復(fù)合射孔氣液作用后氣體上移運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

趙旭,丁士東,周仕明

(1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院博士后工作站,北京100083;2.中國(guó)石油大學(xué),北京102249; 3.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101)

復(fù)合射孔氣液作用后氣體上移運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

趙旭1,2,3,丁士東3,周仕明3

(1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院博士后工作站,北京100083;2.中國(guó)石油大學(xué),北京102249; 3.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101)

利用復(fù)合射孔壓井液運(yùn)動(dòng)相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置,研究了復(fù)合射孔過(guò)程中氣液作用結(jié)束后氣柱在壓井液中的上移運(yùn)動(dòng)規(guī)律。觀測(cè)了復(fù)合射孔過(guò)程中氣液沖擊作用結(jié)束后氣體在模擬井筒的上移運(yùn)動(dòng)過(guò)程,考察了不同氣體壓力、不同氣體體積作用下的氣液作用結(jié)束后氣體在液柱中的上移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及變化規(guī)律。分析了實(shí)測(cè)的氣體上移運(yùn)動(dòng)速度變化曲線。作用的氣體壓力越大、作用的氣體的量越多,氣泡的上移速度就越快。此外井筒內(nèi)液柱的波動(dòng)對(duì)氣體的上移運(yùn)動(dòng)速度有增大作用。通過(guò)與Taylo r模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比,結(jié)合油田實(shí)際狀況,得出目前大部分油田現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合射孔施工后,井底的高能氣體均是以Taylor泡的形式在壓井液中向上運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)深入研究復(fù)合射孔氣液作用結(jié)束后氣體上移運(yùn)動(dòng)機(jī)理有一定的指導(dǎo)意義。

復(fù)合射孔;壓井液;氣液作用;爆生氣體;實(shí)驗(yàn)研究

0 引 言

復(fù)合射孔技術(shù)[1-6]在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在有些復(fù)合射孔的壓裂火藥設(shè)計(jì)中,為了延長(zhǎng)高能氣體壓裂藥劑在地層的作用時(shí)間,必然要加大裝藥量或是加入延遲劑,因此在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的CO氣體。近幾年,中國(guó)一些低滲透油田在應(yīng)用高能氣體壓裂的過(guò)程中出現(xiàn)了頻繁的CO氣體中毒事件,給油田及員工帶來(lái)極大的損失[7-8]。因此,對(duì)復(fù)合射孔過(guò)程中產(chǎn)生的高能氣體在井筒中的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)以及深入細(xì)致的研究非常必要。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在復(fù)合射孔壓井液運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置[9]上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

底部高壓氣體沖擊上部壓井液的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象共分3個(gè)階段[10],分別是氣體沖擊階段、壓井液波動(dòng)階段、氣柱上移階段。在大多數(shù)的情況下,氣液作用結(jié)束后底部作用的高壓氣體會(huì)形成一個(gè)大氣柱向上運(yùn)動(dòng)。即使在增加底部高壓氣體壓力和作用的高壓氣體的體積實(shí)驗(yàn)時(shí),由于作用層位形狀的不規(guī)則,有可能由底部瞬時(shí)沖出多個(gè)氣段,但這些氣段在上移的過(guò)程中,由于底部壓井液體的波動(dòng)作用,進(jìn)而又很快地合成一個(gè)大氣柱進(jìn)行上移。因此,為了研究氣柱的上移規(guī)律,在實(shí)驗(yàn)裝置模擬管道的觀察段上設(shè)置4個(gè)觀測(cè)計(jì)時(shí)點(diǎn),用以測(cè)量氣柱運(yùn)行2個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)間距離所需的時(shí)間及觀測(cè)氣柱在上移過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,每2個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)之間的距離為2 m,進(jìn)而計(jì)算出氣柱在2個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)的平均速度。實(shí)驗(yàn)中,底部作用高壓氣體壓力、底部作用高壓氣體的體積、模擬井筒內(nèi)的壓井液高度分別對(duì)應(yīng)著模擬復(fù)合射孔過(guò)程中的爆生氣體壓力、火藥量的大小和井筒內(nèi)的壓井液。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和此次實(shí)驗(yàn)的要求選取的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為壓井液高度為11 m、作用氣體體積為30 m L的條件下,改變作用的高壓氣體壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)氣液作用后所形成的大氣柱向上運(yùn)移速度的關(guān)系曲線圖。由圖2可見(jiàn),3條曲線都比較平穩(wěn),底部高壓氣體壓力為1、2、3 M Pa的實(shí)驗(yàn)中的氣柱上升速度均有一定的上升,但變化不大。結(jié)合觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能夠得到:1 M Pa高壓氣體的實(shí)驗(yàn),氣柱的上移速度均為0.2 m/s左右,而氣柱的長(zhǎng)度約為20 cm,液柱中清晰明了;2 M Pa高壓氣體的實(shí)驗(yàn),氣柱的上移速度均為0.21 m/s左右,而氣柱的長(zhǎng)度約為45 cm,液柱中清晰明了;3 M Pa高壓氣體的實(shí)驗(yàn),氣柱的上移速度均為0.218 m/s左右,而氣柱的長(zhǎng)度約為45 cm,氣柱上升時(shí)液柱中仍然是清晰明了?？梢缘贸鼋Y(jié)論,在壓井液柱中沒(méi)有明顯干擾的情況下,氣柱越長(zhǎng)其上升速度就越快,由于底部作用的氣體壓力越高,氣液作用結(jié)束后形成的氣柱就越長(zhǎng),故作用的氣體壓力為1 M Pa的實(shí)驗(yàn)氣柱上升最慢,作用的氣體壓力為3 M Pa的實(shí)驗(yàn)氣柱上升最快。為了進(jìn)一步研究不同的底部作用氣體體積的實(shí)驗(yàn)條件下氣柱的上移速度,將與圖2中對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)單獨(dú)改變作用氣體的體積進(jìn)行實(shí)驗(yàn),所測(cè)得的氣柱的上升速度見(jiàn)圖3至圖5。

