蘇里格氣田井下節(jié)流氣井積液高度計(jì)算方法

尤　星，李　赟，李　媛，劉曉軍，孫　揚(yáng)，王歷歷，項(xiàng)文欽，寇苗苗，孫澤虎（.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安　7008；.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西西安　7008；.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安　7008）

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蘇里格氣田井下節(jié)流氣井積液高度計(jì)算方法

尤星1，李赟2，李媛3，劉曉軍3，孫揚(yáng)1，王歷歷1，項(xiàng)文欽3，寇苗苗3，孫澤虎1
（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安710018；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西西安710018；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安710018）

摘要：產(chǎn)水氣井井底積液會(huì)給氣田及氣井本身帶來(lái)嚴(yán)重的危害，準(zhǔn)確診斷氣井的積液情況是把握排水采氣措施實(shí)施的關(guān)鍵。但蘇里格氣田氣井多采用井下節(jié)流方式進(jìn)行生產(chǎn)，常規(guī)方法已經(jīng)不能準(zhǔn)確用于其積液深度計(jì)算。為此，本文將節(jié)流動(dòng)態(tài)模塊套入井筒壓降系統(tǒng)，采用流動(dòng)氣柱法從井口油壓向井底計(jì)算壓力，采用Ansari流態(tài)模擬法從井底向井口計(jì)算兩相流壓力，兩種方法的交匯點(diǎn)計(jì)算氣井積液高度，并在泡沫排水的攜液能力、消泡、破乳等問(wèn)題上，提出積液高度對(duì)泡沫排水工藝實(shí)施的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：井下節(jié)流；井筒積液；積液量計(jì)算；泡沫排水；攜液能力

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西北部，是典型的低滲透、低壓、低豐度，以河流砂體為主體儲(chǔ)層的致密砂巖巖性氣藏。蘇里格氣田平均水氣比0.542 9 m3/104m3。隨著氣田的持續(xù)開(kāi)發(fā)，積液氣井占?xì)饩倲?shù)的0.32，氣井積液已嚴(yán)重影響氣井的產(chǎn)量和產(chǎn)能，因此及時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算氣井積液深度是保障氣井正常生產(chǎn)的關(guān)鍵。

蘇里格氣田氣井多采用井下節(jié)流方式進(jìn)行生產(chǎn)，井下節(jié)流工藝將地面油嘴轉(zhuǎn)移到井筒中，在實(shí)現(xiàn)井筒節(jié)流降壓的同時(shí)充分利用地溫對(duì)節(jié)流后的天然氣氣流加熱，從而達(dá)到降低地面管線(xiàn)壓力、防止水合物生成、取消地面加熱裝置、減少注醇量等目的。但由于節(jié)流前后壓力溫度系統(tǒng)發(fā)生改變，使常規(guī)的井筒積液深度計(jì)算方法不能直接應(yīng)用于井下節(jié)流氣井。為此，筆者將節(jié)流動(dòng)態(tài)嵌入普通井筒壓降系統(tǒng)，采用流動(dòng)氣柱法和Ansari流態(tài)模擬法分別從井口和井底開(kāi)始迭算壓力，獲取井筒壓降曲線(xiàn)。

1　氣液兩相流壓降模型

采氣工程中的氣液兩相管流，其核心問(wèn)題是探討沿程的壓力損失及影響因數(shù)。自從20世紀(jì)70年代中期，對(duì)管道中和生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的兩相流研究有了重大的進(jìn)步，這一進(jìn)步促進(jìn)了幾個(gè)井筒穩(wěn)定流動(dòng)和瞬態(tài)流動(dòng)的力學(xué)模型的產(chǎn)生[1-4]。力學(xué)或者現(xiàn)象學(xué)的方法假設(shè)了不同流型的存在，并分別給出了每種流型的模型來(lái)預(yù)測(cè)液相持液率和井筒壓力等主要流動(dòng)參數(shù)，因此力學(xué)模型在設(shè)計(jì)多相流生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)與經(jīng)驗(yàn)公式模型相比被使用的頻率越來(lái)越高[5]。

