大管径水平管油水两相流动特性试验研究

刘军锋，郭海敏 （油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学），湖北荆州434023）

彭原平，王界益，雪 伟 （中石油西部钻探工程有限公司测井公司，新疆克拉玛依834000）

大管径水平管油水两相流动特性试验研究

刘军锋，郭海敏 （油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学），湖北荆州434023）

彭原平，王界益，雪 伟 （中石油西部钻探工程有限公司测井公司，新疆克拉玛依834000）

因井斜变化、流体密度差异等因素致使水平井井中流体流动特性复杂多变，准确进行水平井生产动态监测成为难题。基于水平管油水两相模拟试验，在完全水平流、上坡流和下坡流情况下，对油和水的分布规律、流型分类、速度剖面和滑脱效应等进行了分析，通过剖析3种不同持率测量仪器的响应规律，制作了速度剖面和滑脱速度等试验图版，能很好地用于判断流体流动特性。

水平管；油水；流动特性；试验研究；持水率；速度剖面；滑脱速度

近年来，因开发成本低、采收率高、钻井和完井技术不断完善等原因，水平井在国内外各油田得到了广泛应用，而相应的水平井动态监测技术还处于起步阶段［1］。国外取得的进展也只是表现在水平井专用测井仪器方面，即采用声、光、电、核等新技术研发或改进的集成化测量仪器［2］。与垂直井相比，水平井井下环境发生了很大变化，因井身起伏，存在完全水平流（井斜角θ＝0°）、上坡流（θ＞0°，流体向上倾方向流动）、下坡流（θ＜0°，流体向下倾方向流动）3种状态。当井中流体为多相流时，因密度差异，轻质相与重质相多呈层状分离，各相在井筒中的分布和流动速度随井斜发生很大变化，致使常规垂直井测井仪器在水平井中的响应产生纵向偏面性，不能真实反映井筒中流体的信息［3］。因此，为实现动态监测资料的准确筛选和产液剖面的精确解释，有必要研究水平井多相流在井筒中的分布规律和速度剖面等流动特性。

1 试验概况

该次试验是在中石油西部钻探测井公司的多相流动模拟装置上进行的。模拟井筒长16.37m，内径124mm，温度12～13℃，压力约0.2MPa，介质为自来水（密度0.9884g／cm3，粘度1.16mPa·s）和柴油（密度0.8263g／cm3，粘度2.92mPa·s）。试验仪器串从上至下依次为扶正器1、电容阵列仪、放射性流体密度计、扶正器2、电容持水率计和笼式全井眼流量计等。设置油水总流量分别为10、30、50、100、300、500m3／d；含水率分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%；井斜角（PD）分别为15、0、－15°；上提测量速度分别为4、8、12、16、20m／min。

2 试验资料分析

2.1 流型划分

受国内外多相流研究历史、现状的影响，目前液－液两相流的研究要略滞后于气－液两相流［4，5］。由于各学者采用的试验方式、分类方法不同，对水平管油水两相的流型分类稍有不同。该次试验结合Trallero等［6］研究成果，根据接触管壁的相态，把流型分为分离流（油、水与管壁均有接触）和分散流（只有某一相与管壁接触，另一相为分散相）两大类，如图1所示。分离流包括分层流、界面混杂分层流、油－水包油；分散流包括油包水、水包油－水、水包油。研究发现，完全水平流时，因密度不同导致油水重力分异而普遍存在层流，低流量时为光滑分层流，当总流量增加时，油水界面间将产生波动，形成界面混杂分层流。随着油流量逐渐增加，含水率逐渐降低时，因水量少，水没有形成单独一层，顶部为单相油，底部为水包油，形成上层油下层水包油；油流量进一步增加时，油变为连续相，水分散在油中，形成水包油；类似，当水流量逐渐增加，含水率逐渐增加时，将依次形成上层水包油下层水、水包油。如图2所示，当总流量较低时，即使微小的井斜变化也会致使油水在管中的分布产生巨大改变，此时流型多取决于井斜角度［7，8］。上坡流时，常以油－水包油、水包油－水和水包油为主；而下坡流时，以分层流和界面混杂分层流为主。

图1 水平管油水两相流型分类

图2 下坡流和上坡流油水两相界面变化

2.2 流体流动特性分析

2.2.1 流体分布和速度剖面

图3为实际起伏井筒中油、水的分布规律和速度剖面示意图，假设流体自右向左流动：①上坡流时，油聚集在管子顶部，油的浮力分量拖着底部的水向上流动，此时，油的速度大于水的速度；当运动至某一位置，油的浮力分量等于或小于水的重力分量时，致使水停止不前或向下流动，从而形成水的循环流动（或称回流），油的速度为正值，水的速度接近于0或为负值；当油和水流量相等时，持水率将大于持油率。②完全水平时，油在顶部，水在底部，油、水的速度差异不大，当油、水流量相等时，持水率约等于持油率。③下坡流时，因水的密度大于油的密度，水向下流动的速度要大于油的速度，当油和水流量相等时，持水率将小于持油率，值得注意的是，类似上坡流水循环流动，此时也会产生油泡的循环流动［9］。试验设定油和水的流量相等时，油和水的流动速度定性对比如表1所示。

表1 油相和水相速度对比

图3 井身起伏时油水分布

研究发现：与垂直井从管子中心向管壁流体流速逐渐减小、速度剖面呈柱状对称分布不同［10，11］，完全水平流时，油、水速度近似相等，速度剖面沿管子横截面依然近似呈对称分布；当井身发生倾斜时，因密度差异致使油水分离，速度剖面在管子横截面上呈非对称分布（上坡流时，速度最大处偏向管子顶部；下坡流时，速度最大处偏向管子底部）。

