第一节　自喷井生产系统的组成

任何油井的生产都可分为三个基本流动过程：从油藏到井底的流动———油层中的渗流；从井底到井口的流动———井筒中的流动；从井口到分离器的流动———在地面管线中的水平或倾斜管流。对自喷井，原油流到井口后还有通过油嘴的流动———嘴流。所以，自喷井可以分为四个基本流动过程。一口较完整和较复杂的自喷井系统及各段的压力损失。大多数自喷井的生产系统较为简单，除海上油井外都不设置井下安全阀和节流器。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。要使油井连续稳定自喷，就必须使这四个不同的流动过程既相互衔接又相互协调起来，其中任何一个流动过程发生变化都会影响其它过程，从而改变自喷井的整个生产状况。

第二节　自喷井节点分析

80 年代以来，为了进行油、气生产系统设计及生产动态预测，广泛地使用了节点系统分析（NodalSystems Analysis）方法。它是应用系统工程原理，以油井生产系统为对象把从油藏到地面分离器所构成的整个油井生产系统按不同的流动规律分成若干个流动子系统，在每个流动子系统的起始及衔接处设置节点。在分析研究各子系统流动规律的基础上分析各子系统的相互关系及其各自对整个系统工作的影响，为优化系统运行参数和进行系统的调控提供依据。系统相对应的各节点位置。节点1 描述分离器压力psep，通常可调节为定值。节点8 描述平均油藏压力pr。在整个生产系统中，节点1 上的压力psep和节点8 上的压力pr并不是流量的函数。因此，任何用来求解总系统问题的试算法都必须从节点1 或8 开始。如果以其它中间节点作为使问题获得解决的节点即求解点（Solution Node），则要分别从节点1 和节点8 两点开始。一旦求解点选定，就可以把某一流量下从开始节点起的全部压力降加起来，一直到达求解点为止。

求解点的选择主要取决于所要研究解决的问题。通常是选用井口（节点3）或井底（节点6），即求解不同条件下系统协调生产时的井口压力或井底流压及相应的产量；也可以选在其它节点上。

一、油藏与油管两个子系统的节点分析

给定的已知条件：油藏深度；油管直径；气油比；含水；油、气、水密度；平均油藏压力pr；饱和压力pb（低于油藏压力）及单相流时的采油指数J1。

（一）井底为求解点

当油压为己知时，可以以井底为求解点。IPR 曲线为节点6 的流入曲线A。若已知油压，则设定一组产量，通过井筒多相流计算可得一组管鞋压力，此压力与产量的关系曲线便为节点6 的流出曲线B。把这两条曲线绘制在同一坐标系中，其交点b 便为该系统在所给条件下在井底得到的解，即在所给条件下可获得的油井产量及相应的井底流压。

（二）井口为求解点

有时也不一定要求保持固定的油压，这时设定一组产量，通过IPR 曲线A 可计算出一组井底流压，然后通过井筒多相流计算可得一组井口油压曲线C，此油压与产量的关系曲线便为节点3 的流入曲线，当产量为 Q 时，油层与油管的产量都是 Q，井底流压与管鞋压力都为pa，油压为pb，（pa－pb）是在油管中消耗的压力。曲线A 与C 的压力差值表明：油管的上、下压差（pa－pb）即油管中的压力损失，并不总是随着产量的增加而加大，而是在Qc时有一个较低的值。这种现象符合前面所讲的多相管流规律。产量低时，管内流速低，滑脱损失大；产量高时，摩擦损失大：这两种情况均可造成较大的管内压力损耗。只有在某一产量范围内，滑脱与摩擦都不是很高的时候，才可得到较低的管内压力损耗。

这种方法可以计算出任意产量下的井口油压的大小，并用于预测油井能否自喷。

二、从油藏到分离器无油嘴系统的节点分析方法

简单系统为例来说明选取不同求解点时，进行系统分析的方法。给定的已知条件：分离器压力psep；出油管线直径及长度；油藏深度；油管直径；气油比；含水（本例为零）；油、气密度；油藏压力pr；饱和压力pb（低于油藏压力）及单相流时的采油指数J1。