圖1　井筒典型流態(tài)分布

1990年Ansari等對(duì)井筒中氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了研究，他們?cè)谇叭斯ぷ鞯幕A(chǔ)上，給出了井筒中氣液兩相流的流動(dòng)型態(tài)判別方法（見(jiàn)圖1），并對(duì)各種流動(dòng)型態(tài)的流動(dòng)機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)行了分析，建立了描述泡狀流、段塞流和環(huán)狀流流動(dòng)特性的模型[6-8]。Ansari模型最大的改進(jìn)之處是提高了段塞流模型的預(yù)測(cè)精度，考慮了段塞流的兩種可能出現(xiàn)的情況，一是充分發(fā)展的段塞流，充分發(fā)展的段塞流發(fā)生的條件是氣泡頭部長(zhǎng)度與整個(gè)泰勒泡長(zhǎng)度相比可以忽略時(shí)，在這種條件下，對(duì)于整個(gè)液膜區(qū)域液膜厚度是不變的；另一種是只包括泰勒泡頭部的發(fā)展中的段塞流，在這種情況下，液膜厚度在整個(gè)液膜區(qū)域是不斷變化的，不能看成是不變的。

1.1流型判斷

曲線(xiàn)A：氣泡流系向段塞流轉(zhuǎn)變：

曲線(xiàn)B：氣泡流向分散泡狀流轉(zhuǎn)變：

曲線(xiàn)C：分散泡沫流向段塞流轉(zhuǎn)變：

曲線(xiàn)D：段塞流向環(huán)霧流轉(zhuǎn)變：

由圖1可知，產(chǎn)液速率較低時(shí)，井筒某一深度氣體的流速?zèng)Q定著氣井流態(tài)模型。蘇里格氣田積液氣井產(chǎn)氣量較小，氣液比較高，產(chǎn)液量較少。所以判斷流型時(shí)，主要計(jì)算井筒一定深度處的氣體流速，確定在流態(tài)分布圖的區(qū)域，即可判斷流體的流型。

1.2壓力梯度

泡流模型：

段塞流模型：

環(huán)霧流：

采用Ansari方法計(jì)算井筒壓力時(shí)，首先根據(jù)氣液兩相流的特點(diǎn)把整個(gè)井筒空間沿軸向分成多個(gè)微小井段，假設(shè)該微元段的壓降，取其微小井段內(nèi)的起始點(diǎn)的壓力、溫度的平均值為其微小井段內(nèi)壓力、溫度，根據(jù)平均溫度、壓力計(jì)算該微元段內(nèi)的氣液兩相流的流動(dòng)特性參數(shù)，根據(jù)氣液相表觀速度應(yīng)用流型判別準(zhǔn)則來(lái)劃分流型及計(jì)算壓降，比較計(jì)算壓降與假設(shè)壓降的誤差是否滿(mǎn)足精度要求，若滿(mǎn)足要求開(kāi)始下一微元段內(nèi)的計(jì)算，依次疊加計(jì)算到壓力小于油壓（見(jiàn)圖2）。

圖2　Ansari兩相流迭代算法

2　節(jié)流氣井積液過(guò)程分析

一般認(rèn)為由于節(jié)流降壓作用，使得節(jié)流井在節(jié)流器下游的氣體膨脹、氣流速度增加，從而使節(jié)流器上游氣體的攜液能力增加，節(jié)流器下游的流體中不容易出現(xiàn)積液。但由于蘇里格氣田“三低”特點(diǎn)，氣井壓力下降較快，當(dāng)氣井產(chǎn)量小于臨界攜液流量時(shí)，井底及井筒便產(chǎn)生積液。采用流壓測(cè)試和回聲儀探液面對(duì)蘇里格氣田46口節(jié)流氣井進(jìn)行積液測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所有節(jié)流器上段積液的氣井，節(jié)流器下段都出現(xiàn)了積液現(xiàn)象，而節(jié)流器下段未出現(xiàn)積液的氣井，節(jié)流器上段也未出現(xiàn)積液現(xiàn)象。積液過(guò)程（見(jiàn)圖3）。

當(dāng)井筒流態(tài)為環(huán)霧流，氣體流速高，尤其在節(jié)流器出口處，流速甚至可達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲伲軌驅(qū)⑦M(jìn)入井內(nèi)的水全部帶出而不產(chǎn)生滑脫，節(jié)流器下上方均無(wú)積液（見(jiàn)圖3（a））。

