个流动系统必然满足混合物的质量和能量守恒原理。要使油井连续稳定生产，就必须使组成油井生产系统的各个流动过程既相互衔接又相互协调，其中任何一个流动过程发生变化都会影响其它过程，从而改变油井的整个生产状况。

在进行节点分析计算时，主要涉及到的计算包括：

①流入动态（IPR）曲线计算；

②井筒多相流动计算；

③地面管线多相流动计算；

④嘴流及井下节流器等的计算；

⑤对深井泵（有杆泵、电泵、水力泵等）人工举升系统则还要选用表征举升设备工作特性的计算公式进行产量协调及设备工况预测计算。

计算中，求解点在系统端点位置时，其中一个端点为计算起始点；如果求解点在中间位置时，则从系统的两个端点分别作为起始点向求解点进行计算。

二、节点分析方法应用

1.以分离器压力为求解点的分析方法

把分离器选作计算节点，能够很容易地直接观察到分离器压力对产量的影响。产量的变化受整个生产系统的影响，包括油井产能、油管和输油管线的规格和长度。如果想恰当地选出油井的最佳生产参数，每口井都必须进行节点分析。以油藏为起点，分离器为终点计算不同流量下的分离器压力，并绘出分离器压力与产量关系曲线。

计算步骤：

①假设出几种不同的产量值；

②从静压开始计算，求出不同产量所需的井底流压；

③由井底流压求出相应的井口压力；

④由井口压力求出不同产量所对应的可允许的分离器压力；

⑤绘出分离器压力和产量的对应关系曲线，并由分离器压力常数找到对应的产量值。

实际生产时，分离器压力调节为定值。

在有些情况下，改变出油管线的规格，产量会发生较大的变化，而改变分离器压力却不能使产量有明显的变化。但在有的情况下，分离器压力变化，井口压力有明显改变，尤其是大直径出油管线。

2. 以油藏压力为求解点

这个节点部位的分析可分析油藏压力值对产量的影响。这里不包括其它变量变化的情况，如气液比和含水率。对于溶解气驱油藏，当油藏压力降低时气液比会增大，达到某一点之后再下降油井生产动态特征图会更复杂些。

在进行油藏压力计算时，以分离器为起点计算不同流量下的油藏压力，并绘出油藏压力与流量关系曲线。其具体步骤如下：

①先假定一组流量，并以给定的分离器压力为起点计算各假定流量下相应的井口压力；

②以计算得的井口压力为起点计算各对应流量下的井底压力；

③根据假定的一组流量及计算得的井底压力，利用IPR曲线或相关式就可求得相应的油藏平均压力r P；

④绘制油藏压力与流量关系的曲线；

⑤以油藏压力为求解点所得的曲线可以用来研究在给定条件下油藏平均压力对油井生产的影响及预测不同油藏平均压力下的油井产量。

选油藏压力作为求解节点，可获得不同油藏压力时的产量。但这种算法假设的条件是生产气油比或油井含水率不变。一般地，生产气油比或含水率随着生产时间的不同而会发生变化的，实际应用时可在不同的生产气油比或含水下计算绘制曲线进行综合分析。

3.以井底压力为求解点的分析方法

以井底压力为求解节点进行分析计算时，需已知以下条件：分离器压力、出油管线直径及长度、油藏深度、油管直径、气油比、含水率、油和气的密度、油藏压力、饱和压力及采油指数等。

整个生产系统将从井底分成两部分：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。

由于选取井底为求解点，所以求解时，要从两端开始，设定一组流量，对这两部分分别计算至求解点上的压力(井

底流压，亦即油管入口压力)与流量的关系曲线。

1） 进行油管尺寸的敏感性分析；

2） 进行完井参数的优化。

4.以井口压力及油嘴为求解点的分析方法

1）油层-井筒-地面系统的协调分析

分析自喷井生产过程中井口油压的变化及其对生产动态

的

影响时，通常都选取井口油压为求解点。

求解压力为井口压力wh P 时。在假定一组流量后，分别以

给定的分离器压力sep P 和油藏压力r P

为起点计算不同流量下的井口压力wh P 。这样就可绘出以井口为求解点的节点流入 曲线(油管及油藏的动态曲线)和节点流出曲线(水平管流动态曲线)。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。

2）油嘴的选择及协调计算

为了分析油嘴对油井生产动态的影响和选择油嘴直径时，通常都是以油嘴为求解点。设定一系列的产量，分别从油层和分离器开始计算出一系列油压和回压绘制成曲线，在同一产量下，找 出油嘴所造成的压力损失，根据此压差的大小，可以确定油嘴直径的大小。

