采氣井筒不同流動(dòng)階段兩相管流流態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

韓 倩，徐 騫，陸俊華

（中國(guó)石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京 210000）

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣液兩相管流的流態(tài)特征研究主要以實(shí)驗(yàn)?zāi)M和理論分析為主，其中對(duì)采氣井筒不同采氣工藝方式下的氣液流動(dòng)規(guī)律及影響因素研究很少，尤其是對(duì)接近生產(chǎn)條件下的流態(tài)特征及影響流動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵因素認(rèn)識(shí)不夠明確。因此，在前期研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)不同采氣工藝和不同流動(dòng)階段的氣液兩相流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析采氣井筒不同流動(dòng)階段的流態(tài)規(guī)律和主要影響因素[1]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

開展不同條件下空氣/水兩相管流流型的水平管流流態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)內(nèi)徑為65 mm、水平段長(zhǎng)為10 m的有機(jī)玻璃管實(shí)驗(yàn)回路，進(jìn)氣系統(tǒng)由螺桿式空氣壓縮機(jī)、液壓管線和儲(chǔ)氣罐組成；進(jìn)水系統(tǒng)包括儲(chǔ)罐、液壓管線和計(jì)量水箱；測(cè)量系統(tǒng)包括壓差傳感器、壓力傳感器、超聲波計(jì)量水箱、數(shù)字式溫度計(jì)、氣體流量計(jì)、高速攝像儀、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)等，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)記錄。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括BK系列噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)、柱塞計(jì)量泵、測(cè)控設(shè)備（氣體渦輪流量計(jì)、液體渦輪流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器）、輔助設(shè)備（注氣、注水短節(jié)、底座及支撐部件）等。

2 實(shí)驗(yàn)原理

氣液兩相流流型是指氣液兩相流體在圓管中混合流動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)出的流動(dòng)型態(tài)。水平管中氣液兩相流流型可分為泡狀流、段塞流、分層流和環(huán)狀流。由于氣液兩相均具有可壓縮性，且氣相為高度可壓縮，因此井筒中的氣液兩相管流流型變化十分復(fù)雜。流動(dòng)氣液流量比是流型變化最主要的控制因素，另外，圓管的幾何尺寸、流動(dòng)過程中的熱量質(zhì)量傳遞以及流體的物理性質(zhì)等也是影響氣液兩相管流流型的重要因素[2]。

3 實(shí)驗(yàn)流程

在溫度20 ℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下開展實(shí)驗(yàn)，從小到大調(diào)節(jié)氣流量，觀察氣液兩相流流型變化，實(shí)時(shí)記錄液流量、氣流量和井底壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)，總結(jié)流型變化情況。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用水和空氣，水由柱塞計(jì)量泵從水池抽出，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)控目標(biāo)流量，通過液體流量計(jì)測(cè)定水量；空氣通過空氣壓縮機(jī)加壓后，經(jīng)過氣體流量計(jì)計(jì)量，再與水混合，一同流入水平井模擬實(shí)驗(yàn)裝置，此時(shí)觀察水平井段內(nèi)氣液兩相流型。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）檢查實(shí)驗(yàn)管路，調(diào)節(jié)水平管位置，使其保持水平；

（2）給定液流量，向水平井氣液兩相管流模擬器注水；

（3）根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求，給定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件，觀察并記錄各井段的流型、井底壓力、傾斜管段壓差，同時(shí)計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)井口氣流量和液流量；

（4）重復(fù)步驟（3），分別完成氣流量為10，20，50 m3/h的模擬實(shí)驗(yàn)；

（5）重復(fù)步驟（2）、（3）、（4），分別完成液流量為0.10，0.15，0.20 m3/h的模擬實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)果與分析

