大管徑水平管油水兩相流動(dòng)特性試驗(yàn)研究

劉軍鋒，郭海敏 （油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長江大學(xué)），湖北荊州434023）

彭原平，王界益，雪 偉 （中石油西部鉆探工程有限公司測井公司，新疆克拉瑪依834000）

大管徑水平管油水兩相流動(dòng)特性試驗(yàn)研究

劉軍鋒，郭海敏 （油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長江大學(xué)），湖北荊州434023）

彭原平，王界益，雪 偉 （中石油西部鉆探工程有限公司測井公司，新疆克拉瑪依834000）

因井斜變化、流體密度差異等因素致使水平井井中流體流動(dòng)特性復(fù)雜多變，準(zhǔn)確進(jìn)行水平井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測成為難題。基于水平管油水兩相模擬試驗(yàn)，在完全水平流、上坡流和下坡流情況下，對(duì)油和水的分布規(guī)律、流型分類、速度剖面和滑脫效應(yīng)等進(jìn)行了分析，通過剖析3種不同持率測量儀器的響應(yīng)規(guī)律，制作了速度剖面和滑脫速度等試驗(yàn)圖版，能很好地用于判斷流體流動(dòng)特性。

水平管；油水；流動(dòng)特性；試驗(yàn)研究；持水率；速度剖面；滑脫速度

近年來，因開發(fā)成本低、采收率高、鉆井和完井技術(shù)不斷完善等原因，水平井在國內(nèi)外各油田得到了廣泛應(yīng)用，而相應(yīng)的水平井動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)還處于起步階段［1］。國外取得的進(jìn)展也只是表現(xiàn)在水平井專用測井儀器方面，即采用聲、光、電、核等新技術(shù)研發(fā)或改進(jìn)的集成化測量儀器［2］。與垂直井相比，水平井井下環(huán)境發(fā)生了很大變化，因井身起伏，存在完全水平流（井斜角θ＝0°）、上坡流（θ＞0°，流體向上傾方向流動(dòng)）、下坡流（θ＜0°，流體向下傾方向流動(dòng)）3種狀態(tài)。當(dāng)井中流體為多相流時(shí)，因密度差異，輕質(zhì)相與重質(zhì)相多呈層狀分離，各相在井筒中的分布和流動(dòng)速度隨井斜發(fā)生很大變化，致使常規(guī)垂直井測井儀器在水平井中的響應(yīng)產(chǎn)生縱向偏面性，不能真實(shí)反映井筒中流體的信息［3］。因此，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測資料的準(zhǔn)確篩選和產(chǎn)液剖面的精確解釋，有必要研究水平井多相流在井筒中的分布規(guī)律和速度剖面等流動(dòng)特性。

1 試驗(yàn)概況

該次試驗(yàn)是在中石油西部鉆探測井公司的多相流動(dòng)模擬裝置上進(jìn)行的。模擬井筒長16.37m，內(nèi)徑124mm，溫度12～13℃，壓力約0.2MPa，介質(zhì)為自來水（密度0.9884g／cm3，粘度1.16mPa·s）和柴油（密度0.8263g／cm3，粘度2.92mPa·s）。試驗(yàn)儀器串從上至下依次為扶正器1、電容陣列儀、放射性流體密度計(jì)、扶正器2、電容持水率計(jì)和籠式全井眼流量計(jì)等。設(shè)置油水總流量分別為10、30、50、100、300、500m3／d；含水率分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%；井斜角（PD）分別為15、0、－15°；上提測量速度分別為4、8、12、16、20m／min。

2 試驗(yàn)資料分析

2.1 流型劃分

受國內(nèi)外多相流研究歷史、現(xiàn)狀的影響，目前液－液兩相流的研究要略滯后于氣－液兩相流［4，5］。由于各學(xué)者采用的試驗(yàn)方式、分類方法不同，對(duì)水平管油水兩相的流型分類稍有不同。該次試驗(yàn)結(jié)合Trallero等［6］研究成果，根據(jù)接觸管壁的相態(tài)，把流型分為分離流（油、水與管壁均有接觸）和分散流（只有某一相與管壁接觸，另一相為分散相）兩大類，如圖1所示。分離流包括分層流、界面混雜分層流、油－水包油；分散流包括油包水、水包油－水、水包油。研究發(fā)現(xiàn)，完全水平流時(shí)，因密度不同導(dǎo)致油水重力分異而普遍存在層流，低流量時(shí)為光滑分層流，當(dāng)總流量增加時(shí)，油水界面間將產(chǎn)生波動(dòng)，形成界面混雜分層流。隨著油流量逐漸增加，含水率逐漸降低時(shí)，因水量少，水沒有形成單獨(dú)一層，頂部為單相油，底部為水包油，形成上層油下層水包油；油流量進(jìn)一步增加時(shí)，油變?yōu)檫B續(xù)相，水分散在油中，形成水包油；類似，當(dāng)水流量逐漸增加，含水率逐漸增加時(shí)，將依次形成上層水包油下層水、水包油。如圖2所示，當(dāng)總流量較低時(shí)，即使微小的井斜變化也會(huì)致使油水在管中的分布產(chǎn)生巨大改變，此時(shí)流型多取決于井斜角度［7，8］。上坡流時(shí)，常以油－水包油、水包油－水和水包油為主；而下坡流時(shí)，以分層流和界面混雜分層流為主。

