不同工況下井筒中油氣水三相流型預(yù)測(cè)研究

池 明，馬文敏，黃 超，郭 玲，杜軍軍，關(guān)子越

1中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依

2昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明

3中國石油新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依

1. 引言

不同工況下井筒中油氣水三相流型預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確開展井筒多相流壓力計(jì)算的基礎(chǔ)，按照不同的流動(dòng)形態(tài)來研究氣液兩相流的規(guī)律，是目前常用的方法[1]。迄今，在研究流型方面，不同的研究者用了快速攝影、探針等多種方法，但流型的劃分總歸還是靠人的肉眼觀察判斷[2]。不同的學(xué)者對(duì)流型的觀察理解不同，流型的劃分也有所不同[3] [4]。目前對(duì)于垂直上升管中的流型劃分就有幾十種，部分常用的流型劃分方法如表1。

Table 1. Common flow pattern division methods for vertical wells表1. 垂直井常用流型劃分方法

井筒中油氣水三相流流型劃分方法眾多，適應(yīng)性各不相同，需要進(jìn)一步展開特定研究，以期明確井筒中三相流流型狀況，并建立流型劃分綜合有效模型及流型劃分界限，為實(shí)際方案制定及決策優(yōu)化提供依據(jù)[12] [13] [14]。

本文采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與理論研究相結(jié)合的方法針對(duì)不同傾角、氣液比工況下井筒中油氣水三相流型開展了詳細(xì)研究，在明確不同工況下傾斜管及垂直管中油氣水三相流流型總體分布基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析氣液多相管流機(jī)理研究，結(jié)合現(xiàn)有井筒油氣水三相流流型劃分界限建立了流型綜合劃分模型，并檢驗(yàn)了該模型的有效性。

2. 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

2.1. 實(shí)驗(yàn)方法

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用中石油氣舉實(shí)驗(yàn)基地多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將一定比例的油、氣、水三相通過泵注入實(shí)驗(yàn)管柱，觀察流體流型，測(cè)實(shí)驗(yàn)管段壓差、持液率、粘度、氣液比等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)管柱傾角、流體粘度、流體溫度、含水率、氣液比等按實(shí)際條件調(diào)節(jié)。

2.2. 實(shí)驗(yàn)裝置及參數(shù)

1) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

中石油氣舉實(shí)驗(yàn)基地多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以開展油、氣、水等多種流體，在30°～90°傾角、常溫90℃，常壓3.5 MPa、液流量0～500 m3/d，流體粘度0～1000 mPa·s、氣流量0～50000 m3/d 范圍內(nèi)多相流動(dòng)態(tài)研究。實(shí)驗(yàn)裝置及流程示意圖如圖1 所示。

Figure 1. Flow chart of multiphase flow experimental device圖1. 多相流實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

2) 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為了掌握流體流型變化規(guī)律，需要挖掘大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)特定氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合相似原理確定實(shí)驗(yàn)條件，在增加多種條件下的測(cè)試內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為25℃、0.5 MPa 下，含水率(%)分別為20、60、100，液量(m3/d)分別為3、5、10、15，傾角(°)為30、60、90，氣液比(m3/m3)為1000、2000。

3. 不同工況井筒油氣水三相流流型研究

油氣水三相在井筒流動(dòng)過程中，各相的相對(duì)數(shù)量和分布狀態(tài)不同會(huì)形成不同流型，而不同的流型具有不同的流動(dòng)規(guī)律。研究流型明確井筒中詳細(xì)的流動(dòng)物理現(xiàn)象，構(gòu)建反映物理現(xiàn)象本質(zhì)的、更為準(zhǔn)確的關(guān)聯(lián)方程，從而提出更好的理論模型指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。

3.1. 不同工況井筒多相流流型實(shí)驗(yàn)流型

基于對(duì)多相管流流型的調(diào)研及前期研究，實(shí)驗(yàn)過程中依托觀察與高速攝像機(jī)結(jié)合的方法準(zhǔn)確判斷流型，實(shí)驗(yàn)過程中針對(duì)不同傾角、不同氣液比開展重復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傾斜管及垂直管的主要流型為：

1) 傾斜管：氣泡流、段塞流、攪動(dòng)流、環(huán)霧流；

2) 垂直管：氣泡流、段塞流、攪動(dòng)流、環(huán)霧流。

傾斜管和垂直管的流型相似，傾斜管和垂直管流型圖片如圖2 所示。

Figure 2. Flow pattern picture of inclined pipe (vertical pipe). (a) bubbly flow; (b) slug flow; (c) churn flow; (d) circumferential fog flow圖2. 傾斜管(垂直管)流型圖。(a) 氣泡流；(b) 段塞流；(c) 攪動(dòng)流；(d) 環(huán)霧流