4.1 自噴條件下氣井水平管流流態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

4.1.1 實(shí)驗(yàn)過程

使用螺桿式空氣壓縮機(jī)和柱塞泵進(jìn)行供氣和水，先用空氣壓縮機(jī)將空氣輸送進(jìn)儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐保證了穩(wěn)定的供氣壓力，形成一個(gè)指向井筒方向的壓力降，以模擬自噴條件下的井筒流態(tài)，然后打開進(jìn)氣開關(guān)，氣體從進(jìn)氣系統(tǒng)的注氣短節(jié)注入井筒末端，而水則通過柱塞式計(jì)量泵，進(jìn)入注水短節(jié)。待流動(dòng)穩(wěn)定后，采集工況數(shù)據(jù)，并利用高速攝像儀拍攝流型。在同一實(shí)驗(yàn)條件下，采用多個(gè)進(jìn)口壓力進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。在不同氣量、水量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)氣量分別為10，20，50 m3/h，水量分別為0.10，0.15，0.20 m3/h。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 自噴條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

如圖1所示，在自噴條件下水平管內(nèi)出現(xiàn)的氣液兩相流型主要為分層流，當(dāng)進(jìn)氣量和進(jìn)液量增大到一定程度，會(huì)出現(xiàn)段塞流。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，受重力作用影響，一般液體在管內(nèi)下部流動(dòng)，氣體在管內(nèi)上部流動(dòng)。在流量較小時(shí)，氣液兩相流動(dòng)互相影響不明顯，呈現(xiàn)穩(wěn)定的分層流動(dòng)。只有當(dāng)進(jìn)液量和進(jìn)氣量都增大到一定程度時(shí)，才會(huì)改變流態(tài)，出現(xiàn)段塞流。當(dāng)進(jìn)液量小，進(jìn)氣量大、氣速較快時(shí)則會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀流。

圖1 自噴條件下的分層流、段塞流、環(huán)狀流

4.2 泡排條件下氣井水平管流流態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

4.2.1 實(shí)驗(yàn)過程

首先啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)供氣、柱塞泵供水，在實(shí)驗(yàn)管段中形成氣液兩相流；再在水平段指端注入Y–4型起泡劑，注劑量與進(jìn)水量之比達(dá)到臨界膠束質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.3%；待流動(dòng)穩(wěn)定后，采集工況數(shù)據(jù)，利用高速攝像儀拍攝流型。實(shí)驗(yàn)中要考慮水平段靶點(diǎn)高差影響，調(diào)節(jié)范圍為–5°～5°。在不同氣量和水量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，壓力為0.12 MPa，進(jìn)氣量分別為10，20，50 m3/h，水量分別為0.10，0.15，0.20 m3/h。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 泡排條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

加入起泡劑后，生成了大量泡沫，由于重力作用，泡沫大多位于管道下部，管道上部則是氣體，氣液兩相相互不影響，分層流動(dòng)。由于液量及氣量都增大，形成的泡沫較多，管內(nèi)形成泡沫夾著小段氣泡的段塞流，如圖2所示。

圖2 泡排條件下的泡沫分層流、泡狀段塞流

4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

加入起泡劑后，水平管內(nèi)形成大量的泡沫，氣液兩相流型發(fā)生了一定的變化，流型不再是明顯的分為氣、液兩相，而是形成泡沫流動(dòng)，水平管內(nèi)存在的流型主要是泡沫分層流和泡沫段塞流。實(shí)驗(yàn)中只有當(dāng)進(jìn)液量為0.2 m3/h、進(jìn)氣量為50 m3/h時(shí)，才出現(xiàn)了泡沫段塞流，其他實(shí)驗(yàn)條件下均為泡沫分層流，與自噴條件相比，流型有所不同，說明起泡劑對(duì)水平管內(nèi)氣液兩相流型起到了一定的影響作用。

4.3 氣舉條件下氣井水平管流流態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

4.3.1 實(shí)驗(yàn)過程

采用壓縮機(jī)模擬氣舉排水采氣，先在水平管末端通入一定量的水，模擬井底積液，再通過螺桿式空氣壓縮機(jī)往儲(chǔ)氣罐中注入氣體，保證穩(wěn)定的供氣與足夠的壓力，以模擬連續(xù)氣舉條件，然后通過儲(chǔ)氣罐從注氣短節(jié)往管內(nèi)注氣。儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力大于水平管內(nèi)壓力，從而會(huì)形成生產(chǎn)壓差，使氣體流入井筒內(nèi)帶動(dòng)積液流動(dòng)。同時(shí)柱塞泵按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的流量往水平管內(nèi)持續(xù)注水，保證適當(dāng)?shù)乃髁?，并且通過儲(chǔ)氣罐持續(xù)注入高壓氣體，保證井筒內(nèi)的壓力，模擬氣舉排水采氣時(shí)的狀態(tài)。待流動(dòng)穩(wěn)定后，觀察水平管內(nèi)氣液兩相流型。

