采油工程实验讲义版.doc

采 油 工 程 实 验
讲 义

编写人：战永平、王卫阳

石油工程学院实验教学中心
采油工程实验室
2023

目录
实验一 垂直管流实验 1
实验二 抽油泵泵效实验 5
实验三 裂缝导流能力模拟实验 9
实验四 酸化压裂实训教学平台 14
附录 20

实验一 垂直管流实验
一、实验目的
（1)观测垂直井筒中出现的各种流型，掌握流型判别方法；
（2)验证垂直井筒多相管流压力分布计算模型；
（3)了解自喷及气举采油的举升原理。
二、实验原理
在许多情况下，当油井的井口压力高于原油饱和压力时，井筒内流动着的是单相液体。当自喷井的井底压力低于饱和压力时，则整个油管内部都是气-液两相流动。油井生产系统的总压降大部分是用来克服混合物在油管中流动时的重力和摩擦损失，只有当气液两相的流速很高时（如环雾流型)，才考虑动能损失。在垂直井筒中，井底压力大部分消耗在克服液柱重力上。在水平井水平段，重力损失也可以忽略。所以，总压降的通式为：

式中： — 重力压降； — 摩擦压降； — 加速压降。
在流动过程中，混合物密度和摩擦力沿程随气-液体积比、流速及混合物流型而变化。油井中也许出现的流型自下而上依次为：纯油流、泡流、段塞流、环流和雾流。除某些高产量凝析气井和含水气井外，一般油井都不会出现环流和雾流。

本实验以空气和水作为实验介质，用阀门控制井筒中的气水比例并通过仪表测取相应的流量和压力数据，同时可以从透明的有机玻璃管中观测相应的流型。

三、实验仪器
（1)仪器与设备：自喷井模拟器（使用方法参见附录)，空气压缩机，离心泵，秒表等；
（2)实验介质：空气，水。
（3)设备的流程（如图1所示)

图1-1 垂直管流实验设备流程图
四、实验环节
（1)检查自喷井模拟器的阀门开关状态，保证所有阀门都关闭，检查稳压罐的液位，如局限性（稳压罐高度3/4)请打开稳压罐进液阀门加液使稳压罐的液位保持在稳压罐高度3/4液位；
（2)打开气路阀门，保证气路畅通后打开空气压缩机，向管路供气；
（3)调整稳压罐定值器，保证稳压罐压力表压力不超过0.10MPa，打开稳压罐压力阀门，等待压力稳定后打开液路阀，向系统供液；
（4)此时系统已经开始同时供应液体和气体，待液面上升至井口时，可以改变气液阀门的相对大小，观测井筒中出现的各种流型，调节到所需流型，待流型稳定后开始测量；
（5)按下流量积算仪清零按钮，同时启动秒表计时，观测井底流压和气体浮子流量计的示数。当计时到10秒时，记录井底流压、气体流量、液体累计流量和所用时间；
（6)改变不同的气液流量，反复环节4到5记录数据，一般取5组段塞流和5组泡流数据点。
（7)实验结束，一方面关闭液路，再关闭空气压缩机和总电源，等待气体放空后再关闭面板所有阀门，最后清理实验装置，结束实验。
五、注意事项
（1)不要踩踏地面的各种管道；
（2)操作自喷井模拟器时要注意稳压罐中的液位，不要打空或溢出；
（3)观测的浮子流量计和压力表达数应读取测量时间内的平均值；
（4)浮子流量计的单位和流量积算仪的单位。
（5)注意流量积算仪清零的操作方法。
六、实验报告内容
（1)写出实验目的，简述实验原理；
（2)简述垂直井筒中各种流型的特性；
（3)用奥齐思泽斯基方法判断各实验数据点所属的流型并与实验观测到的现象相对比，至少列出一个实验数据点的判别过程。

《采油工程实验》原始数据登记表
垂直管流实验
实验时间 姓名 班级
序号

流 型
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

计算所需参数：

教师签字：_____________________

实验二 抽油泵泵效实验
一、实验目的
（1)观测抽油机、抽油泵的结构和工作过程（机杆泵四连杆机构)；
（2)掌握泵效测量和计算的方法；
（3)观测泵效和产气量之间的关系；
（4)观测气锚的分气效果；
（5)了解示功图的测试及工况分析。
二、实验原理
抽油泵的效率是分析抽油机井工作状况的重要参数，根据气液混合物流过抽油泵的能量方程式和机械能守恒原理可以分析抽油泵的效率。
泵的实际排量要小于理论排量，两者的比值称作泵容积效率，油田统称泵效，也有称作泵的排量系数，即：