3.2. 實(shí)驗(yàn)條件下流型劃分研究

通常為了表征多相流研究中如管徑、流量、氣液比、壓力、溫度等相關(guān)參數(shù)共同對(duì)流型的影響，一般采用液體表觀流速和氣體表觀流速來對(duì)多相流的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究[15] [16]。為了得到不同傾角、氣液比條件下流型變化規(guī)律，首先以液體表觀流速為縱坐標(biāo)，氣體表觀流速為橫坐標(biāo)，采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，在借鑒各研究學(xué)者給出的流型劃分界限基礎(chǔ)上，給出實(shí)驗(yàn)條件下不同流型之間的劃分界限[17]。

不同研究學(xué)者對(duì)斜井中的氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了研究，并且都給出了綜合機(jī)理模型。綜合機(jī)理模型能夠預(yù)測(cè)直井以及斜井中的流型。由于機(jī)理模型是從流動(dòng)的機(jī)理出發(fā)，具有較好的適用性，因此，借鑒已有的流型劃分方法來確定實(shí)驗(yàn)條件下的流型劃分界限[18] [19] [20]。

1) 泡狀流與段塞流之間的轉(zhuǎn)變

Kaya 等人[21]通過總結(jié)和分析泡狀流的流動(dòng)特性，給出了泡狀流向段塞流的轉(zhuǎn)變界限公式：

式中：vsg——?dú)怏w表觀流速，m/s；vsl——液體表觀流速，m/s；φ——空隙率；lρ——液相密度，kg/m3；gρ——液相密度，kg/m3；θ——傾斜角度，°。

泰特爾等人[9]通過實(shí)驗(yàn)指出，空隙φ=0.25可作為泡狀流到段塞流的轉(zhuǎn)變界限，因此，泡狀流到段塞流的轉(zhuǎn)變界限為：

式中：vsg——?dú)怏w表觀流速，m/s；vsl——液體表觀流速，m/s；lρ——液相密度，kg/m3；gρ——液相密度，kg/m3；θ——傾斜角度，°；σ——表面張力，mN/m。

將實(shí)驗(yàn)觀察到的泡流和段塞流與巴尼[10]等人泡狀流與段塞流的轉(zhuǎn)變界限繪制在同一圖上，30°、60°、90°的流型劃分界限和數(shù)據(jù)如圖3、圖4、圖5 所示。

Figure 3. The boundary division of bubble flow and slug flow at an inclination angle of 30°圖3. 傾角30°泡流-段塞流界限劃分

Figure 4. The boundary division of bubble flow and slug flow at an inclination angle of 60°圖4. 傾角60°泡流-段塞流界限劃分

Figure 5. Boundary division of bubble flow and slug flow at an inclination angle of 90°圖5. 傾角90°泡流-段塞流界限劃分

從圖中可以看出，給出的泡流-段塞流流型劃分界限與實(shí)驗(yàn)得出的泡流與段塞流的轉(zhuǎn)變相符得較好。

2) 段塞流與攪動(dòng)流之間的轉(zhuǎn)換

坦格斯達(dá)爾等[22]詳盡地研究了擾動(dòng)流，根據(jù)飄移流動(dòng)方法建立了一個(gè)新的適合于鉛直和傾斜管線的轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則，段塞單元的總體空隙度為：

Kaya 等人[21]采用歐文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即認(rèn)為泰勒氣泡區(qū)的空隙率約為0.78，段塞流會(huì)向攪動(dòng)流轉(zhuǎn)變，得出的段塞流到擾流的界限為：

將實(shí)驗(yàn)觀察到的段塞流和攪動(dòng)流與段塞流和攪動(dòng)流的轉(zhuǎn)變界限繪制在同一圖上，30°、60°、90°的流型劃分界限和數(shù)據(jù)如圖6、圖7、圖8 所示。

Figure 6. The boundary division of slug flow and agitated flow at an inclination angle of 30°圖6. 傾角30°段塞流-攪動(dòng)流界限劃分

Figure 7. Slug flow-disturbing flow boundary division at an angle of 60°圖7. 傾角60°段塞流-攪動(dòng)流界限劃分

Figure 8. The boundary division of slug flow and agitated flow at an inclination angle of 90°圖8. 傾角90°段塞流-攪動(dòng)流界限劃分

從圖中可以看出，段塞流-攪動(dòng)流流型劃分界限(常用的方法[24])與實(shí)驗(yàn)條件下觀察到的段塞流與攪動(dòng)流的轉(zhuǎn)變基本相符。因此，選用段塞流-攪動(dòng)流流型劃分界限相關(guān)式作為本實(shí)驗(yàn)段塞流與攪動(dòng)流流型劃分界限。

3) 攪動(dòng)流與環(huán)霧流之間的轉(zhuǎn)換

Hasan 和Kabir [11]通過對(duì)鉛直管中氣液兩相流動(dòng)流型轉(zhuǎn)變的機(jī)理分析，得出了判別擾流與環(huán)霧流的判別準(zhǔn)則，并提出判別方法。根據(jù)液滴在拖拽力和重力之間平衡原理，結(jié)合Turner [25]研究成果可以得出在鉛直井筒中，流型轉(zhuǎn)變界限如下：

