油井生产技术是什么？
图5-1采油方法分类
一.流动石油生产
根据储层本身的能量，石油从储层被驱到井底，并从井底提升到地面。这种生产方式称为自注采油。自喷法生产的油井称为自喷井。自喷井地面设备简单，操作方便，产量高，采油速度快，经济效益好。
(一)自喷井采油的原理
1.原理油井之所以能自喷，是因为地层能量充足。地层能量水平反映在储层压力水平上。打开地层后，原油在较高的地层压力作用下，从地层深部流向井底，克服了地层的渗流阻力，剩余的压力就是井底压力。在井底压力的作用下，原油从井底沿井筒流向井口，同时溶解在原油中的天然气开始分离，气体也会成为举升原油的能量。
2.自喷井的四种流动过程
从油藏到地面输油站的自喷流可分为四个基本流动过程——地层渗流、井筒多相管流、喷嘴流和水平管流，如图5-2所示。
(1)地层渗流:从油层流向井底，流体在多孔介质中渗流，故称渗流。如果井底压力大于饱和压力，则为单相渗流；如果井底压力小于饱和压力，则为多相渗流。在渗流过程中，压力损失约占总压降的10% ~ 15%。
(2)井筒内多相管流:即垂直管流。从井底到井口，油管中的流体上升。一般油管某一段的压力低于饱和压力，所以属于油、气或油、气、水多相流。垂直管流的压力损失最大，占总压降的30% ~ 80%。
(3)口流:通过节流器的流体称为口流。喷嘴流速高，其压力损失占总压降的5% ~ 30%。
(4)水平管流:流体进入输油管道后，沿地面管道流动，属于多相水平管流。水平管流的压力损失一般占总压降的5% ~ 10%。
图5-2自喷井的四种流动过程
1-地层渗流；2-井筒中的多相管流；3口流量；4—水平管流
这四个流动过程相互联系、相互制约，处于同一个动态系统中。从储层流向井底的残余压力称为井底压力(井底流压)。对于某个油藏，在某个生产阶段，油藏压力稳定在某个值，然后井底压力变大，油井产量就会下降；当井底压力降低时，油井产量就会增加。可以看出，在油层渗流阶段，井底压力是阻力，而在垂直管流阶段，井底压力是将油气举升出地面的动力。油气被推到井口后剩余的压力称为井口油管压力。井口油管压力是油气在井内垂直管流的阻力，也是井口流动的驱动力。
3.垂直管流中的能量来源与消耗
由于压力损失主要消耗在垂直管流中，下面重点介绍垂直管流。
1)单相垂直管流
当油井井口压力大于原油饱和压力时，该井为单相原油。只有当流出井口后的压力低于饱和压力时，天然气才与原油分离。这种油井属于单相垂直管流。
单相垂直管流的能量来源是井底流压。能量主要消耗在液体从井底流向井口时，克服相当于井深的液柱压力和垂直管壁间的摩擦阻力。因此，在单相垂直管流中，能量供应和消耗之间的关系可由以下压力平衡公式表示:
pf=pH+pfr+pwh
式中，pf——井底流压；
ph-液柱压力；
PFR——摩擦阻力；
pwh-井口压力。
2)多相垂直管流
当井底流压低于饱和压力时，油气一起进入井底，整个油管为油气两相。当井底流压高于饱和压力，而井口压力低于饱和压力时，溶解在油中的天然气在井筒中一定高度，即在饱和压力点开始分离。油井中有两个相带，下面是单相带，上面是两相带。在两相区，气体与油分离并膨胀，不断释放气体的弹性膨胀能，参与举升。因此，多相垂直管流的能量来源是液体和气体进入井底的压力能(即流动压力)；二是随油流进入井底的游离气和举升过程中从油中分离出来的天然气的气体膨胀能。气体的膨胀能有两种利用方式:一种是气体作用于液体，将液体垂直向上推；另一种是通过气体和液体之间的摩擦力把液体带上去。
(2)自喷井采油设备
自喷采油设备包括井口设备和地面工艺设备。
1.井口设备
自喷井的井口装置自下而上由套管头、油管头和采油树组成，如图5-3所示。自喷井的井口装置是其他种类采油井的基本设备，其他采油方式的井口装置都是以此为基础的。
图5-3自喷井井口结构图
