采油工艺方法与设备浅析

在油田不同开发阶段下，由于油藏能量、产量、含水率等因素的制约，采取的采油工艺方法不同。合理地选取采油工艺的直接决定者油田开发效益。

一、油田开发阶段的划分。按产量划分阶段：产量上升阶段、产量稳产阶段、产量递减阶段。按开采方法划分阶段：一次采油阶段，利用油藏本身的天然能量开采石油的方法。这一阶段可开采出原油地质储量的10%-15%。二次采油阶段，一次采油过程中，油藏能量不断被消耗，依靠天然能量采油无法维持采油速度，由人工向油藏中注水或者注气以补充地层能量二增加采油量的方法。这一阶段可开采原油地质储量的20%-30%。三次采油阶段，针对一次、二次未能采出的剩余在油藏中的原油，向地层注入其他驱油剂或者引入其它能量来提高原油采收率的方法。按油田综合含水方法划分开发阶段：无水采油期(综合含水率小于2%)、低含水采油期(综合含水率2%-40%)、中含水采油期(综合含水率40%-80%)、高含水采油期(综合含水率80%-90%)、特高含水采油期(综合含水率90%以上。

二、常见的采油方式。分为自喷采油和人工举升采油两类，人工举升又可以分为：有杆泵采油、无杆泵采油、气举采油。其中，有杆泵采油包括：常规抽油机采油方式和螺杆泵采油方式；无杆泵采油包括：潜油电泵采油方式（潜油电动离心泵、潜油电动螺杆泵）和水力泵采油方式（水力活塞泵、水力射流泵）；气举采油方式包括：连续气举和间歇气举两类。

（一）自喷采油。定义：依靠油层本身的能量使由喷到地面的采油方式。能量来源为井底油流具有足够的压力；随同原油一起进入井底的溶解气所具有的弹性膨胀能量。一般包括四个环节：油层渗流，原油从油层到井底；井筒流动，从井底沿着井筒上升到井口；油嘴节流，原油到井口之后通过油嘴的流动；地面管线流动，沿着地面管线到分离器，然后通过油气分离将油和天然气分开，分别计量后，原油进入储油罐以备输运，天然气进入集输管线或储运或使用。

自喷井井口装臵的结构组成：油井最上面的设备装臵叫井口装臵,在生产单位统称为采油树。结构：由套管头、头和采油树三部分组成。

套管头，其作用是其作用是：用以支持技术套管和油层套管的重力，密封各层套管间的环形空间，为安装防喷器、头和采油树等上部井口装臵提供过渡连接，并通过套管头本体上的两个侧口可以进行补挤水泥、监控井液和平衡液等作业。套管头在井口装臵的下端，由本体、套管悬挂器和密封部件组成，表层套管用法兰与套管头下法兰连接。

头，头安装于采油树和套管头之间，其上法兰平面为计算补距和井深数据的基准面。头的作用是：悬挂井内柱；密封与油层套管间的环形空间；通过头四通体上的两个侧口（接套管闸门）完成注平衡液及洗井等作业。顶丝的作用是卡住柱防止井中压力将柱顶出。

采油树，采油树是指头以上的部分，连接方式有法兰式和卡

箍式。采油树的作用：是控制和调节油井生产，引导从井中喷出的油气进入出线，实现下井工具仪器的起下等。采油树的主要组成部分：总闸门，作用是用于控制油、气流入采油树的通道；四通（或三通），既是连接部件也是油气流出和下井仪器的通道；生产闸门：作用是控制油气流向出线；清蜡闸门，正常生产时保持开启状态以便观察压力，它的上面可连接清蜡或试井用的防喷管，清蜡或试井时把它打开，清蜡或试井后把它关闭；采油树附件，采油树的附件：包括井口节流器、压力表、取样放空和回压闸门等。节流器，称油嘴套，安装在生产闸门外侧，直接与出线连接，节流器内装油嘴。油嘴的作用，是控制和调节油井的产量。油嘴的大小与井底回压、生产压差以及产量之间的关系，称为自喷采油井的工作制度，每口井都有自己的工作制度。注意：选用油嘴时，首先要细致检查直径（用嘴子规或游标卡尺）、长度、椭圆度、孔眼和轴线同心度及有无毛刺和不合乎要求之处。在使用过程中也要经常检查，尤其是初投产井和出砂井更要注意检查，应保持油嘴不刺大，不被堵、不变形、无毛刺等，否则会影响油井生产。压力表，压力表是用来观察和录取压力数据的仪表。使用压力表时，首先应注意表的量程是否合适。一般情况下应该使压力值在压力表量程读数的30%—70%范围内。在读压力读数时，应使眼睛、指针、表盘上的刻度成一条垂直于表盘的直线，否则容易造成人为误差。安装压力表时，要用表接头，不许将压力表直接装在闸门上，以防损坏压力表的螺纹，使压力表不能再用，缩短其使用寿命。在用压力表测蒸汽或过热气体的压力时，应在压力表接头