圖1 水平管油水兩相流型分類

圖2 下坡流和上坡流油水兩相界面變化

2.2 流體流動(dòng)特性分析

2.2.1 流體分布和速度剖面

圖3為實(shí)際起伏井筒中油、水的分布規(guī)律和速度剖面示意圖，假設(shè)流體自右向左流動(dòng)：①上坡流時(shí)，油聚集在管子頂部，油的浮力分量拖著底部的水向上流動(dòng)，此時(shí)，油的速度大于水的速度；當(dāng)運(yùn)動(dòng)至某一位置，油的浮力分量等于或小于水的重力分量時(shí)，致使水停止不前或向下流動(dòng)，從而形成水的循環(huán)流動(dòng)（或稱回流），油的速度為正值，水的速度接近于0或?yàn)樨?fù)值；當(dāng)油和水流量相等時(shí)，持水率將大于持油率。②完全水平時(shí)，油在頂部，水在底部，油、水的速度差異不大，當(dāng)油、水流量相等時(shí)，持水率約等于持油率。③下坡流時(shí)，因水的密度大于油的密度，水向下流動(dòng)的速度要大于油的速度，當(dāng)油和水流量相等時(shí)，持水率將小于持油率，值得注意的是，類似上坡流水循環(huán)流動(dòng)，此時(shí)也會(huì)產(chǎn)生油泡的循環(huán)流動(dòng)［9］。試驗(yàn)設(shè)定油和水的流量相等時(shí)，油和水的流動(dòng)速度定性對(duì)比如表1所示。

表1 油相和水相速度對(duì)比

圖3 井身起伏時(shí)油水分布

研究發(fā)現(xiàn)：與垂直井從管子中心向管壁流體流速逐漸減小、速度剖面呈柱狀對(duì)稱分布不同［10，11］，完全水平流時(shí)，油、水速度近似相等，速度剖面沿管子橫截面依然近似呈對(duì)稱分布；當(dāng)井身發(fā)生傾斜時(shí)，因密度差異致使油水分離，速度剖面在管子橫截面上呈非對(duì)稱分布（上坡流時(shí)，速度最大處偏向管子頂部；下坡流時(shí)，速度最大處偏向管子底部）。

速度剖面校正系數(shù)反映了井筒中各相流體速度分布情況，由定義［12］有：

式中，Cv為速度剖面校正系數(shù)，無量綱；Vm、Vt分別為混合流體平均速度和渦輪門檻速度，m／min；Qt為試驗(yàn)計(jì)量的總流量，m3／d；PC為管子常數(shù)，m2、Va分別為未校正和校正后的視流體速度，m／min。

圖4為試驗(yàn)?zāi)M所得到的3種井斜情況在不同含水率（Cw）情況下的速度剖面校正系數(shù)Cv與校正后的視流體速度Va之間的關(guān)系圖。由圖4可以看出，隨著Va的增加，井筒傾斜時(shí)，Cv值先減小后增大；而井筒水平時(shí)，Cv值先增大后減小，但Cv值均逐漸趨近于1。

2.2.2 三種持率儀器的響應(yīng)規(guī)律

試驗(yàn)過程中，儀器串采用居中測量，放射性流體密度計(jì)和電容持水率計(jì)測量的只是管子中心附近的流體，當(dāng)油、水在管中呈層狀分離流動(dòng)時(shí)，放射性流體密度計(jì)和電容持水率計(jì)只浸沒在油相或油水混合層或水相中，使得儀器響應(yīng)具有一定的縱向偏面性，導(dǎo)致不能真實(shí)反映管中橫截面上所有流體的信息。當(dāng)流體呈分散流（油包水、水包油）時(shí)，油、水混合相對(duì)較均勻，此時(shí)放射性流體密度計(jì)和電容持水率計(jì)響應(yīng)不受影響。因電容陣列儀采用12個(gè)微電容探頭組成了一個(gè)監(jiān)測環(huán)，測量范圍覆蓋了管子橫截面上的所有流體，使得其響應(yīng)不受油水分層流動(dòng)的影響，但當(dāng)含水率大于40%～50%時(shí)，其對(duì)油水的分辨能力降低。因此，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析或以后的生產(chǎn)測井資料解釋時(shí)，都需要考慮到上述影響因素，預(yù)先對(duì)測量信息進(jìn)行優(yōu)選。