1—清蜡闸门；2-生产门；3—油管头十字接头；4-主门；5—套管十字接头；6—套管闸门；7—背压闸门；8—润滑器；9—喷嘴套筒；10-油压表；11-背压表；12-套管压力表；13-单向阀；14-套管头；15-取样阀；16-油管头
1)套管头
套管头位于井口装置的下端，是连接套管和各种井口装置的部件。它由本体、套管悬挂器和密封组件组成。其作用是支撑技术套管和油层套管的重力，密封各层套管之间的环空，为安装防喷器、油管头、采油树等上部井口装置提供过渡连接，并通过套管头本体上的两个侧端口进行挤水泥、监测井液、平衡流体等作业。
2)油管头
油管头安装在采油树和套管头之间，上法兰面是计算补油距离和井深数据的基准面。其功能是支撑油井中油管的重力；与油管悬挂器配合密封油管和套管的环形空间；为连接套管头和连接采油树提供过渡；并通过油管头四通体上的两个侧口(套管阀)完成平衡注液、洗井等作业。
3)圣诞树
采油树是指油管头以上的部分，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的生产，将油井喷出的油气导入输油管道，实现井下工具和仪器的起下钻。
采油树的主要部件和附件具有以下功能:
(1)总闸门:安装在油管头上，控制油气流入采油树的通道。因此正常生产时全开，只有在需要长时间关井或其他情况下才关闭。
(2)油管四通(或三通):其上部和下部分别与清蜡闸门和主闸门相连，其两侧(或一侧)与生产闸门相连。它既是连接部件，又是油气流出和井下仪器的通道。
(3)生产闸门:安装在四通或三通油管的两侧，作用是控制油气向油管的流动。正常生产时，生产闸门始终打开，只有在更换检查喷嘴或油井关闭时才关闭。
(4)清蜡闸门:安装在采油树顶部的闸门。在正常生产过程中保持打开，以观察油管压力。可与防喷器连接，用于清蜡或试井，清蜡或试井时打开，清蜡或试井后关闭。
(5)套管四通:其上表面与主阀相通，下部与套管头相连，左右两侧与套管闸门相连。它是油管和套管收集和分流的主要部件。通过它，空油套管和油套管之间的分流被密封。外压为套管压力，内压为油管压力。
(6)回压闸门:安装在油嘴后的输油管道上，在检查和更换油嘴、维修生产闸门和修井作业时关闭，以防止输油管道中的流体倒流。有些油井在这个位置安装了单向阀，代替回压闸门。
(7)防喷管:防喷管由φ63mm(2.5in)油管制成，外套φ89mm(3.5in)油管，在环形空间内循环蒸汽或热水(油)进行保温(不进行保温循环则不需要夹套)，在自喷井内有两个作用:一是提升清蜡工具，融化清蜡前后刮蜡器带来的蜡；第二，提升和下放各种测试和试井工具。
(8)单向阀:防止从井口流出的原油回流到井筒。
2.地面工艺主要设备
一般来说，在自喷井的井口地面流中安装一套能控制和调节油气产量的采油树；还有一套对油井产品和井口设备进行加热和保温的装置，以及测量油气产量的装置，主要包括加热炉、油气分离器、高压离心泵和地面管道。该系列工艺设备对其他采油方法也具有通用性。
二、机械采油
在油田开发过程中，由于储层本身压力很低，或者开发一段时间后储层压力下降，油井不能或不能保持自喷。有时候虽然可以，但是产量很低，所以要用人工能源来采油，也就是用一定的机械设备(地面和地下)把油气从井里开采到地面。机械采油可分为有杆泵采油和无杆泵采油两大类。
(一)有杆泵采油
有杆泵采油装置包括游梁式抽油机-深井泵装置和地面驱动螺杆泵采油装置。
1.游梁式抽油机-深井泵装置
1)游梁式抽油机
游梁式抽油机的结构见图5-4。它是有杆泵采油的主要地面机械传动装置。它可与抽油杆和深井泵配合使用，将原油抽到地面。使用抽油机的油井通常被称为“抽油机井”。抽油机的工作特点是连续作业，长年在野外，无人值守。因此，对抽油机的要求应该是强度高、寿命长、有一定的过载能力、安装维护简单、适应性强。
图5-4游梁式抽油机结构图