上装一个弯曲的充液管，以防止包氏管因过热而影响压力表的准确度。压力表在使用过程中，应该经常进行检查和校对，在现场上常用的方法是：（1）采取互换法（2）落零法（3）用标准压力表校对法 3）取样放空阀和回压闸门，取样放空阀作用是：用来进行井口取样或者是检查和更换油嘴时放空用回压闸门安装在油嘴后出线上，其作用：是在检查和更换油嘴以及维修生产闸门及修井作业时关闭，以防止出线内的流体倒流。

自喷井井场流程，为使自喷井保持正常的稳产高产，必须在井口安装能够控制、调节油、气产量并把产出的油、气进行集输的一些设备，并用管件把这些设备连接成一个系统。油气在井口所通过的这套管路和设备，称为自喷井的井场流程。

一般自喷井的井场流程有以下作用：（1）控制和调节油井的产量；（2）录取油井的动态资料，如记录油、套压，计量油气产量，井口取样等；（3）对油井产物和井口设备进行加热保温。

自喷井的分层开采及生产管柱。分层开采的目的及意义，因为有层间差异，平面差异，层内差异所以在多油层非均质的条件下，井口用一个油嘴是不合理的，因此为了调整三种差异有效的方法是油井分层开采，水井分层注水的方法。分层开采的方法，分层开采可分为单管封隔器分采、双管分采和油套分采三种方式。油套分采，又分为油套管简易分采、油套管互换分采和上下油层轮换分采： 1）油套管简易分采适用于上层地层能量大于下层地层能量的自喷井。2）油套管互换分采适用于上层油层能量小于下层油层能量的自喷井。3）上下

油层轮换分采是油井内下入一级封隔器将上、下油层分开，封隔器上面接轮换采油工作筒，轮采芯子有直孔和斜孔两种。当需要采上层时，采用斜孔芯子；当需要采下层时，采用直孔芯子。油套分采一般只能用于两套油层油井的分采。该方法对结蜡严重的井不宜采用。封隔器的主要作用是：封隔油、套环形空间，把各油层封隔成的开采系统。配产器的主要作用是：通过在配产器内装设不同尺寸的油嘴，控制所对应油层的生产压差，实现各层段的定量配产开采，给对应层段的油流提供通道，并为以下各层的油流、测试仪表提供通道。

井下油嘴的选择：1）经验法（或称调试法）；2）嘴损曲线法；3）井下油嘴选择步骤：（1）按给定的各层段配产值，在分层指示曲线上查出对应的配产流压值；（2）从各层配产流压值中，选出其中的最低流压作为基础流压。各层的流压与基础流压之差，即为嘴损压差 ，并算出嘴损平方根值 。（3）在嘴损曲线图版上，根据各层配产值和各层所需嘴损的平方根值，查出对应的井下油嘴尺寸。

（二）人工举升采油。目前，国内人工举升采油装臵主要分有杆泵、无杆泵和气举三大类。有杆泵地面动力设备带动抽油机，并通过抽油杆带动深井泵。无杆泵不借助抽油杆来传递动力的抽油设备。目前无杆泵的种类很多，如水力活塞泵、电动潜油离心泵、射流泵、振动泵、螺杆泵等。目前应用最广泛的还是游梁式抽油机深井泵装臵。因为此装臵结构合理、经久耐用、管理方便、适用范围广。气举井中产出的油、气经分离后，气体集中到矿场压缩机站,经过压缩送回井口。对于某些低产油井,可使用间歇气举法以节约气量，有时还循环

使用活塞气举法。气举法有较高的生产能力。井下装臵简单，没有运动部件，井下设备使用寿命长，管理方便。虽然压缩机建站和敷设地面管线的一次投资高，但总的投资和管理费用与抽油机、电动潜油泵或水力活塞泵比较是最低的。气举法应用时间较短，一般为15～30%左右；单位产量能耗较高，又需要大量天然气；只适用于有天然气气源和具备以上条件的地区内有一定油层压力的高产油井和定向井,当油层压力降到某一最低值时,便不宜采用；效率较低。

1、有杆泵采油。有杆泵采油的三大主要装备有抽油机、抽杆和抽油泵。按照抽油泵在中的固定方式可分为：管式泵和杆式泵。管式泵：外筒和衬套在地面组装好接在下部下入井内，然后投入固定阀，最后把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵内。杆式泵：整个泵在地面组装好后接在抽油杆柱的下端整体通过下入井内，由预先装在预定深度(下泵深度)上的卡簧固定在上。管式泵的结构简单、成本低，在相同直径下允许下入的泵径较杆式泵大，因而排量大。但检泵时必须起出，修井工作量大，故适用于下泵深度不很大，产量较高的油井。杆式泵检泵方便，但结构复杂，制造成本高，在相同直径下允许下入的泵径比管式泵小。杆式泵适用于下泵深度大、产量较小的油井。