圖2 氣泡運(yùn)移速度隨計(jì)時(shí)點(diǎn)位置變化關(guān)系圖A

圖3 氣泡運(yùn)移速度隨計(jì)時(shí)點(diǎn)位置變化關(guān)系圖B

圖4 氣泡運(yùn)移速度隨計(jì)時(shí)點(diǎn)位置變化關(guān)系圖C

結(jié)合圖2可以看出,隨著作用的氣體體積的增加,氣液作用后形成的氣柱的長(zhǎng)度也增加,無(wú)論是作用的高壓氣體壓力是1、2、3 M Pa的實(shí)驗(yàn),氣柱的運(yùn)動(dòng)速度都有了明顯的增加。氣柱在上移的過(guò)程中底部氣體壓力為1 M Pa實(shí)驗(yàn)的速度增加的不十分明顯,相對(duì)而言增加最少。而3 M Pa實(shí)驗(yàn)的氣柱在上移的過(guò)程中速度增加最快。由圖5可以得到3 M Pa實(shí)驗(yàn)的氣柱最快上移速度已達(dá)到了0.272 m/s。這也說(shuō)明了1 M Pa的實(shí)驗(yàn)形成的氣柱很小,氣柱在上移的過(guò)程中上覆壓力的減少對(duì)其影響不大;而3 M Pa的實(shí)驗(yàn)形成的氣柱較大,自身的所受浮力也較大,上覆壓力的減少,促使其運(yùn)移速度快速的提升。實(shí)驗(yàn)中也觀測(cè)到當(dāng)用底部氣體壓力為3 M Pa,壓井液高度為11 m,作用的氣體體積為70 m L的參數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí),氣液作用結(jié)束后形成的氣柱長(zhǎng)約2 m。而且當(dāng)作用的高壓氣體壓力較高,作用氣體體積較大或是壓井液的高度過(guò)低時(shí),在氣液作用結(jié)束后壓井液中有較大幅度的壓力波動(dòng)。這些波動(dòng)會(huì)對(duì)氣柱的上移產(chǎn)生一定影響,從實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果看,這些波動(dòng)會(huì)促使氣柱在上移過(guò)程中速度進(jìn)一步加快。從圖4和圖5中能看到,當(dāng)2 M Pa和3 M Pa的實(shí)驗(yàn)在計(jì)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)1和計(jì)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)2測(cè)得的氣柱運(yùn)移速度的變化有些混亂,這是由于計(jì)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)1和計(jì)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)2距離模擬管道的底部相對(duì)較近,當(dāng)用較高的氣體壓力或是壓力較高的氣體體積作用時(shí),由于底部作用的高壓氣體的能量較大,因此在實(shí)驗(yàn)中其氣液作用的影響范圍較大,作用的時(shí)間較長(zhǎng),進(jìn)而影響了氣柱在這2個(gè)計(jì)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的運(yùn)移速度,實(shí)驗(yàn)中也觀察到當(dāng)?shù)撞繗怏w壓力為2 M Pa和3 M Pa,作用的氣體的體積在60 m L和70 m L時(shí),模擬管內(nèi)氣液現(xiàn)象混雜,沒(méi)有明顯的氣液界面,上部壓井液柱出現(xiàn)明顯的氣液波動(dòng)現(xiàn)象。為了更準(zhǔn)確地分析氣柱在上升中速度的變化規(guī)律,單獨(dú)改變底部作用氣體的體積,來(lái)對(duì)比分析在不同氣體壓力的作用下氣柱在第4計(jì)時(shí)點(diǎn)的速度差異(見(jiàn)圖6)。

