中江氣田氣井臨界攜液模型的確定及應(yīng)用

龔云洋

【關(guān)鍵詞】中江氣田;臨界攜液流量;臨界攜液流速;不同井身結(jié)構(gòu)

【中圖分類號(hào)】TE37 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）07-0043-03

0 引言

中江氣田位于四川盆地川西凹陷東坡與川中隆起的過(guò)渡帶，屬于特低滲低孔氣藏，自2012年開發(fā)以來(lái)，共投產(chǎn)氣井200余口。隨著氣田開發(fā)年限的增加，地層水在井底不斷聚積，井底回壓不斷增大，氣井產(chǎn)量遞減快，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，多數(shù)單井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間不到兩年。氣井臨界攜液流量的確定，對(duì)于判斷氣井積液狀態(tài)、制定相應(yīng)的排水采氣工藝提供了重要的參考依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣井臨界攜液模型的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，對(duì)于不同井身結(jié)構(gòu)，Turner、李閩、Belfroid、Andritsos等人都提出過(guò)相應(yīng)的臨界攜液模型。然而不同的臨界攜液模型建立的理論基礎(chǔ)是有所差異的，適用的條件不盡相同。本文主要總結(jié)和分析前人的研究成果，討論適用于中江氣田不同井身結(jié)構(gòu)的臨界攜液模型，同時(shí)驗(yàn)證所選用臨界攜液模型公式的有效性。

1 臨界攜液流量公式

不同井身結(jié)構(gòu)的氣井臨界攜液流量公式：

公式（1）中，qcy為臨界攜液流量，104 m3/d;vcy為臨界攜液流速，m/s;A為油管面積，m2;p為壓力，MPa;T為溫度，K;Z為氣體偏差因子，無(wú)因次。

從公式（1）可以看出，影響臨界攜液流量的主要因素有油管內(nèi)徑、壓力及臨界攜液流速，其中臨界攜液流速與井筒長(zhǎng)度、井徑、井斜等都有關(guān)系。不同的井身結(jié)構(gòu)、不同的臨界攜液模型對(duì)應(yīng)的臨界攜液流速公式都是不同的。

2 臨界攜液流速公式

從直井段到水平井段，隨著井斜角的變化，管柱內(nèi)液體的受力會(huì)發(fā)生改變，氣液兩相流型會(huì)發(fā)生明顯變化。直井段中，液膜厚度和自身重力在管柱內(nèi)均勻分布，管柱內(nèi)液體主要以液滴為主;斜井段中，液體重力與氣流作用力方向的差異，導(dǎo)致在管柱底部形成較厚的液膜;而在水平井段中，管柱底部液膜厚度遠(yuǎn)大于井管柱頂部，分層流是主導(dǎo)流型。

2.1 直井段模型分析

垂直油管內(nèi)，液滴在曳力和重力的相互作用下沿井筒方向移動(dòng)，氣體對(duì)液滴的曳力與液滴的沉降重力相等時(shí)的氣體流速即臨界攜液流速?；诖怪惫苤⒌臄y液模型主要有Turner模型和李閩模型 [1]兩種。Turner模型是建立在高速氣流攜帶的液滴是圓球形的基礎(chǔ)上，適用于水氣比非常高、流態(tài)屬霧狀流的氣液井。李閩認(rèn)為在高速氣流的作用下，氣流攜帶的液滴前后存在壓差，導(dǎo)致液滴變形成橢球體。

Turner模型和李閩模型假設(shè)前提的不同在公式上表現(xiàn)為系數(shù)的差異，我國(guó)氣田技術(shù)人員一般以Turner模型公式計(jì)算結(jié)果的1/3為參考確定氣井的實(shí)際臨界流速和流量。中江氣田氣井產(chǎn)水量不大，以凝析水為主，水氣比范圍為0.1～2.5 m3/104m3，平均水氣比為0.6 m3/104m3，水氣比較低。從經(jīng)驗(yàn)分析和水氣比來(lái)看，李閩模型更符合中江氣田實(shí)際生產(chǎn)情況。

公式（2）為李閩模型：ρl、ρg為液相、氣相密度，kg/m3;σ為氣液表面張力，N/m。

2.2 斜井段模型分析

在斜井段中，由于水平方向上受力不平衡，所以液滴沿水平方向發(fā)生位移，移動(dòng)至靠近管壁位置后沿管壁滑動(dòng)形成液膜，此時(shí)液體以液膜和液滴兩種形式分別沿管壁流動(dòng)和被夾帶在中心湍動(dòng)氣流中。據(jù)此，國(guó)內(nèi)外研究人員分別提出了液滴模型、液膜模型及Belfroid模型3種斜井段臨界攜液模型 [2]。