5.以泵口压力为求解点的分析方法

以泵口作为求解点的分析方法用于人工举升系统的设计和分析。

设计分析的首要目的是确定采用各种举升方法的产量。虽然产量不是最终选择举升方法的唯一标准，但是其中最重要的因素之一。

采用任何一种人工举升系统的目的，都是为了造成预定的油管吸入压力，使生产压差增大，从而增加油层流入井中的油量。任何一种人工举升系统的设计和分析都可以分成两个主要的组成部分。一个是油层部分（液体流入动态），另一部分则是人工举升系统。人工举升系统包括举升设备本身以及分离器、输油管线、油管管柱、抽油杆柱等。

人工举升的油井生产系统设计分析的方法是：

1) 节点的划分

节点系统分析的对象是油井生产系统，以有杆泵为例，求解点设置就设在下泵深度处。

2) 根据划分的节点进行分段计算：

(a) 油井流入动态计算，在进行流入动态计算时，首先对油藏特征加以研究，再根据油藏特征选择相应的流入动态计算方法；

(b) 从井底到泵吸入口的流动过程以及油管内的流动，根据流体的流动状态按井筒多相流的方法计算流体的物性参数和井筒内的压力和温度；

(c) 地面管线中流动的压力损失计算。

3) 油层、井筒和抽油设备的协调条件：

(a) 质量守恒：流入和流出系统的质量流量相同；

(b) 能量守恒：流体从油层流入井底时的剩余压力等于井筒流体流动的起始压力，流体从井底流到泵吸入口处的剩余压力等于泵的吸入压力；泵排出口处的流体压力与井口油压和油管中流体的流动压力降之和相平衡；泵吸入口处的压力与井口套压和泵上油套环空中的液柱压力之和平衡。

(c)流入井底的流体所具有的热量与井口流体的剩余热量之差等于流体在井筒流动中与周围环境热交换量。由于涉及多相流动计算时，流体性质及流动参数是随温度变化的，因此，以热量

守恒为基础的井筒温度分布计算在油井生产系统分析中是不可缺少的。特别是与井筒加热及热流体循环有关的举升工艺，温度场计算是很重要的。

6. 注水井节点系统分析

注水开发的油井生产系统的节点分析与生产井的分析方法相似，只是在节点的划分上有所不同。注水井节点系统分析是把从注水泵到地层的整个注水系统分成段，按节点设置在为注水泵、配水间、配水器、注水井井底、油藏，然后采用不同相关式计算期间的压力分布。主要是采用单相的水平管流和垂直管流及注水指示曲线等计算方法。

注水开发的油井生产系统的起点是注水泵的出口。在联合站或注水站，注水泵将合格的注入水升压到工程所需要的压力值，经计量后进入地面注水管网，分配到各注水井。这一过程的主要压力损失为管道内流动阻力及管件、阀门节流阻力损失。由于注入水粘度很小，这一部分的阻力损失一般也都很小。

分配到各注水井的注入水，经井口、油管（正注）向下流入到井底。在笼统注水方式下，直接经射孔井段进入地层。在分层注水方式下，经配水器后，再经射孔井段进入地层。在这一过程的主要阻力损失为管道摩阻和射孔井段孔眼阻力。在分注方式下，外加水嘴损失。

注入水经射孔井段后进入油藏空隙，此间的流动状态为注入水在多孔介质内的渗流。在这一过程中，注入水推动储层空间内的原油向油井方向流动。这一过程是一个很复杂的流动状态。主要压力损失为注入水在孔隙内推动原油向前流动的渗流阻力，表明这一阻力的特征参数为吸水指数。影响吸水指数的因素很多，为了简单地反映这一阻力特征，在实际生产中常用视吸水指数注水指示曲线（注入量与注入压力的关系曲线）来表示注入井的吸

水能力。

注水井节点分析时，可根据具体的分析目的选定求解点：

①为确定达到配注量所需的注入压力时，求解点设在注水泵站，注入压力的分析结果可为选泵提供依据。

②为研究注入压力或油藏压力对注入量的影响，在选定注水泵和油藏压力保持水平后，确定最大注入能力时，求解点可设在井底。

③分层注水选择水嘴直径时，求解点则设在配水器处；如果给定井口注入压力时，则系统范围可限定在井口到油藏，而不必计算地面流动。