（一）井底为求解点

整个生产系统将从井底（节点6）分成两部分：一部分为油藏中的流动；另一部分为从油管鞋到分离器的管流系统。由于选取中间节点6 （井底）为求解点，所以求解时要从两端（节点8 和节点1）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，即油管鞋压力）与流量的关系曲线。表示油藏中流动的IPR 曲线为节点6 的流入曲线；以节点1 （分离器压力）为起点通过水平或倾斜管流计算得井口油压，再通过并传多相流计算得油管入口压力与流量的关系曲线，此曲线为节点6 的流出曲线。把这两条曲线绘制在同一坐标系中，其交点便为该系统在所给条件下在井底得到的解，即在所给条件下可获得的油井产量及相应的井底流压。选取井底（节点6）为求解点，便于预测油藏压力降低后的未来油井产量及研究油井由于污染或采取增产措施后引起的完善性（或流动效率）改变所带来的影响。

（二）井口为求解点

整个生产系统将从井口分为两部分。求解压力为井口压力pwh。在假定一组流量后，分别以给定的分离器压力psep和油在压力pr为起点计算不同流量下的井口压力pwh。这样就可绘出以井口为求解点的节点出入曲线（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。求解点选在井口可用来研究不同直径的油管和出油管线对生产动态的影响便于选择油管及出油管线的直径。

（三）分离器为求解点

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的关系曲线。实际生产时，分离器压力调节为定值。可得到选定分离器压力后的产量。对不同类型的井，以分离器为求解点可做出类似于曲线，从而可得到分离器压力对各类井生产的影响情况。为四口不同类型的油井以分离器为求解点的曲线。由可看出，虽然降低分离器压力可提高油井产量，但各井增产的程度不同，A 井增产明显，而D 井增产很少。分离器压力与集气管网有关。对于需要增压外输或用于气举时，它直接关系到压缩机的吸入压力，从而影响压缩气体需要的功率及压缩机的选择。显然，分离器压力低时，由于压缩比高而需要较高的功率。在这种情况下，分离器压力临界值的确定要进行经济技术方面的综合考虑，其中会涉及到油气分离方式、分离效率以及出油管线直径的选定问题。

（四）平均油藏压力为求解点

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的关系曲线。计算时，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；然后，以计算得到的井口压力为起点计算各对应流量下的井底压力；最后，根据假定的一组流量及计算得到的井底压力，利用IPR 曲线或相关式就可求得相应的油成平均压力pr。以油藏平均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。

三、从油藏到分离器有油嘴系统的节点分析方法

（一）嘴流规律

在进行有油嘴系统的节点分析之前，先来分析油气混合物通过油嘴时的流动——嘴流规律。油、气混合物从井底到达井口时，在油嘴前的油压pt和油嘴后的回压ph作用下通过油嘴。由于此处气体膨胀，混合物体积流量很大，而油嘴直径又很小，因此，混合物流经油嘴时流速极高，可能达到临界流动（所谓临界流动是指流体的流速达到压力波在流体介质中的传播速度即声波速度时的流动状态），此时可以把混气液体在油嘴中的流动看成热力学中流体在临界条件下的喷管流动。在临界流动条件下，气体或液体经喷管的质量流量与喷管前后的压力比p2p1的关系曲线。

（二）有油嘴系统的节点分析方法

复杂系统，计算中则需要考虑 p3、p4及 p5。如果为了选择地面油嘴、井下安全阀及井下节流器，则求解点可分别选择在节点2、节点4 及节点5 上来进行分析。与前面所讲的其它节点之不同处在于：这些节点上的压力是不连续的，液流穿过节点时产生压差。把这种压力不连续即存在压差的节点统称为“功能节点”（Functional Node），即在这些节点位置上装有可起特殊作用的设备。当以功能节点为求解点时，先要以系统两端为起点分别计算不同流量下节点的上、下游压力，并求得节点压差和绘出压差－流量曲线；然后，根据描述节点设备（油嘴、安全阀等）的流量－压差公式或相关式，求得设备工作曲线。由两条压差－流量曲线的交点便可求得问题的解，即节点设备产生的压差及相应的油井产量。设备规格不同，求解得到的压差及产量亦不相同，从而可根据要求选出合适的节点设备。对有油嘴的生产系统，必须以油嘴为求解点。可设定一系列的产量，从油层和分离器开始分别计算出油嘴处一系列的油压和回压。将满足回压低于油压一半（油嘴临界压力比近似取0．5）的点绘制成pt—q 的曲线B，此曲线上的任一点都满足油嘴的临界流动。曲线B 与油嘴特性曲线G 的交点即为该油嘴下的产量与油压。