1飞悬挂装置；2-发辫；3-汕头；4-步进梁；5—支撑轴；6束轴；7梁；8-连杆；9—平衡块；10-曲柄；11-大滑轮；12-皮带；13-电机；14—输入轴；15—输出轴；16—曲柄销；17-括号；18基；19-光杆
(1)主要组件功能。
①驴头:安装在游梁前端，其作用是保证抽油时抽油杆始终对准井口中心。驴头的弧线是以支架轴承为中心，以走梁的前臂长度为半径画出一条弧线。
②游梁:游梁固定在支架上，前端装有驴头，承受井下载荷，后端与连杆、曲柄、减速箱连接，传递电机的动力。
(3)曲柄连杆机构:其作用是将电机的旋转运动转变为驴头的上下往复运动。曲柄上有4 ~ 8个孔用来调节行程。
(4)减速器:其作用是将电机的高速旋转转化为曲轴的低速旋转，同时支撑平衡块。
⑤平衡块:平衡块安装在抽油机的横梁尾部或曲轴上。它的作用是:当抽油机上冲程时，平衡块向下运动，帮助克服驴头上的载荷；在下行冲程中，电机使平衡块向上运动以储存能量。在配重的作用下，可以减小抽油机上下冲程的载荷差。
⑥挂绳器:是连接光杆和驴头的柔性连接器，也可用于测力计示功图。
(2)工作原理。
电机通过皮带和变速箱将其高速旋转运动传递给曲轴，带动曲轴做低速旋转运动；曲柄通过连杆和横梁带动步进梁上下摆动。游梁前端装有驴头，悬挂在驴头上的挂绳器带动抽油杆上下垂直往复运动，抽油杆带动活塞运动，从而将原油泵出井筒。
2)深井泵
深井泵是油井的核心抽油设备。它通过抽油杆和油管下入井中，沉到液面以下一定深度，通过吸力将原油送到地面。
深井泵主要由工作筒(包括外筒和衬套)、活塞、游动阀(排出阀)和固定阀(吸入阀)组成，其工作原理如图5-5所示。
图5-5泵的工作原理图
1-排放阀；2-活塞；3—衬套；4-吸入阀
上行程:驴头上升，抽油杆柱随活塞上升，活塞上的游动阀被内部液柱的压力关闭。如果管道充满液体，相当于活塞冲程长度的一段液体将在井口排出。同时，活塞下方泵筒中的压力降低。当泵内压力低于下沉压力(圆形空间液柱压力)时，固定阀在下沉压力的作用下打开，原油进入泵内，占据活塞释放的体积，如图5-5(a)所示。
下冲程:当驴头下行时，抽油杆柱随活塞下移，吸入泵内的液体被压缩，泵内压力升高。当该压力等于环形空间中的液柱压力时，固定阀因其自身重量而关闭。当活塞继续下降时，泵中的压力继续上升。当泵内压力超过活塞上方液柱压力时，浮阀被推开，活塞下部的液体通过浮阀进入上部油管，即液体从泵中排出，如图5-5(b)所示。
3)抽油杆和井口装置
(1)抽油杆。
抽油杆是抽油机的重要组成部分，与抽油机相连，又与深井泵相连，在中间起传递动力的作用。抽油杆在工作过程中承受多种载荷，上下运动时受力极不均匀，上升时受力大，下降时受力小。这种反复动作的结果，很容易使金属疲劳，折断抽油杆。因此，要求抽油杆具有高强度、耐磨性和抗疲劳性。
抽油杆一般是实心圆钢制成的杆。两端有粗锻头，下面有连接螺纹和扳手的方段。抽油杆柱的顶部抽油杆称为光杆。光杆与井口密封盘根盒配合使用，密封井口。
(2)井口装置。
抽油机井的井口装置类似于自喷井，承受的压力较低。主要由套管三通(或套管三通)、油管三通(或油管三通)、橡胶闸板和光杆密封段(或密封盘根盒)组成。其他附件的数量和连接方式视各油田的具体情况而定。但无论采取何种形式，抽油机井井口装置都必须具有测量示功图、动态液面、取样和观察压力的功能，并应便于操作和管理。图5-6所示为抽油机井掺水井口装置。
图5-6抽油机掺水井口装置
1-橡胶闸门；2-管道排气阀；3-主门；4—套管测试闸门；5—套管闸门；6—背压闸门；7—直通阀(小循环)；8—热清洗阀；9—混水阀(大循环)；10-单向阀；11-混水控制阀；12-闸阀的生产；13-油压表；14-光杆密封段；15-套管压力表；16-外壳出口阀
2.地面驱动螺杆泵抽油装置
20世纪70年代末，螺杆泵开始用于原油开采。螺杆泵是一种容积式泵，按驱动形式可分为地面驱动螺杆泵和井下驱动螺杆泵。