楊功田等人 [2-3]通過(guò)建立斜井段模擬裝置，將液滴模型、液膜模型及Belfroid模型公式計(jì)算得出的臨界攜液流量值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同井斜角的臨界攜液流量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比 [3]。如圖1所示，Belfroid模型公式計(jì)算的臨界攜液流量值隨井筒井斜角變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和中江氣田氣井實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)Belfroid攜液模型公式進(jìn)行擬合修正，得到修正后的臨界攜液流速公式：

公式（3）為Belfroid修正模型：α為井斜角，°。

2.3 水平井段模型分析

在水平管柱中，液體由于重力作用在較短的距離內(nèi)就會(huì)沉降在水平井段底部，主要以液膜的形式沿著井底向氣流方向移動(dòng)。基于液膜的流動(dòng)與分布機(jī)理，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了分層流模型、攜帶沉降機(jī)理模型及Kelvin-Helmholtz波動(dòng)理論模型3種水平井段攜液模型 [4-5]。

肖高棉等人 [2-5]通過(guò)建立水平管柱氣液兩相流模擬裝置，觀察水平管柱中氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象，總結(jié)出了不同壓力、流量、水氣比條件下的水平管柱臨界攜液流量變化規(guī)律，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與分層流模型、攜帶沉降機(jī)理模型和K-H波動(dòng)理論模型公式計(jì)算得出的臨界攜液流量進(jìn)行對(duì)比。如圖2所示，攜帶沉降機(jī)理模型計(jì)算值較大，分層流模型的計(jì)算值則偏小，而K-H波動(dòng)理論模型的計(jì)算值和變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近。在此選用基于K-H波動(dòng)理論模型的臨界流速公式作為水平井段連續(xù)攜液臨界流速公式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和中江氣田氣井實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)K-H攜液模型進(jìn)行擬合修正得到公式（4）（K-H修正模型）：

3 簡(jiǎn)化計(jì)算公式

從臨界流速和臨界流量的計(jì)算公式可以看出，影響氣井?dāng)y液的因素有井口壓力、油管內(nèi)徑、井斜度、氣液密度、溫度和界面張力，其中井口壓力和油管面積對(duì)臨界攜液流量的影響最大。Turner、李閩等人認(rèn)為氣液密度、界面張力和溫度等在本文研究范圍內(nèi)對(duì)臨界流速和臨界流量的影響不大 [1]。

中江氣田氣井井口壓力主要在2～20 MPa，在研究的壓力范圍內(nèi)，平均壓縮因子為0.85，溫度取323 K，水的密度取1 074 kg/m3，天然氣相對(duì)密度取0.6，水氣界面張力取0.06 N。

天然氣密度ρg=3 484.4■，γg為天然氣的相對(duì)密度。將確定的參數(shù)代入臨界攜液流量和臨界攜液流速公式中，得到簡(jiǎn)化公式（直井段李閩公式和斜井段Belfroid修正公式及水平段K-H修正公式）：

4 應(yīng)用分析

將由極限油套壓差法和液面監(jiān)測(cè)判斷出的積液狀態(tài)標(biāo)注在臨界攜液流量與日產(chǎn)氣關(guān)系圖上（如圖3至圖6所示），對(duì)角線以上為未積液區(qū)域，對(duì)角線以下為積液區(qū)域。從圖3可以看出，接近積液的氣井投在積液區(qū)域的中部，說(shuō)明在直井段Turner模型公式計(jì)算結(jié)果偏大。圖4中李閩模型公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相吻合，驗(yàn)證了在直井段中李閩模型的有效性。圖5、圖6為選用公式計(jì)算的斜井和直井臨界攜液流量與日產(chǎn)氣關(guān)系，數(shù)據(jù)分布范圍與實(shí)際積液狀態(tài)分布十分吻合。對(duì)中江氣田55口低壓氣井進(jìn)行分析，符合率達(dá)93%，證明所選模型及修正公式能有效預(yù)測(cè)中江氣田氣井積液狀況。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)總結(jié)分析，選用李閩模型、Belfroid模型、K-H波動(dòng)理論模型分別作為直井段、斜井段和水平井段的臨界攜液模型，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)攜液模型公式進(jìn)行修正以適用于中江氣田氣井。

（2）在前人研究成果的基礎(chǔ)上，給出了中江氣田氣井臨界攜液流量的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，只要得到井口壓力、油管內(nèi)徑和井斜角度，即可計(jì)算出該井的最大臨界攜液流速和流量，便于現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

（3）將中江氣田55口不同井型氣井的計(jì)算結(jié)果與通過(guò)油套壓差法和液面監(jiān)測(cè)判斷得出的積液情況進(jìn)行對(duì)比分析，符合率達(dá)93%，驗(yàn)證了本文選用的臨界攜液模型能有效預(yù)測(cè)中江氣田氣井的積液狀態(tài)。

參 考 文 獻(xiàn)

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