泵的工作原理，上冲程：抽油杆柱带着柱塞向上运动，柱塞上的游动阀受管内液柱压力而关闭。泵内压力降低，固定阀在环形空间液柱压力(沉没压力)与泵内压力之差的作用下被打开，泵内吸入液体。下冲程：柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭。泵内压力增加，当泵

内压力大于柱塞以上液柱压力时，游动阀被顶开。柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞上部，使泵排出液体。

有杆泵抽油的主要参数，冲程：光杆（或柱塞）上、下运动一次称为一个冲程。光杆冲程：光杆从上死点到下死点的距离，用S表示。柱塞冲程：柱塞在上、下死点间的位移。冲次: 每分钟内完成冲程的次数，用n来表示。沉没度：抽油泵的吸入阀与动液面之间的相对高度。动液面：抽油机正常生产时，井口至液面的距离。沉没压力（泵口压力）：作用在泵吸入口处的环形空间压力。

泵工作三个主要功能及泵吸入条件及泵排出条件，吸入液体，柱塞让出体积和排出液体；吸入条件：泵内压力(吸入压力)低于沉没压力；排出条件：泵内压力(排出压力)高于柱塞以上的液柱压力。

抽油机平衡，上下冲程中悬点载荷不同，造成电动机在上、下冲程中所做的功不相等。会造成：①上冲程中电动机承受着极大的负荷，下冲程中抽油机带着电动机运转，造成功率的浪费，降低电动机的效率和寿命；②由于负荷极不均匀，会使抽油机发生激烈振动，而影响抽油装臵的寿命；③破坏曲柄旋转速度的均匀性，影响抽油杆和泵正常工作 。平衡原理：在下冲程中把能量储存起来，在上冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功，从而使电动机在上下冲程中都做相等的正功。

影响泵效的主要因素：(1) 抽油杆柱和柱的弹性伸缩；(2) 气体和充不满的影响；(3) 漏失影响；(4) 体积系数的影响。

载荷作用下的柱塞冲程，柱塞冲程损失的构成：液柱载荷交替地

由转移到抽油杆柱和由抽油杆柱转移到，使杆柱和管柱发生交替地伸长和缩短。上冲程：载荷由从转移到抽油杆，抽油杆伸长，缩短；下冲程：载荷由从抽油杆转移到，伸长，抽油杆缩短。柱塞冲程损失由抽油杆柱伸缩与伸缩共同造成的。

2、无杆泵采油。一般将利用抽油杆柱上下往复运动进行驱动的抽油设备统称为有杆抽油设备（井数多规模大）；凡是不用抽油杆柱传递能量，而是利用电缆或高压液体传递能量的抽油设备统称为无杆抽油设备。利用抽油杆柱旋转运动的井下螺杆泵装臵虽然也有抽油杆，但习惯上将其列入无杆抽油设备。本章主要介绍潜油电泵、螺杆泵、水力射流泵和水力活塞泵抽油装臵、采油及工艺设计方法。

潜油电泵采油系统，潜油电泵采油系统主要由电机、保护器、气液分离器、多级离心泵、电缆、接线盒、控制屏和变压器等部件组成。除了上述基本部件外，还可选用一些附属部件，如单流阀、泄油阀、扶正器、井下压力测量仪表和变速驱动装臵等。该系统的工作原理是地面电源通过变压器、控制屏和电缆将电能输送给井下电机，带动多级离心泵叶轮旋转，将电能转换为机械能，把井液举升到地面。

潜油电泵系统部件有：电机、保护器、气液分离器、电缆、控制屏、变压器、接线盒、压力传感器、单流阀和泄油阀、扶正器。

螺杆泵（PCP，Progressing Cavity Pump）是以液体产生的旋转位移为泵送基础的一种新型机械采油装臵。

螺杆泵采油系统，螺杆泵采油系统按驱动方式可划分为地面驱动和井下驱动两大类，而地面驱动按不同驱动形式又可分为皮带传动和

直接传动两种形式，井下驱动也可分为电驱动和液压驱动两种形式，。在整个螺杆泵采油系统中，地面驱动发展较早、也较成熟，但是井下驱动避免了地面驱动扭矩的损失、设备也比较少，具有较高的采油效率。