式中： — 泵的实际排液量；— 泵的理论排量；— 泵效。

式中：D — 泵径；S — 冲程； n — 冲次。
影响泵的容积效率的因素是多方面的，如油杆、油管的弹性变形，液体漏失以及泵筒内液体的充满限度和液体在地层与地面体积的差异等。
当有气体进入泵中时，泵效由于气体的影响而减少，增长气锚装置可将部分气体分离到环形空间中，使泵效提高，通过测定油气锚和无气锚时的排量可计算出气锚的分气效果（泵效的相对减少量)：

实验用供液瓶代替地层供液，用小型抽油机带动活塞产液，由空压机供气。在油管出口用量筒和秒表计量实际排量。
三、实验设备及材料
（1)实验设备：小型抽油机，深井泵模型，空压机，阀组，空气定值器，浮子流量计，供液瓶，秒表等。
（2)实验介质：空气，水。
四、实验环节
（1)记录实验深井泵的泵径；
（2)移动支架使泵筒中心线是否与驴头对准，检查相应泵筒的进气管和进液管是否畅通；
（3)用手转动皮带轮带动驴头上下运动，记录柱塞冲程；
（4)接通抽油机电源，测量冲次；
（5)用量筒和秒表在油管出口记录实际排液量，反复三次；
（6)打开空压机电源，调节空气定值器旋钮，将进入泵筒中的气量定为0.2L/min，待产液稳定后，记录三次井筒的排量；
（7)打开空压机电源，调节空气定值器旋钮，将进入泵筒中的气量定为0.8L/min，待产液稳定后，记录三次井筒的排量；
（8)打开空压机电源，调节空气定值器旋钮，将进入泵筒中的气量定为1.6L/min，待产液稳定后，记录三次井筒的排量；
（9)关闭抽油机和空压机电源，轻抬支架更换泵筒，更换相应的进液管和进气管；
（10)反复5-9步；
（11)清扫地面，实验结束。
五、注意事项
（1)不要触摸运转中抽油机的平衡块和刹车；
（2)要保证泵筒中心线与驴头对齐；
（3)开动抽油机前，一定要检查相应的供液管和供气管是否畅通；
（4)不要无休止地拧空气定值器的调节钮；
（5)实验过程中要注意观测柱塞和凡尔的工作情况；
（6)出现意外情况时先关闭电源。
六、实验报告
（1)简述实验目的与实验原理；
（2)解决数据登记表的数据，涉及求理论排量、泵效和分气效果；
（3)简述抽油泵的工作原理，画出抽油泵的工作过程简图；

（4)简述气锚的分气原理；
（5)分析实验结果（泵效与气量的关系、误差以及出现误差的因素)。
《采油工程实验》原始数据登记表
抽油泵泵效实验
实验时间 姓名 班级
基础参数
泵径(mm)
冲程(cm)
冲次(次/min)
理论排量

无气
锚泵
序号
1
2
3
平均
未通气

小气量

中气量

大气量

有气
锚泵
未通气

小气量

中气量

大气量

教师签字：____
实验三 裂缝导流能力模拟实验

一、实验目的
（1)了解支撑裂缝导流能力随闭合压力变化的规律，以及相同闭合压力条件下不同铺砂层数导流能力的差异；
（2)分别应用达西公式和二项式公式进行计算，分析结果的异同点，并说明因素；
（3)熟悉裂缝导流仪的操作及实验流程。
二、实验原理
裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来拟定裂缝的导流能力。
三、实验仪器和材料
（1)仪器名称：裂缝导流仪，涉及以下组成部分：
压力实验机；空气压缩机；定值器精密压力表；浮子流量计；岩心（钢板)模；游标卡尺、电子天平、放大镜。
（2)材料：不同产地的石英砂和陶粒。
四、实验环节
（1)准备实验工作
①在附表1中记录使用的支撑剂名称、产地、粒径及室内温度下的气体粘度。
②用游标卡尺量出岩心模的外径和孔眼的内径，记录在附表1中，用作计算岩心模面积。
③称一定重量的支撑剂（记下支撑剂的颗粒直径)均匀地铺在岩心模面上，要保持单层，铺完后用放大镜检查一下支撑剂是否铺的均匀和紧密。然后称剩余支撑剂的重量，两者之差即为铺在岩心上的支撑剂重量，并按下式计算出支撑剂的浓度：
支撑剂浓度 = （g/cm2)，将此浓度值记入表1中。
④将上岩心片（孔眼向下)放于下岩心片的上方，然后将上下岩心片放在实验机下承压板中心位置。
⑤认真记录实验机载荷刻度盘上读出加载值。