圖5 氣泡運(yùn)移速度隨計(jì)時(shí)點(diǎn)位置變化關(guān)系圖D

圖6 氣泡運(yùn)移速度隨底部作用壓力變化關(guān)系圖

圖6顯示的是當(dāng)壓井液高度為10 m,作用的高壓氣體體積分別為30、60、90 m L時(shí),在第4個(gè)計(jì)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)所測(cè)出的伴隨底部作用氣體壓力增加的氣柱向上運(yùn)移速度的變化曲線。由圖6可見(jiàn),隨著作用的高壓氣體體積增加,在不同的底部氣體壓力作用下測(cè)得的氣柱運(yùn)移速度均有一定提升。但隨著作用的氣體體積增加,在不同壓力的底部高壓氣體的作用下的氣柱運(yùn)移速度的提升幅度差距較大。當(dāng)?shù)撞孔饔玫母邏簹怏w的壓力相對(duì)較低時(shí),提升作用的氣體體積對(duì)氣液作用結(jié)束后形成的氣柱的上移運(yùn)動(dòng)速度影響不太明顯,但隨著底部作用的高壓氣體的壓力提升,模擬管道底部作用的高壓氣體的體積對(duì)氣液作用結(jié)束后形成的氣柱的上移運(yùn)動(dòng)速度的影響就越來(lái)越大。由圖6中可以明顯看到,當(dāng)用1 M Pa的底部氣體壓力作用時(shí),隨著作用氣體體積的增加,氣液作用結(jié)束后,形成的氣柱的上移速度相差不大。而用4 M Pa的底部氣體壓力作用時(shí),隨著作用氣體體積的增加,氣液作用結(jié)束后,形成的氣柱的上移速度相差較大。這是因?yàn)楫?dāng)用較高壓力的氣體實(shí)驗(yàn)時(shí),氣液作用結(jié)束后由于氣體壓力大幅度降低,氣體體積迅速增大,形成的氣柱也就較長(zhǎng),進(jìn)而其上升的速度也就越快,而用低壓的氣體實(shí)驗(yàn)時(shí),氣液作用結(jié)束后形成的氣柱較短,上移的速度相對(duì)較低。圖6中用4 M Pa的底部高壓氣體、壓井液高度為10 m、作用的高壓氣體體積為100 m L時(shí)的參數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)觀察,其氣液作用后形成的大氣柱約為4.2 m。從圖6中可看出大氣柱在第4計(jì)時(shí)點(diǎn)所測(cè)出的氣柱上升速度為0.372 m/s。

通過(guò)上面的分析,結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合射孔工作實(shí)際能夠得出,在復(fù)合射孔過(guò)程中,當(dāng)爆生氣體的爆壓相對(duì)較低且使用的壓裂火藥量較少,或是壓井液的高度較高時(shí),復(fù)合射孔氣液作用結(jié)束后形成的氣柱較短,在向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)穩(wěn)定,也不會(huì)引起壓井液柱的較大的波動(dòng)。而當(dāng)爆生氣體的爆壓較高且使用的壓裂火藥量較多,或是壓井液的高度較低時(shí),復(fù)合射孔氣液作用結(jié)束后生成的氣體的量會(huì)極大增加,會(huì)在向上運(yùn)動(dòng)中形成大的氣柱。壓井液會(huì)存在明顯的上下波動(dòng),而且氣柱在上移的過(guò)程中速度會(huì)明顯加快,且體積不斷膨脹,最終以大氣段的形式排出井外。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在氣液作用結(jié)束后,模擬管道底部的氣體是以一個(gè)大氣段形式上升。如果作用的氣體壓力高,或是作用的氣體體積較大,形成的大氣段就較長(zhǎng),反之較短。在氣液作用結(jié)束后,當(dāng)氣柱的長(zhǎng)度較短時(shí),氣柱在上升的過(guò)程中速度的提升變化不大,而隨著氣柱的長(zhǎng)度的增加,氣柱在上升的過(guò)程中速度的提升越來(lái)越大。由于氣液作用結(jié)束后形成的氣柱的向上運(yùn)移過(guò)程與段塞流的流動(dòng)形式比較相似。

在氣液兩相流的研究中,通常把彈狀流與段塞流氣體上升速度模型看作有同樣的表達(dá)式,彈狀流是以氣彈為特征的。氣彈的尺寸很大,其直徑幾乎等于管子的直徑,周?chē)幸粚颖”〉木徛蛳铝鲃?dòng)的液膜。氣彈又稱(chēng) Taylor泡。段塞流是以液塞為特征的,其英文為Slug。在兩相流理論中,Slug是指液體。而在井控理論中,Slug是指氣體。正是氣液概念的顛倒,致使氣柱失去了兩相流理論中的特征。Weisman等將彈狀流與段塞流統(tǒng)稱(chēng)為間斷狀流,這種工況下改變氣體上升速度主要是研究Taylo r泡的上升速度。Taylo r泡在靜液相中的上升速度[11-12]對(duì)于直徑較大(D>10 mm)的管子速度為