地面驱动螺杆泵设备如图5-7所示。它由地面驱动系统、抽油杆柱、抽油杆柱扶正器和螺杆泵组成。其工作原理是螺杆泵通过空腔(即转子和定子之间形成的封闭空腔)排油。当转子旋转时，封闭的空腔沿轴向从吸入端向排出端移动。当封闭空腔在排出端消失时，空腔内的原油将被均匀地从吸入端挤压到排出端，同时在吸入端形成一个新的低压空腔，将原油吸走。就这样，封闭的空腔不断形成、移动、消失，原油不断被填充、挤压、排出，使井内原油不断被吸入，通过油管举升到井口。
图5-7螺杆泵采油示意图
1-电气柜；2-电机；3带；4-变速箱；5方形夹子；6—专用井口；7—套管压力计；8—抽油杆；9—管道；10-抽油杆扶正器；11和16-油管扶正器；12-定子；13—转子；14-定位销；15-油管防脱装置；17-筛管；18—套管；19插头
螺杆泵采油装置结构简单，占地面积小，有利于海上平台和丛式井的采油。只有一个运动部件(转子)，适用于稠油井和出砂井；排量均匀，无脉动排油特性；阀内没有阀件和复杂的流道，水力损失小；泵的实际扬程受液体粘度的影响很大，粘度增大，泵的扬程大大降低。
(2)无杆泵采油
无杆泵采油包括气举采油、电动潜油离心泵采油、井下驱动螺杆泵采油、液压活塞泵采油和喷射泵采油。
1.气举采油
当油气能量不足以维持油井流动时，为了使油井继续产油，将气体(天然气或空气)人为地压入井底，利用气体的膨胀能量将原油举升到地面。这种采油方法称为气举采油。气举模式有两种:环形进气模式和中央进气模式。
气举采油法的井口和井下设备相对简单，管理和调整像自喷井一样方便。
1)
以环形空间的进气方式为例。当油井停止生产时，油管和套管中的液位处于同一位置。启动压缩机，将压缩气体(空气或天然气)注入油套的环空，环空内的液面将被向下挤压(如果液体被挤压到油层内，环空内的液体将全部进入油管)，油管内的液面上升。当环空液面下降到管鞋时，压缩机将达到最大压力，称为气举启动压力。当压缩气体进入油管时，油管内的原油与气体混合，液面不断上升，直至喷出地面。
在注入之前，井底压力总是大于储层压力。喷射后气体不断压入环形空间，油管内混气液体不断喷射，混气液体密度越来越小，管鞋压力急剧下降。当井底压力低于油藏压力时，原油将从油藏流入井底。由于油藏产油，油管内混合气体和液体的比重略有增加，因此压缩机压力再次上升，经过一段时间后趋于稳定。稳定的压缩机压力称为气举工作压力。此时油层持续稳定产油，井口持续产油。
2)气举模式
气举有两种方式:
(1)环形空间进气方式。这种气举方法也称为反向举升。这意味着从石油套管的环形空间注入压缩气体，并从油管中抽取原油。
(2)中央进气模式。与环空进气方式正好相反，即气体从油管注入，原油从油套管环空返回。这种气举方法也称为正举升。
当油中含有蜡和砂时，如果采用中央进气，实际工作中往往采用环形进气，因为环形空间内的油流速低，砂容易沉降，管道外壁的蜡也很难清除。
3)气举采油的特点
气举采油的优点:井下设备一次性投资低，维护工作量小；井下无摩擦部件，适用于含砂、含蜡、含水的井；不受矿液中腐蚀性物质和高温的影响；易于在斜井、转弯井和海上平台使用；易于集中管理和控制。缺点:气举采油必须有充足的气源；如果连续气举在高压下工作，安全性差；气举不适用于高产井、结蜡井和套管损坏的稠油井；小油田、单井气举采油效果差。
图5-8潜油电泵井装置示意图
2.采油用电动潜油离心泵
电动潜油离心泵(简称esp或电泵)属于无杆抽油设备。它是用油管把离心泵和潜油电机下入井中，潜油电机带动离心泵把油举到地面。该电泵排量和扬程调节范围大，适应性强，地面工艺流程简单，管理方便，易于自动化，经济效益高。
电泵设备由地面、中部和井下三部分组成，如图5-8所示。
地面部分由变压器、接线盒、控制柜(配电盘)、电缆和井口装置组成，主要起控制、保护和记录作用。