隨著氣井壓力下降，節(jié)流器下段流態(tài)為段塞流，液體段塞經(jīng)過(guò)節(jié)流孔時(shí)，液體段塞在氣孔剪切作用以及高速氣流的沖擊下變成尺寸相對(duì)較小的液體，節(jié)流器上段流態(tài)變?yōu)殪F狀流，與液體段塞相比，攜帶小液滴所需的能量較小，造成上方無(wú)積液下方有積液，此時(shí)氣井依舊能夠較穩(wěn)定地產(chǎn)出一定量的水，而且氣井能持續(xù)生產(chǎn)很長(zhǎng)時(shí)間（見(jiàn)圖3（b）、圖3（c））。

圖3　節(jié)流器積液過(guò)程

當(dāng)氣井壓力損失很大，液體段塞經(jīng)過(guò)節(jié)流孔時(shí)，由于氣流流速很低，氣孔不再對(duì)液體段塞產(chǎn)生作用，經(jīng)過(guò)氣孔的段塞逐漸累積，節(jié)流器上段便變?yōu)榕轄盍?，此時(shí)節(jié)流器上方壓力梯度迅速增大，致使節(jié)流器下上方基本不存在節(jié)流壓差，天然氣只以氣泡形式穿過(guò)液柱緩慢上升，節(jié)流器上下方充滿(mǎn)積液（見(jiàn)圖3（d）、圖（e））。

3　節(jié)流動(dòng)態(tài)

天然氣通過(guò)節(jié)流器的流動(dòng)可近似為可壓縮絕熱流動(dòng)，其流態(tài)可分為亞臨界流與臨界流，判別條件為：

對(duì)于天然氣，天然氣絕熱指數(shù)取1.3，節(jié)流臨界流壓力比值（pcr/p1）為0.546。當(dāng)流體為氣液兩相流時(shí)，節(jié)流臨界流壓力比會(huì)隨著兩相氣液比的變化而變化。Ashord和Pierce等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：氣液兩相通過(guò)節(jié)流氣嘴時(shí)，氣液比小于100時(shí)，氣液比越大，臨界音速壓力比值越高；氣液比大于100，臨界音速壓力比（pcr/p1）不受氣液比大小影響，兩相流流動(dòng)形態(tài)近似于單一氣體流動(dòng)形態(tài)（見(jiàn)圖4）。

圖4　氣液比對(duì)臨界音速壓力比的影響（兩相流）

蘇里格氣田為高氣液比氣井（一般大于10 000:1），因此氣液兩相通過(guò)節(jié)流器時(shí)，可按照純氣體進(jìn)行計(jì)算，即：

節(jié)流器處于臨界流狀態(tài)：

節(jié)流器處于亞臨界流狀態(tài)：

4積液高度預(yù)測(cè)算法步驟

圖5中：①采用流動(dòng)氣柱法，井口油壓為初值，迭代步長(zhǎng)200 m，從井口往井底計(jì)算流動(dòng)氣柱壓力，繪制壓力曲線(xiàn)A；②采用靜止氣柱法，井口套壓為初值，迭代步長(zhǎng)200 m，從井口往井底計(jì)算靜止氣柱壓力；③將套壓計(jì)算得出的井底壓力作為井底流壓，采用Ansari方法，從井底開(kāi)始每100 m按照所判斷的流態(tài)模型，計(jì)算一次氣井的壓力。沿井筒一直計(jì)算到井筒內(nèi)的壓力小于等于井口油壓為止，繪制曲線(xiàn)B。曲線(xiàn)A與曲線(xiàn)B的交點(diǎn)，即為井筒積液深度，算法流程圖（見(jiàn)圖6）。

圖5　積液深度算法示意圖

圖6　積液高度算法

5　實(shí)例計(jì)算

蘇R1井泡沫排水前的井口油壓為1.12 MPa，套壓6.28 MPa，從套管計(jì)算的井底壓力為7.80 MPa，產(chǎn)氣量為0.385×104m3/d，節(jié)流器在1 806 m深處，節(jié)流器的直徑為2.5 mm。