地面驱动螺杆泵系统，地面驱动螺杆泵装臵是利用抽油杆传递地面电机的扭矩，带动井下螺杆泵转动来举升原油。就其驱动方式而言，它是一种旋转运动的有杆泵。其装臵主要由驱动系统、联接器、抽油杆及井下抽油装臵组成。但随着丛式井、定向井及斜井的日益增多，地面驱动螺杆泵开始暴露出其缺陷，由于不断的扭转常使抽油杆接箍松脱，丝扣损坏，特别是在下泵较深，负荷较大的井中更为严重；另外，在丛式井、定向井和斜井中，常规的地面驱动系统还要经受抽油杆损坏和抽油杆与偏磨产生的漏失问题，增加了油井因抽油杆失效所造成的损失，使油井作业费用增加。包括：电控箱、控制系统、监测和保护系统、地面驱动装臵、螺杆泵井口、抽油杆柱、辅助器具

井下驱动螺杆泵系统、多数井下驱动螺杆泵装臵其驱动方式为电动或液压马达，它是另一种形式的潜油电泵（无杆泵）。其井下部分由电机、保护器和螺杆泵组成，潜油电动螺杆泵井下机组主要由四极潜油电机、电机保护器、行星齿轮减速器、减速器保护器、螺杆泵组成。地面电能通过电缆传递给井下电机，带动螺杆泵旋转，将井液排到地面。采用液压马达的井下驱动螺杆泵装臵主要用于油井测试过程中。潜油电动螺杆泵工作原理是动力及引接电缆将电力传送至井下潜油电机，潜油电机通过齿轮减速器和双万向节驱动螺杆泵在低速下转

动，井液经过泵增压后，通过举升到地面。潜油电动螺杆泵井下机组主要由四极潜油电机、电机保护器、行星齿轮减速器、减速器保护器、螺杆泵组成，。潜油电动螺杆泵的关键部件包括：（1）四极电机；（2）潜油减速器；（3）减速器保护器；（4）双万向节等。

3、气举采油方式。气举采油是指人为地从地面将高压气体注入停喷（间喷或自喷能力差）的油井中，以降低举升管中的流压梯度（气液混合物密度），利用气体的能量举升液体的一类人工举升方法。

气举的工作介质可以为天然气、氮气等高压气体，其井下设备简单。因此它具有较强的适应性，适用于高气液比的直井、斜井、丛式井、水平井以及小井眼井的采油和气井排液采气，也可用于油井诱喷或压裂酸化增产措施井和修井排液作业。气举的举升深度和排量变化灵活，井口和井下设备比较简单，管理方便。在高气液比、含砂及含腐蚀性介质的油井条件下，较其它人工举升方式更具优势。但气举采油要求稳定充足的气源，采用压缩机增压其地面设备一次性投资大。

气举采油原理，气举采油是基于“U”型管原理(，通过地面向油套环空（反举）或（正举）注入高压气体，使之与地层流体混合，降低液柱密度和对井底的回压（井底流压），从而提高油井产量。

气举采油方式，气举（gas lift）按注气方式可分为连续气举和间歇气举两大类，其中间歇气举还包括柱塞气举、腔室气举等特殊方式。1）连续气举，连续气举（continuous gas-lift）是常用的气举采油方式，它是从油套环空（或）将高压气连续地注入井内，使（或油套环空）中的液体充气以降低其密度，从而降低井底流压，

排出井中液体的一种人工举升方式。连续气举适用于油层供液能力较好且能量较充足的油井，连续气举井的采油原理与自喷井相似，其区别是气举井需要人为注入高压气体补充能量；而自喷井则完全依靠油层本身能量。2）间歇气举，间歇气举（intermittent gas-lift）是向油套环空内周期性地注入高压气体，气体迅速进入内形成气塞，将停注期间井中的积液推至地面的非常规气举采油方式。采用间歇气举时，地面一般需要配套使用间歇气举控制器（周期-时间控制器）。间歇气举主要用于地层能量不足的油井。对这类油井，采用间歇气举较连续气举可明显减少注气量，提高举升效率。其缺点是井口装臵比较复杂，在闭式循环气举系统中，当间歇气举井占到一定比例时，容易造成地面注气压力波动，影响其它气举井的正常生产。柱塞气举（plunger lift）是一种特殊的间歇气举方式。它是利用内的柱塞在气体与液体之间形成一固体界面，有效地减少液体滑脱损失，提高其举升效率。当地层气液比较高时，可以利用油井自身能量周期性地推动柱塞举液，否则需要补充注气。是否需要注气应视地层气体能量而定。柱塞气举能有效地防止结蜡，也可用于气井排液采气。但柱塞气举的地面装臵较其它气举方式复杂，操作管理有一定难度，生产过程中容易在地面集输管网内造成较大的压力波动。

气举管柱结构，常用的单管气举管柱结构主要有开式、半闭式、闭式三种。