中间部分主要是电缆，包括电力电缆和引线电缆。电力电缆将地电流传输到地下引线电缆；引线电缆的作用是连接电源电缆和电机。
井下部分一般自上而下依次为放油阀、单向阀和井下单元。井下装置包括多级离心泵、油气分离器、保护器和潜水电机。有些电泵井还在潜油电机下部装有监控装置，可以测量井底压力、温度、电机绝缘和液面升降，并将信号传输到地面控制台。
潜油电机安装在地下单元的最下部，是电泵的动力。地面的高压电通过电缆传输到潜水电机。潜油电机将电能转化为机械能输出，通过轴驱动电泵工作。保护器安装在潜水电机的上部，以平衡电机内的压力，润滑和密封电机。油气分离器通常安装在保护器的上端和多级离心泵的下端，用于分离原油中的游离气，提高泵效。多级离心泵由固定部分和旋转部分组成。旋转部分有泵轴，轴上安装大量叶轮。当电机带动泵轴上的叶轮高速旋转时，叶轮内充满的液体在离心力的作用下被甩到叶轮周围，使井液加速，使井液具有动能，由导流壳引入二级叶轮，这样逐级叠加后可获得一定的升力，井液被举升到地面。
电泵机组的工作过程可以简单描述为:地面电源通过电潜泵专用电缆输入到井下的潜油电机，潜油电机带动多级离心泵旋转，通过离心泵多级叶轮的离心作用，将底部原油举升抽至地面。
实践表明，电泵对强水淹井、高产井、不同深度井、定向井、砂井和含蜡井均有良好的效果。其排量范围为16 ~ 14365438+100 m3/d；最大抽水深度可达4600米，井下最高工作温度可达230℃。
3.井下驱动螺杆泵采油
与地面驱动螺杆泵不同，井下驱动螺杆泵是在井底提供动力，没有抽油杆。其工作原理是:通过油管将泵、电机和保护器下入井内液面以下，电机通过偏心联轴器带动螺杆旋转，螺杆安装在套管内，螺杆和套管形成的腔室是隔离的。当螺杆旋转时，这些腔室逐渐由下向上移动，使液体压力不断提高，从而将井液送到地面。
就目前情况来看，地面驱动螺杆泵技术成熟；井下驱动螺杆泵具有许多优点，但仍处于试验阶段。
4.液压活塞泵采油
液压活塞泵是一种带液压传动的无杆泵抽装置，是液压传动在抽油设备中的应用。与有杆泵相比，其根本特征是改变了能量传递方式。液压活塞泵由地面、中间和井下三部分组成，如图5-9所示。
图5-9开式液压活塞泵采油系统
1-高压控制管汇；2-地面动力泵；3引擎；4—动力液处理罐；5—井口装置；6—井下泵工作筒；7-潜水泵
地面部分包括动力液处理罐、发动机、地面动力泵、高压控制管汇、阀组和井口装置，负责提供动力。
中间部分是动力液从地面到井下机组的中心油管，是将废动力液和产出液排到地面的专用通道。
井下部分由工作筒和液下泵组成，主要起抽油作用。
液压活塞泵的工作原理是:电机带动地面动力泵，储液罐中的液体经动力泵增压后进入中央油管。高压动力液进入井下液压活塞泵后，带动泵工作，擦洗液和做功后的动力液通过外油管返回地面。
水力活塞泵排量范围大(16 ~ 1600 m3/d)，对油层深度、含蜡量、稠油、斜井、水平井适应性强。它可用于各种条件下的油井开采，并能在温度较高的井中工作。但机组结构复杂，加工精度高，动力液测量困难。
图5-10喷射泵工作原理图
5.喷射泵采油装置
喷射泵分为地面部分、中间部分和地下部分。地面部分和中间部分与液压活塞泵相同，不同的是液压喷射泵只能作为开式动力液体循环系统安装。井下部分为喷射泵，由喷嘴、喉管和扩散器组成，如图5-10所示。
喷射泵的工作原理:动力液从油管注入，经喷射泵上部流向喷嘴喷出，进入与地层液体相通的混合室。在喷嘴处，几乎所有动力液体的总压头都变成了速度压头。进入混合室的原油被动力液擦洗，与动力液混合后流入喉道，在喉道中动量和动能得到转换，然后通过截面逐渐扩大的扩散管将速度头转换为压力头，从而将混合液提升到地面。
喷射泵的特点:井下设备无动力部件；喷射泵可以位于与液压活塞泵相同的工作缸中；不受提升高度的限制；适用于高产液井；初期投资高；腐蚀和磨损会损坏喷嘴；地面设备的维护成本相当高。