gas intake

(lower) (upper)
Fig1 core model
（2)岩心加压
①岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，准备加载。
②旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀启动限度控制加压速度，当积极指针（黑针)转到1.5吨（或1KN)时,将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。
③送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。同时读出流量数Q和相应的压力P（精密压力表达数),记录在附表3中。
④需要载荷分别依次加到
3吨 5吨 （7吨) 10吨 （12吨)
15吨 （18吨) 20吨 25吨 30吨
或
30KN 50KN （70KN) 100KN （120KN)
150KN （180KN) 200KN 250KN 300KN
读出相应的P，Q值，用达西公式计算。
注意：在测点7、12、18吨（或70、120、180KN)处，保持载荷不变，改变P（调定值器阀)，读出Q, 每测点共记5组数据于表2中，用于二项式公式计算。
⑤实验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取出，观测支撑剂破碎情况。
⑥双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量二倍浓度分量的支撑剂铺于岩心表面，依次按环节（2)进行操作，测出不同载荷下的P及Q值记入表3、表2中。
五、实验结果计算

（1)闭合压力计算
= （kg/ cm2) (a)
（2)计算裂缝导流能力
（μm2·cm) (b)
式中： ______ 气体流量，cm3/s;
______ 气体的粘度，mPa·s；
______ 流量计进口处压力，atm；
______ 岩心出口处压力，atm；
_____________ 气体平均压力，；
_______________ 岩心的外部半径，cm；
______________ 岩心孔眼半径，cm；
_______ 裂缝的导流能力，μm2·cm。
六、实验结果分析
（1)计算出各个值；
（2)给出铺有单层及双层支撑剂下导流能力与闭合压力的关系曲线；
（3)对实验结果进行分析。

七、实验报告规定
（1)实验目的及实验原理；
（2)给出实验数据；
（3)给出计算公式，代入数据，写简朴计算过程；
（4)给出与的关系曲线，规定用小方格纸作；
（5)给出实验流程示意图（用方框图表达)；
（6)分析公式（b)的使用条件；
（7)以某一闭合压力下的PQ数据为例，用二项式公式：

认为纵轴， Q为横轴，做于直角坐标纸上求出截距A

由A求出，并与用导流公式（达西公式)求出的值，并对比分析说明。
（8)实验报告笔迹要清楚、工整。不合规定者，不予通过，须重做。

《采油工程实验》原始数据登记表
裂缝导流能力模拟实验
姓名： 学号： 班级：

表1 基本参数
岩心外半径
Ro(cm)
岩心孔眼半径
Re(cm)
岩心面积
(cm2)
支撑剂浓度(g/cm2)
空气粘度
(mPa·s)
支撑剂
单层
双层
目数
产地

表2 变载荷下的流量与压力关系数据
载荷
(KN)
单层
双层
入口压力
(MPa)
出口压力
(MPa)
浮子流量
(m3/h)
入口压力
(MPa)
出口压力
(MPa)
浮子流量
(m3/h)

表3 定载荷下的流量与压力关系数据
载荷
(KN)
单层
双层
入口压力
(MPa)
出口压力
(MPa)
浮子流量
(m3/h)
入口压力
(MPa)
出口压力
(MPa)
浮子流量
(m3/h)

注：(1) 原始数据必须认真填写，不可点点或划线，否则该数据纸为0分；
(2) 此数据表妥善保管，请勿丢失，丢失不补，若丢失按0分解决；
(3) 此数据表在解决完数据之后，请尽快交给班长并班长按照学号排好，在做完此实验一周之内交齐，过期不侯。

教师签字：
实验四 酸化压裂实训教学平台
一、实验目的
(1) 掌握压裂原理及其压裂所用的施工设备；
(2) 掌握压裂施工的工艺流程；
(3) 掌握压裂车、混砂车的操作规程；
(4) 了解压裂施工过程所用工具的作用及其工作原理。
二、实验原理
压裂液的类型涉及：水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液，等。支撑剂按其力学性质分为两大类：脆性支撑剂，如石英砂、玻璃球等，特点是硬度大，变形小，在高闭合压力下易破碎；韧性支撑剂，如核桃壳、铝球等，特点是变形大，承压面积随之加大，在高闭合压力下不易破碎。目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是天然砂和陶粒；二是人造支撑剂。
水力压裂是运用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸取能力的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝。继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达成增产增注目的工艺措施。
三、实验内容
1. 进入仿真系统
双击桌面的图标，就进入模拟仿真系统界面，如下所示：