2.2.3 滑脫效應(yīng)

由上述分析可知，油、水流動(dòng)速度受傾角變化的影響很大，即兩相間存在速度差異，由定義［12］有：

圖4 不同傾角下速度剖面校正系數(shù)與視流體速度間的關(guān)系

式中，vs為油、水之間的滑脫速度，m／min；vso、vsw分別為油、水的表觀速度，m／min；Qo、Qw分別為試驗(yàn)計(jì)量的油、水流量，m3／d；Yw為根據(jù)儀器響應(yīng)規(guī)律優(yōu)選后的持水率，無量綱；A為井筒橫截面積，m2。

圖5為試驗(yàn)?zāi)M所得到的3種井斜、不同流量、不同含水率情況下滑脫速度vs與持水率Yw的關(guān)系圖。由圖5可以看出，傾角對(duì)滑脫速度的大小有較大影響，上坡流時(shí)，滑脫速度多為正值，隨持水率的增大而增大；管子水平時(shí)，滑脫速度的值雖大于0但趨近于0；下坡流時(shí)，滑脫速度多為負(fù)值，隨持水率的增大而減小。

圖5 不同傾角下滑脫速度與持水率間的關(guān)系

3 結(jié) 論

1）水平管油水兩相流型可分為分離流和分散流兩大類，完全水平、低流量時(shí)以分離流為主，高流量時(shí)隨含水率的變化以分散流為主，在油水流量相等時(shí)，油和水的流動(dòng)速度、持率近似相等，滑脫速度趨于0，速度剖面沿管子橫截面呈對(duì)稱分布。

2）上坡流時(shí)，流型以油－水包油、水包油－水和水包油為主；滑脫速度多為正值；因密度差異，此時(shí)易發(fā)生水的回流，導(dǎo)致持水率大于持油率，速度剖面呈非對(duì)稱分布。下坡流時(shí)，流型以分層流、界面混雜分層流為主；滑脫速度多為負(fù)值；因密度差異，此時(shí)易發(fā)生油的循環(huán)流動(dòng)，導(dǎo)致持水率小于持油率，速度剖面呈非對(duì)稱分布。

3）分離流中，居中測量的放射性密度計(jì)和電容持水率計(jì)的測井響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生縱向偏面性；低含水時(shí)，電容陣列儀能真實(shí)反映流體信息，高含水時(shí)，電容類儀器對(duì)油水分辨率降低。

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［3］劉軍鋒，郭海敏，戴家才.水平井油水兩相產(chǎn)液剖面解釋方法探討［J］.石油地質(zhì)與工程，2006，20（5）：43～45.

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［12］郭海敏.生產(chǎn)測井導(dǎo)論［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2003.

［編輯］ 龍 舟

90 Experimental Study of Flow Behaviors for Oil－water Two－phase in Large Diameter Horizontal Pipe

LIU Jun－feng，GUO Hai－min，PENG Yuan－ping，WANG Jie－yi，XUE Wei

（First Authors Address：Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources（Yangtze University），Ministry of Education，Jingzhou434023，Hubei，China）

Because the fluid flow behaviors was complicated and borehole inclination changes and difference of fluid density in horizontal wells，it was difficult to accurately monitor production performance of the horizontal wells.Based on the simulation experiments of oil－water two－phase in horizontal pipe，the flow characteristics of oil and water，such as phase distribution regularity，flow pattern classification，velocity profile and slippage effect were analyzed under the conditions of complete horizontal flow，upward flow and downward flow.And then，the response characteristics of three different tools for measuring holdup were studied.The experimental chartboard on velocity and profile correction factor and slippage velocity is made up，and it can be effectively used to diagnose the fluid flow behaviors.

horizontal pipe；oil and water；flow behavior；experimental study；water holdup；velocity profile；slippage velocity

book=384,ebook=384

P631.84

A

1000－9752（2012）07－0090－04

2012－04－22

中國石油天然氣集團(tuán)公司“十一五”后三年測井科技項(xiàng)目（2008A－2703）。

劉軍鋒（1979－），男，2004年大學(xué)畢業(yè)，博士，講師，現(xiàn)主要從事生產(chǎn)測井資料處理與解釋方面的研究工作。