水平氣井井筒氣液兩相流型預測

劉永輝，羅程程，劉 通，任桂蓉，王中武

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽 610800；3.中國石油新疆油田陸梁油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000

引 言

水平井能增大泄氣面積，提高氣藏動用程度，已逐漸成為頁巖氣、致密氣的主要開發(fā)手段。然而大量的壓裂液返排和儲層自身產(chǎn)水導致氣井開采之初就見水，井筒中出現(xiàn)氣液兩相流。正確預測水平井井筒氣液兩相流流型是水平井井筒壓降預測、井下工況診斷、排水采氣設(shè)計的先決條件。

目前氣液兩相流流型實驗參數(shù)（管斜角，管徑等）統(tǒng)計如表1所示。

根據(jù)實驗的管斜角，可分為單一水平管、傾斜管和垂直管的3類流型圖，沒有描述水平井氣液兩相流動的統(tǒng)一流型圖。水平井由垂直段、傾斜段和水平段組成，沿流向上，井斜角從90°到0連續(xù)變化[1-2]，當采用上述的3類流型圖進行分段處理時，由于繪制流型圖的實驗條件不同，流型圖的適應范圍也不同，缺乏通用性；又由于產(chǎn)水氣井氣液比極高，極易超出工程常用兩相流型圖的范圍，導致預測水平氣井氣液兩相流型誤差大。

本文研制了由水平段、傾斜段（可變井斜角）、垂直段組成可視化水平井兩相流模擬實驗裝置，開展了7組管斜角下的641組氣水兩相管流流型實驗，采用攝像儀捕捉氣液界面形態(tài)及其流動特征，基于前人研究成果，歸納得出水平氣井的5種流型及其典型特征。引用Duns&Ros定義的無因次氣液速度準數(shù)，繪制了描述水平氣井氣液兩相管流的三維流型圖，給出了BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測水平氣井井筒流型的方法。經(jīng)川西20口水平氣井測壓數(shù)據(jù)驗證，該流型圖預測正確率達90%。

表1 氣液兩相流流型實驗Tab.1 Experimental studies on gas-liquid two-phase flow patterns

1 實驗

本文采用的模擬水平井氣液兩相流動模擬實驗裝置見圖1。

圖1 模擬水平井氣液兩相流型實驗裝置Fig.1 Experimental facility of observing gas-liquid two-phase flow pattern for modeling horizontal wells

實驗裝置由水平段、傾斜段、垂直段組成，3段采用軟管連接，使傾斜段管斜角從0到90°變化，與水平井實際井眼軌跡一致?？紤]水平氣井產(chǎn)液量小、氣液比極高的特點，實驗設(shè)計氣量為1～200 m3/h，水量為 0.1～1.0 m3/h。采用 10 000 幀高速攝像儀以極慢的速度捕捉水平井垂直段、斜井段、水平段內(nèi)氣液兩相流型，觀察不同氣、液流量下井筒內(nèi)氣水界面分布情況，分析相同參數(shù)下水平管、傾斜管、垂直管內(nèi)流型的內(nèi)在聯(lián)系；并實時記錄氣量、水量、傾斜段和垂直段壓力，以及傾斜段和垂直段差壓。

2 水平氣井氣液兩相管流流型

為了充分考慮斜井段井斜角對流型的影響，實驗設(shè)計 7組管斜角：15°、20°、30°、45°、60°、70°、80°，與水平段（管斜角為 0）和垂直段（管斜角為90°）共計9組管斜角。

水平段以分層流為主，隨著氣體表觀流速的增加，空氣與水的界面逐漸向波狀發(fā)展。傾斜段和垂直段主要有塞狀氣泡流、段塞流、攪動流、環(huán)狀流4種流型，如圖2～圖6所示（其中，θ—傾斜角，（°）；vsg—氣相折算速度，m/s；vsl—液相折算速度，m/s）。

隨著管斜角的增加，氣水重力分離減弱，傾斜管下部液膜厚度減小，上部液膜厚度增加。

圖2 分層流（θ=0）Fig.2 Stratified flow（θ=0）

為綜合考慮氣液流速、密度、黏度、表面張力對流型的影響，引入Duns&Ros定義的無因次氣液速度準數(shù)，擬合建立實驗時各管斜角下的流型圖，并對實驗各管斜角之間的流型采用插值處理，繪制了水平井三維流型圖，如圖7所示。