2、分层压裂工艺

显示地层压裂工艺演示流程，涉及投球压裂、限流压裂、分层压裂的地层工艺的演示。
3、工具演示

显示常关滑套、爆破滑套、喷砂器等工具结构、原理和工作过程。
4、故障演示和解决

演示涉及：压不开、压窜、砂堵、管柱脱落等故障解决过程。
5、压裂仪表控制台实训操作

压裂车启动：挂空档-减少油门-关闭熄火、复位按钮-现场按住启动按钮-自检灯亮起-听到启动声音-自检灯熄灭-上档-调节油门-模拟流量、压力等参数-启动。
压裂车停止：减少油门-挂空档-打开熄火或复位按钮-停车。
自检灯检测：点击各自检灯-压裂车将亮起相应的灯指示。
6、混砂仪表控制台实训操作

混砂车启动：减少油门-现场启动按钮-混砂车仪表赋初值-合上离合-调节油门-调节左右输砂控制-调节吸入控制-调节添加剂控制-启动。
压裂车停止：减少油门-拉下离合-点击熄火按钮-各调节控制复位-停车。
报警模拟：调节水温、油温-模拟报警；点击各按钮-模拟各指示灯开关状态。

7、压裂基本工序实训操作

(1) 试循环
打通现场阀门流程：打开阀门1或2-打开阀门4和10、或打开阀门5和9、或打开阀门6或8-打开阀门11-打开阀门17-打开阀门18和21、或打开阀门19和22、或打开阀门20和23-打开阀门24和25-1号启动压裂车-手动在计算机上打开回水阀门E。
启动压裂车：挂空档-减少油门-按住启动压裂车-自检灯亮-听到启动声音-上档-加油门-车已启动。
(2) 试压
打通现场流程：打开阀门1或2-打开阀门4和10、或打开阀门5和9、或打开阀门6或8-打开阀门11-打开阀门17-打开阀门18和21、或打开阀门19和22、或打开阀门20和23-打开阀门24和25-1号启动压裂车-关闭回水阀门F-打开阀门38。
(3) 试挤
打通现场流程：打开阀门1或2-打开阀门4和10、或打开阀门5和9、或打开阀门6或8-打开阀门11-打开阀门17-打开阀门18和21、或打开阀门19和22、或打开阀门20和23-（打开阀门24和25)或（打开阀门26和27)-1号启动压裂车或2号启动压裂车-打开阀门38-打开阀门46和43。
(4) 压裂
通现场流程：打开阀门1或2-打开阀门4和10、或打开阀门5和9、或打开阀门6或8-打开阀门13-打开阀门14-打开阀门16-打开阀门17-关闭阀门11-打开阀门18和21、或打开阀门19和22、或打开阀门20和23-（打开阀门24和25)和（打开阀门26和27)和（打开阀门28和29)和（打开阀门30和31)和（打开阀门32和33)和（打开阀门34和35)-1号启动压裂车和2号启动压裂车和3号启动压裂车和4号启动压裂车和5号启动压裂车和6号启动压裂车-打开阀门38-打开阀门46和43。
(5) 支撑剂：
打通现场流程：打开阀门1或2-打开阀门3-打开阀门4和10、或打开阀门5和9、或打开阀门6或8-打开阀门13-打开阀门14-打开阀门16-打开吸入泵-打开排出泵-打开阀门17-关闭阀门11-打开阀门18和21、或打开阀门19和22、或打开阀门20和23-（打开阀门24和25)和（打开阀门26和27)和（打开阀门28和29)和（打开阀门30和31)和（打开阀门32和33)和（打开阀门34和35)-1号启动压裂车和2号启动压裂车和3号启动压裂车和4号启动压裂车和5号启动压裂车和6号启动压裂车-打开阀门38-打开阀门46和43-启动左右输砂电机。
启动混砂车：选择启动按钮-合上离合-调节添加剂排量-调节输砂排量-调节吸入排量-显示混砂比。
(6) 替挤
打通现场流程：打开阀门1或2-关闭阀门3-打开阀门4和10、或打开阀门5和9、或打开阀门6或8-关闭阀门13-关闭阀门14-关闭阀门16-关闭吸入泵-关闭排出泵-打开阀门17-打开阀门11-打开阀门18和21、或打开阀门19和22、或打开阀门20和23-（打开阀门24和25)或（打开阀门26和27)或（打开阀门28和29)或（打开阀门30和31)或（打开阀门32和33)或（打开阀门34和35)-1号启动压裂车或2号启动压裂车或3号启动压裂车或4号启动压裂车或5号启动压裂车或6号启动压裂车-打开阀门38-打开阀门46和43-停止左右输砂电机。
停止混砂车：选择熄火按钮-拉下离合。
(7) 返排
打通现场流程：关闭阀门1或2-关闭阀门3-关闭阀门4和10、或关闭阀门5和9、或关闭阀门6或8-关闭阀门13-关闭阀门14-关闭阀门16-关闭吸入泵-关闭排出泵-关闭阀门17-关闭阀门11-关闭阀门18和21、或关闭阀门19和22或关闭阀门20和23-（关闭阀门24和25)或（关闭阀门26和27)或（关闭阀门28和29)或（关闭阀门30和31)或（关闭阀门32和33)或（关闭阀门34和35)-1号停止压裂车或2号停止压裂车或3号停止压裂车或4号停止压裂车或5号停止压裂车或6号停止压裂车-关闭阀门38-关闭阀门46-打开阀门43-打开阀门41-打开阀门44-停止左右输砂电机。
四、实验仪器和材料
(1) 设备
压裂车模型、混砂车模型、RTU(远程控制终端)、SCADA(数据采集与监视控制系统)，等。
(2) 介质
电信号。
五、实验注意事项
(1) 设备长期不用需断电；
(2) 每次实训结束后，将各阀开关、电位器都复位；
(3) 酸化压裂车上的紧急停机、总复位、总熄火按钮是一自锁触点，在实训中使用后要及时复位；
(4) 仪表车上的开关、电位器、波段开关等电子器件，不要进行破坏性的操作；
(5) 信号通讯线缆通过地槽与通讯模块进行连接，不要故意踩踏，以免损坏通讯线缆；
(6) 严禁未经培训人员，擅自操作实训软件。
六、实验习题
1、压裂液的类型分为哪几类？
2、裂缝的导流能力的定义是什么？
3、支撑剂的类型分为哪几类？
4、简述压裂的原理？
5、简述压裂的地面施工设备涉及哪些？
七、参考文献
1、 王鸿勋.《水力压裂原理》，石油工业出版社，1987；
2、 王鸿勋张琪.《采油工艺原理》，石油工业出版社，1989；
3、 J.L.Gidley.《水力压裂技术新发展》，石油工业出版社，1995；
4、 M.J.Economides.《油藏增产措施》，石油工业出版社，1991；
5、 张士诚.《水力裂缝参数对采收率影响的研究》，石油大学出版社，1994。