計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖7），蘇R1井的積液液面在節(jié)流器以下，節(jié)流器處的壓差為3.2 MPa。井深3 100 m處為氣水界面，積液高度為491 m左右。其中，3 300 m～3 491 m為泡狀流，壓力梯度在0.75 MPa/100m～0.77 MPa/100m；3 100 m～3 300 m為段塞流，壓力梯度在0.33 MPa/100m ～0.34 MPa/100m。

圖7　蘇R1井的壓力梯度計(jì)算和積液深度計(jì)算圖

6　積液深度對(duì)泡沫排水采氣的指導(dǎo)

根據(jù)積液高度和產(chǎn)氣量大小，選擇合適的排水采氣制度。本文針對(duì)泡沫排水采氣工藝，分析積液深度對(duì)排水采氣制度的指導(dǎo)。

Ansari積液模型在積液計(jì)算過(guò)程中，首先對(duì)流體流型進(jìn)行判斷，有助于對(duì)采取何種排水采氣方法進(jìn)行指導(dǎo)。試驗(yàn)研究表明，流態(tài)為段塞流時(shí)泡沫排水采氣效果最好；流態(tài)為環(huán)霧流時(shí)，注入泡排劑反而會(huì)使井底壓降升高，故不適合泡排；若流態(tài)為泡狀流或攪拌流，加注起泡劑后關(guān)井復(fù)壓再開(kāi)井，有助于井底能形成段塞流，使泡沫排水施工的效果達(dá)到最佳。

圖8　泡排生產(chǎn)曲線(xiàn)圖

泡排井制度可分為兩個(gè)階段（見(jiàn)圖8）：排出氣井大量積液階段和維持氣井穩(wěn)定生產(chǎn)階段。計(jì)算出A時(shí)刻氣井的積液高度，確定泡排劑加注量，若積液深度大于1 000 m，應(yīng)采取氣舉等復(fù)合手段，將積液大量排出。在維持穩(wěn)定生產(chǎn)階段，氣井的積液高度更為重要，即B時(shí)刻，因?yàn)槠渲苯雨P(guān)系到泡排劑的用量及加注周期的確定。

在水溶液中，隨著起泡劑濃度的增加界面張力降低，起泡性能變好；當(dāng)濃度達(dá)到起泡劑CMC（臨界膠束濃度）值時(shí)，界面張力最低，起泡性能最佳；繼續(xù)增加起泡劑濃度，起泡劑在溶液形成膠束，而在氣液界面的濃度基本不變，甚至降低。表現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中即泡排劑濃度過(guò)低，攜液能力不佳。泡排劑濃度太高，一方面生成的泡沫太稠，給下游消泡、破乳造成負(fù)擔(dān)，進(jìn)而引起管線(xiàn)堵塞、氣液不易分離等一系列問(wèn)題；另一方面過(guò)稠的泡沫在節(jié)流器處發(fā)生賈敏效應(yīng)，在節(jié)流氣嘴前發(fā)生泡沫堆積現(xiàn)象，堵塞氣嘴。

而蘇里格目前的排水采氣井加藥制度主要采取每井次50 mL～150 mL起泡劑溶液。為了提高泡排效率，有必要加強(qiáng)泡排井的精細(xì)化管理，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定起泡劑的最佳濃度；計(jì)算氣井積液高度，確定起泡劑加注量；最后通過(guò)產(chǎn)氣量和套壓變化確定積液周期。

7　結(jié)論與建議

（1）采用Ansari模型從井底向井口計(jì)算兩相流壓力梯度；采用流動(dòng)氣柱法從井口向井底計(jì)算純氣柱壓力梯度。由兩條曲線(xiàn)交點(diǎn)確定積液高度。

（2）Ansari方法計(jì)算至節(jié)流器處時(shí)，由于蘇里格氣井氣液比較高，可將氣嘴處的流態(tài)考慮為純氣柱分析。

（3）利用積液高度，確定氣井泡排劑加量，提高泡沫攜液能力，降低后續(xù)消泡、破乳難度。

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油氣地質(zhì)

*收稿日期：2016－02-02

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.022

中圖分類(lèi)號(hào)：TE312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5285（2016）03-0085-05