圖3 塞狀氣泡流（vsg=0.09 m/s，vsl=0.05 m/s）Fig.3 Plug flow（vsg=0.09 m/s，vsl=0.05 m/s）

圖4 段塞流（vsg=4.89 m/s，vsl=0.05 m/s）Fig.4 Slug flow（vsg=4.89 m/s，vsl=0.05 m/s）

圖5 攪動流（vsg=9.23 m/s，vsl=0.05 m/s）Fig.5 Churn flow（vsg=9.23 m/s，vsl=0.05 m/s）

圖6 環(huán)狀流（vsg=21.79 m/s，vsl=0.05 m/s）Fig.6 Annular flow（vsg=21.79 m/s，vsl=0.05 m/s）

圖7 水平氣井井筒氣液兩相流三維流型圖Fig.7 3-D two-phase flow pattern map for horizontal gas wells

3 水平氣井氣液兩相管流流型預測

與常規(guī)氣液兩相二維流型圖相比，水平井三維流型圖新增管斜角一項，采用常規(guī)曲線擬合誤差大，為此，引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行流型預測[14-17]。

（1）輸入、輸出參數(shù)的設(shè)計

輸入?yún)?shù)為氣相無因次速度準數(shù)、液相無因次速度準數(shù)、傾斜角。

輸出參數(shù)為分層流、塞狀氣泡流、段塞流、攪動流、環(huán)狀流，分別標定為 1、2、3、4、5，對應向量(1,0,0,0,0)T、(0,1,0,0,0)T、(0,0,1,0,0)T、(0,0,0,1,0)T、(0,0,0,0,1)T。

（2）訓練樣本和檢驗樣本的設(shè)計

采用641組流型實驗數(shù)據(jù)作為訓練樣本和檢驗樣本。各類樣本的數(shù)量分布如表2所示。

表2 訓練樣本和檢驗樣本設(shè)計Tab.2 Number of training samples for validating and testing

（3）隱含層的設(shè)計

采用單個隱含層且神經(jīng)元數(shù)為5時，對641組水平氣井井筒流型實驗數(shù)據(jù)進行訓練，得到各層之間的權(quán)值、閾值，如表3、表4所示。

表3 輸入層到隱含層權(quán)值、閾值Tab.3 Weights and thresholds of the input-hidden layers

4 模型驗證

收集了川西氣田20口水平氣井的測壓數(shù)據(jù)，其產(chǎn)氣量范圍為（0.039 2～5.842 5）×104m3/d，產(chǎn)水量 0.04～10.00 m3/d，油壓 0.20～18.89 MPa，流壓2.50～25.84 MPa。因無法獲得流型數(shù)據(jù)，采用Taitel[2]、Tengesdal[18]、Gill[19-20]等建立的兩相流流型和持液率對應關(guān)系（表5），通過持液率來間接驗證模型的正確性。

表4 隱含層到輸出層權(quán)值、閾值Tab.4 Weights and thresholds of the hidden-output layers

表5 持液率與流型的關(guān)系Tab.5 Relationships between flow pattern and liquid holdup

20井次實測井筒流型分布與BP網(wǎng)絡模型流型預測結(jié)果對比如表6所示。僅2井次流型預測結(jié)果與實測流型不符，即模型預測準確率為90%。

表6 實測井筒流型與BP模型預測結(jié)果對比Tab.6 Comparison between actual flow patterns and_______________________predicted flow patterns

5 結(jié) 論

（1）基于由水平段、傾斜段、垂直段組成的水平井可視化模擬實驗裝置，實驗觀測到水平井氣井的5種流型：塞狀氣泡流、段塞流、攪動流、環(huán)狀流、分層流。

（2）繪制了水平氣井兩相管流三維流型圖，實現(xiàn)了一幅流型圖對0～90°全管斜角兩相流的流型描述。

（3）基于三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立了水平氣井氣液兩相管流流型預測新模型。川西氣田20口水平氣井測壓數(shù)據(jù)驗證表明，該流型圖預測正確率達90%。