4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

4.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從表3、圖3中可以看出，氣舉條件下水平管內(nèi)氣液兩相流型與自噴條件下水平管內(nèi)氣液兩相流型類似，在不同的進(jìn)液量與進(jìn)氣量條件下，氣液兩相流型主要以分層流為主。當(dāng)進(jìn)液量較小、進(jìn)氣量較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀流（表3中序號(hào)3），當(dāng)進(jìn)液量和進(jìn)氣量增大到一定程度時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)段塞流（表3中序號(hào)6和9），實(shí)際影響氣舉條件下井筒流態(tài)的因素主要是注氣量的大小，這是因?yàn)樽饬康拇笮∮绊懢讐毫σ约皻怏w流速，從而影響了水平管內(nèi)兩相流流型。

表3 氣舉條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 氣舉條件下的分層流、段塞流、環(huán)狀流

4.4 電泵液條件下氣井水平管流流態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

4.4.1 實(shí)驗(yàn)過程

電潛泵井下機(jī)組主要包括離心泵、氣體分離器、保護(hù)器、電機(jī)和電纜等，其工作原理是通過潛油電纜將地面電能傳給潛油電機(jī)，潛油電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)潛油泵高速旋轉(zhuǎn)，潛油泵中的每級(jí)葉輪、導(dǎo)殼均使井液壓力逐步提高，在潛油泵出口處達(dá)到潛油電泵機(jī)組要求的舉升揚(yáng)程，所提升的井液通過油管被舉升至地面[4–6]。實(shí)驗(yàn)中采用電潛泵代替柱塞泵供水，以模擬電潛泵條件下水平管內(nèi)氣液兩相流流型。

4.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 電泵液條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從圖4中可以看出，在電泵液條件下只出現(xiàn)了分層流和段塞流，并未出現(xiàn)環(huán)狀流，說明在電泵液條件下，在低進(jìn)氣量與低進(jìn)液量的情況下，氣液兩相各自能更穩(wěn)定地流動(dòng)，而當(dāng)進(jìn)氣量增大到50 m3/h時(shí)，水平管內(nèi)氣液兩相流型也會(huì)發(fā)生變化，形成了段塞流。

圖4 電泵液條件下的分層流、段塞流

5 結(jié)論及建議

（1）自噴條件下，水平管內(nèi)氣液兩相流流型主要是分層流和段塞流，當(dāng)進(jìn)液量小、進(jìn)氣量大、氣體流速大時(shí)會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀流，因此自噴條件要合理控制產(chǎn)量，才能保持較長(zhǎng)的自噴期。

（2）泡排條件下，水平管內(nèi)氣液兩相流流型主

要是泡沫分層流和泡沫段塞流，其中只有當(dāng)進(jìn)液量為0.2 m3/h、進(jìn)氣量為50 m3/h時(shí)，才出現(xiàn)泡沫段塞流，其他實(shí)驗(yàn)條件下均為泡沫分層流。

（3）氣舉條件下，水平管內(nèi)氣液兩相流流型主要為分層流和環(huán)狀流，當(dāng)進(jìn)液量和進(jìn)氣量增大到一定程度時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)段塞流，注氣量的大小是影響氣舉條件下井筒流態(tài)的主要因素，因此調(diào)節(jié)注氣量大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同流型的控制。

（4）電泵液條件下，低進(jìn)氣量與低進(jìn)液量時(shí)水平管內(nèi)氣液兩相流流型為分層流，而當(dāng)進(jìn)氣量增大到50 m3/h時(shí)，水平管內(nèi)形成了段塞流。