式中,K依不同研究可以取0.328、0.345、0.35等; D為管子內(nèi)徑,m;g為重力加速度,m/s2。

根據(jù)式(1),在實(shí)驗(yàn)所用裝置的條件下,可求出單個(gè)氣柱在靜液相中的上升速度為

或是當(dāng) K=0.35時(shí)

實(shí)驗(yàn)中底部氣體壓力為1 M Pa,壓井液高度為11 m,作用的氣體體積為30 m L的實(shí)驗(yàn),氣液作用后所測(cè)出的氣柱上升速度(0.20 m/s)與上面的計(jì)算結(jié)果相近。增加氣體壓力或氣體的作用體積的實(shí)驗(yàn)后形成氣柱的上移速度都要大于 Taylor泡在靜液相中的上升速度。但考慮到實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,與油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際復(fù)合射孔的施工條件有一定的差距。實(shí)驗(yàn)中盡管采用了11 m高的模擬管道,但11 m高壓井液經(jīng)相似原理所計(jì)算出的模擬壓井液高度仍然要遠(yuǎn)低于實(shí)際復(fù)合射孔過(guò)程中所到的壓井液的高度。目前油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用復(fù)合射孔技術(shù)中用到的壓裂火藥量相對(duì)較少,在復(fù)合射孔過(guò)程中很難在整個(gè)壓井液中引起強(qiáng)烈并持久的波動(dòng),復(fù)合射孔氣液作用結(jié)束后形成的氣柱很有可能以 Taylor泡的形式在壓井液中向上運(yùn)動(dòng)。只有在壓裂火藥量較大時(shí),或者壓井液的高度過(guò)低時(shí),在氣液作用后形成的氣柱較大,在氣柱向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中隨著壓井液上覆的壓力減小,其運(yùn)移的速度會(huì)加快,相應(yīng)的氣柱也會(huì)進(jìn)一步增大。根據(jù)井筒中氣液兩相流理論,如壓井液的高度足夠高,那么完整的大氣柱在增大到一定程度時(shí)有可能發(fā)生斷裂,以多個(gè)氣段的形式排出井外。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn),模擬了復(fù)合射孔過(guò)程中射孔壓裂作用結(jié)束后爆生氣體在井筒中的上移運(yùn)動(dòng)情況。

(2)增大作用的氣體壓力和增大作用的氣體體積均會(huì)對(duì)氣液作用結(jié)束后的氣體在液柱中的上移運(yùn)動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生影響,作用的氣體壓力越大、作用的氣體的量越多,氣泡的上移運(yùn)動(dòng)速度就越快,此外液柱的波動(dòng)對(duì)氣體的上移運(yùn)動(dòng)速度有促進(jìn)作用。

(3)通過(guò)與 Taylor泡理論模型的計(jì)算結(jié)果相對(duì)比,結(jié)合油田的實(shí)際狀況,得出目前大部分的油田現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合射孔施工后,井底的高能氣體均是以Taylo r泡的形式在壓井液中向上運(yùn)動(dòng)。

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Experimental Study on Gas M ovement M echan ism in Wellbore after Com pound Perforation

ZHAO Xu1,2,3,D ING Shidong3,ZHOU Shiming3
(1.Research Institute of Petroleum Exp loration&Development Postdocto ral Workstation,SINOPEC,Beijing 100083,China; 2.China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 3.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China)

The similar control fluid movement stimulated experimental device is used to study the exp losive gas movement mechanism in the w ellbo re after compound perfo ration.The flow phenomenon of gasmovement is observed in the stimulated wellbore.The gas movement state and gasmovement rule at the different initial gas p ressures and different initial gas volumes are analyzed.The velocity curve of gas movement that w as measured is analyzed.The results indicate that,the higher initial gas p ressure,the more initial gas volume,and the faster gasmovement, after initial gas-liquid interaction.Mo reover,the function of liquid column is benefit to increase the velocity of gasmovement.Through contrasting the resultsw ith Taylo r fo rmation and experimental results,and also considering the compound perforation in the oilfield,it is concluded that the gasmovement in the wellbore is similar to the Taylor bubble after compound perforation in themost part of compound perforations in the oilfield.The experimental results have directive significance in studying gasmovement mechanism in the w ellbo re after compound perfo ration.

compound perfo ration,control fluid,gas-liquid interaction,exp losive gas,experimental study

TE257.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目“復(fù)合射孔井下壓力變化與裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究(2009D-5006-03-09)”資助

趙旭,男,1981年生,在站博士后,主要從事完井工程技術(shù)相關(guān)方面的研究。

2010-12-17 本文編輯 王小寧)