此界限只適用于垂直管，實(shí)驗(yàn)中需要考慮角度，因此先根據(jù)不同角度、不同含水率條件下的流行轉(zhuǎn)變的平均值，再對(duì)公式進(jìn)行擬合，進(jìn)而得到攪動(dòng)流與環(huán)霧流的轉(zhuǎn)變界限。不同傾角、不同含水率攪動(dòng)流-環(huán)霧流轉(zhuǎn)變氣體表觀速度如表2 所示。

角度(°) 30 30 30 60 60 60 90 90 90含水(%) 100 60 20 100 60 20 100 60 20 vsg(m/s) 12.54 21.11 12.55 12.16 12.13 12.19 11.73 11.96 11.79

經(jīng)過擬合得到攪動(dòng)流與環(huán)霧流的轉(zhuǎn)變界限為：將實(shí)驗(yàn)過程中的攪動(dòng)流和環(huán)霧流與擬合出的攪動(dòng)流和環(huán)霧流轉(zhuǎn)變界限繪制在同一圖上，不同角度的流型界限如圖9、圖10、圖11 所示。

Figure 9. Delimitation of agitating flow-circular fog flow at an inclination angle of 30°圖9. 傾角30°攪動(dòng)流-環(huán)霧流界限劃分

Figure 10. Boundary division of agitating flow- circular fog flow at an inclination angle of 60°圖10. 傾角60°攪動(dòng)流-環(huán)霧流界限劃分

Figure 11. Boundary division of agitated flow at an inclination angle of 90°-circular fog flow圖11. 傾角90°攪動(dòng)流-環(huán)霧流界限劃分

4. 流型劃分綜合模型檢驗(yàn)

在前人的研究成果基礎(chǔ)上[26]，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了如下流型劃分綜合模型如下：

泡狀流到段塞流的轉(zhuǎn)變界限為：

攪動(dòng)流與環(huán)霧流的轉(zhuǎn)變界限為：

將不同條件下實(shí)驗(yàn)觀察得到的流型數(shù)據(jù)和流型劃分模型繪制出來，如圖12 到圖20 所示。由圖可以看出，給出的流型劃分界限與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

綜合前人的研究成果和本研究所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，修正了泡狀流-段塞流、段塞流-攪動(dòng)流、以及攪動(dòng)流-環(huán)霧流的流型轉(zhuǎn)換界限模型；通過將流型轉(zhuǎn)換界限模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，表明研究得出的不同傾角流型劃分綜合模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

Figure 12. Dividing boundary of flow pattern with inclination angle of 30° and water content of 20%圖12. 傾角30°、含水20%流型劃分界限

Figure 13. Dividing boundary of flow pattern with inclination angle of 30° and water content of 60%圖13. 傾角30°、含水60%流型劃分界限

Figure 14. Dividing boundary of flow pattern with an inclination angle of 30° and water content of 100%圖14. 傾角30°、含水100%流型劃分界限

Figure 15. Boundary of flow pattern with inclination angle of 60° and water content of 20%圖15. 傾角60°、含水20%流型劃分界限

Figure 16. Boundary of flow pattern with an inclination angle of 60°and 60% water content圖16. 傾角60°、含水60%流型劃分界限

Figure 17. The boundary of the flow pattern with an inclination angleof 60° and a water content of 100%圖17. 傾角60°、含水100%流型劃分界限

Figure 18. Dividing boundary of flow pattern with inclination angleof 90° and water content of 20%圖18. 傾角90°、含水20%流型劃分界限

Figure 19. Dividing boundary of flow pattern with an inclination angle of 90° and 60% water content圖19. 傾角90°、含水60%流型劃分界限

Figure 20. Dividing boundary of flow pattern with inclination angle of 90° and water content of 100%圖20. 傾角90°、含水100%流型劃分界限

5. 結(jié)論與建議

通過對(duì)不同傾角及氣液比工況下井筒中油氣水三相流流型的分析研究，得出如下結(jié)論：

1) 在一定工況范圍內(nèi)(管徑60 mm、液量3～15 m3/d、氣液比200～2000 m3/m3)，傾斜及垂直井筒中油氣水三相流型分布為氣泡流、段塞流、攪動(dòng)流、環(huán)狀流、環(huán)霧流四種流型；

2) 綜合眾多學(xué)者研究成果和本研究，重建了傾斜及垂直井筒油氣水三相流流型中泡狀流-段塞流、段塞流-攪動(dòng)流、以及攪動(dòng)流-環(huán)霧流的流型轉(zhuǎn)換界限模型；通過將流型轉(zhuǎn)換界限模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)重建的不同傾角流型劃分方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

建議：

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)是在低壓下開展的，對(duì)于實(shí)際井筒高溫高壓的實(shí)際工況，該模型的應(yīng)用有待于進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)與完善。

基金項(xiàng)目

1) 云南省科技廳青年基金，頁巖氣井氣流攜液機(jī)理數(shù)值模擬研究(KKSQ202005031)；

2) 云南省省級(jí)項(xiàng)目，水平氣井氣水流動(dòng)規(guī)律研究(KKSY201805021)；

3) 中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，低壓低產(chǎn)氣井配套采氣工藝技術(shù)研究。