附录
自喷井模拟实验装置的使用
一、设备功能
自喷井模拟实验装置是石油工程系采油实验室自行开发的实验装置,重要用于模拟自喷井的生产。可以用于研究油管或环空垂直多相管流及气举生产等规律。
二、设备结构
自喷井模拟实验设备操作面板示意图如下图所示

三、操作方法
1 泡段流：加液，打开电源，启动空气压缩机电源，流量积算仪清零，顺时针调整稳压罐定值器使面板压力表为0.1MPa，打开稳压稳压罐压力阀，使稳压罐上方气体压力为0.1MPa，打开泡段流定值器、小气体流量计，泡段流气路阀，立柱下阀，调节泡段流气路阀大小，观测立柱中流态，拟定某种流态后，记录气体、液体流量数据。
2. 环雾流：（加液，打开电源，启动空气压缩机电源，流量积算仪清零，顺时针调整稳压罐定值器使面板压力表为0.1MPa，打开稳压稳压罐压力阀，使稳压罐上方气体压力为0.1MPa)关闭泡段流定值器、小气体流量计，泡段流气路阀，打开立柱下阀，1～10m3或者10～100m3气体流量计阀和立柱下阀，环雾流气路阀，调节立柱下阀大小等待气体流量稳定后，观测立柱中流态，记录气体、液体流量数据。
四、注意事项
1. 要时刻注意稳压罐顶部的压力表，不要让压力大于0.10 MPa；
2. 要时刻注意稳压罐中的液面，防止罐中液面被打空或者液体溢出；
3. 碰到紧急情况，先关闭电源和气源，然后关闭水源，报告指导老师；