（一）不同油嘴下的产量预测与油嘴选择

对一口井根据生产上要求的产量Q 选择合适的油田直径d 时，以油嘴为求解点，绘制出满足油嘴临界流动的pt—Q 曲线即油管工作曲线B，再根据可供选用的油嘴直径分别作出相应的油嘴曲线，如4、6、8、10、16 分别与曲线B 相交，其交点所对应的产量分别为 Q6、Q8、Q10、Q16，然后根据要求的产量Q 确定与之对应的（或较接近的）油嘴直径。可以看出，油嘴4 与曲线B 无交点，说明选用油嘴4 在油管中的油流速度很低，生产不正常。在更换油嘴预测产量的时候，应当注意油嘴的更换应不引起绘制曲线B 时各给定参数的变化。例如因更换油嘴使参数气油比改变，那么三条曲线的位置将发生改变，就是在更换油嘴时参数不变的情况下得到的。

（三）油管直径的选择

在相同参数下，将不同直径油管的工作曲线画在p—Q 图上，以比较在某种产量范围内选用何种油管直径更为有利。分别作出油层工作曲线A 和相应的21/2和31/2或其他直径的油管工作曲线。油管工作曲线的形状和给定的具体参数有关，的油管工作曲线便是其中的一例，从这两种管径的油管工作曲线可以看到一种有意义的情况：当井口油压较低时，如pt1，大直径油管的产量比小直径的要高，这是容易理解的；但是，同样这两种管径的油管，当井口油压高时，如pt2，大直径油管的产量反而比小直径的要低，这是由于在大直径管中滑脱损失使总损失增大。由此可见，在某种条件下，大直径油管不一定比小直径油管的产量高。在这里要强调一下选择油管的重要性。要考虑到在高产井中（千吨及上万吨的井），倘若没有考虑到油管直径的问题，就很可能由于选用了过小的油管直径而限制了产量。国外有的高产自喷井油管可以用到31″2和41″2，如中东及阿拉斯加等地区。

由于油管尺寸的加大，自然影响到套管直径及其配套的井下工具。因此，在完井工程设计确定生产套管尺寸时首先应确定油管直径。而油管直径的选择不仅要考虑到开发初期的产能，而且要考虑到开发后期的产能及举升工艺和可能采取的井下措施。

（三）预测油藏压力变化对产量的影响

油藏在开采过程中，油藏压力会发生某种程度的降低，这时可以用类似的方法预测油藏压力下降后产量Q 的变化。首先讨论油嘴直径不变时，油藏压力降低后产量的变化。A、B 分别为某一开采阶段的油层工作与油管工作曲线。经过一定时间后，油成压力降低，相应的油层工作曲线和油管工作曲线分别为A′、B′。如果所用的油出直径d1不变，则该井的产量将由原来的 Q1下降为Q2。倘若已知油激压力下降的速度，则可以估计出产量从Q1降低到Q2所需的时间。如果要保持原来的产Q1，就必须换用较大的油嘴直径d2。问题在于换用大直径油嘴后，井口油压要随之下降，能否满足生产上对井口油压的要求，也是需要考虑的。对于上述情况，也可以采用绘制的方法分析油成压力变化对油井产量的影响。

（四）停喷压力预测

油井在生产过程中，由于油藏压力连续下降，油层工作曲线分别变为A1、A2、A3，相应的油管工作曲线也要向横轴方向移动，如 B1、B2、B3。如果要求油压pt在大于某值（例如pt＝0．6MPa）的条件下生产，在纵轴上取pt＝0．6MPa 的E 点作一水平线交油管曲线B2于C 点。从图中可以看出，EC线不与油管曲线B3相交，说明油藏压力下降到A3以前，油井已不能正常自喷生产。

在研究自喷油井工作时，实际情况是比较复杂的。上面讨论中，尚未考虑下列因素：

（1）多油层的情况。

（2）油井生产过程中的一些复杂情况，如油井出砂、结蜡、井下节流器及安全阀等。

需要强调的是，在节点分析计算过程中，可以看到多相管流计算方法的重要性，为了提高计算的准确度，应选取与实际情况较符合的计算方法。