速度剖面校正系数反映了井筒中各相流体速度分布情况，由定义［12］有：

式中，Cv为速度剖面校正系数，无量纲；Vm、Vt分别为混合流体平均速度和涡轮门槛速度，m／min；Qt为试验计量的总流量，m3／d；PC为管子常数，m2、Va分别为未校正和校正后的视流体速度，m／min。

图4为试验模拟所得到的3种井斜情况在不同含水率（Cw）情况下的速度剖面校正系数Cv与校正后的视流体速度Va之间的关系图。由图4可以看出，随着Va的增加，井筒倾斜时，Cv值先减小后增大；而井筒水平时，Cv值先增大后减小，但Cv值均逐渐趋近于1。

2.2.2 三种持率仪器的响应规律

试验过程中，仪器串采用居中测量，放射性流体密度计和电容持水率计测量的只是管子中心附近的流体，当油、水在管中呈层状分离流动时，放射性流体密度计和电容持水率计只浸没在油相或油水混合层或水相中，使得仪器响应具有一定的纵向偏面性，导致不能真实反映管中横截面上所有流体的信息。当流体呈分散流（油包水、水包油）时，油、水混合相对较均匀，此时放射性流体密度计和电容持水率计响应不受影响。因电容阵列仪采用12个微电容探头组成了一个监测环，测量范围覆盖了管子横截面上的所有流体，使得其响应不受油水分层流动的影响，但当含水率大于40%～50%时，其对油水的分辨能力降低。因此，在试验数据处理分析或以后的生产测井资料解释时，都需要考虑到上述影响因素，预先对测量信息进行优选。

2.2.3 滑脱效应

由上述分析可知，油、水流动速度受倾角变化的影响很大，即两相间存在速度差异，由定义［12］有：

图4 不同倾角下速度剖面校正系数与视流体速度间的关系

式中，vs为油、水之间的滑脱速度，m／min；vso、vsw分别为油、水的表观速度，m／min；Qo、Qw分别为试验计量的油、水流量，m3／d；Yw为根据仪器响应规律优选后的持水率，无量纲；A为井筒横截面积，m2。

图5为试验模拟所得到的3种井斜、不同流量、不同含水率情况下滑脱速度vs与持水率Yw的关系图。由图5可以看出，倾角对滑脱速度的大小有较大影响，上坡流时，滑脱速度多为正值，随持水率的增大而增大；管子水平时，滑脱速度的值虽大于0但趋近于0；下坡流时，滑脱速度多为负值，随持水率的增大而减小。

图5 不同倾角下滑脱速度与持水率间的关系

3 结 论

1）水平管油水两相流型可分为分离流和分散流两大类，完全水平、低流量时以分离流为主，高流量时随含水率的变化以分散流为主，在油水流量相等时，油和水的流动速度、持率近似相等，滑脱速度趋于0，速度剖面沿管子横截面呈对称分布。

2）上坡流时，流型以油－水包油、水包油－水和水包油为主；滑脱速度多为正值；因密度差异，此时易发生水的回流，导致持水率大于持油率，速度剖面呈非对称分布。下坡流时，流型以分层流、界面混杂分层流为主；滑脱速度多为负值；因密度差异，此时易发生油的循环流动，导致持水率小于持油率，速度剖面呈非对称分布。

3）分离流中，居中测量的放射性密度计和电容持水率计的测井响应会产生纵向偏面性；低含水时，电容阵列仪能真实反映流体信息，高含水时，电容类仪器对油水分辨率降低。

［1］韩易龙，吴迪，王海，等.水平井生产测井技术应用［J］.测井技术，2003，27（4）：320～324.

［2］戴家才，郭海敏，何忆成，等.水平井、斜井集流式生产测井试验研究［J］.测井技术，2005，29（6）：493～495.

［3］刘军锋，郭海敏，戴家才.水平井油水两相产液剖面解释方法探讨［J］.石油地质与工程，2006，20（5）：43～45.

［4］金宁德，王微微，胡凌云.模拟井中油气水三相泡状流流型的分形与混沌特征［J］.地球物理学报，2001，44（Z1）：266～274.

［5］王恺，郭海敏，戴家才，等.生产测井油气水三相流动流型研究［J］.地球物理学进展，2008，23（2）：489～492.

［6］Trallero J L，Sarica C.A study of oil／water flow patterns in horizontal pipes［J］.SPE36609，1996.

［7］Flores J G，Chen X T.Characterization of oil－water flow patterns in vertical and deviated wells［J］.SPE38810，1997.

［8］Justin R，Chris L.Pinpointing fluid entries in producing wells［J］.SPE53249，1999.

［9］Lum J Y－L，Al－Wahaibi T，Angeli P.Upward and downward inclination oil－water flows［J］.International Journal of Multiphase Flow，2006，32（4）：413～435.

［10］戴家才，郭海敏，王界益，等.多相流生产测井井斜影响试验研究［J］.石油天然气学报，2006，28（3）：69～71.

［11］Carlson N R，Davarzani M J.Profiling horizontal oil／water production［J］.SPE20591，1990.

［12］郭海敏.生产测井导论［M］.北京：石油工业出版社，2003.

［编辑］ 龙 舟

90 Experimental Study of Flow Behaviors for Oil－water Two－phase in Large Diameter Horizontal Pipe

LIU Jun－feng，GUO Hai－min，PENG Yuan－ping，WANG Jie－yi，XUE Wei

（First Authors Address：Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources（Yangtze University），Ministry of Education，Jingzhou434023，Hubei，China）

Because the fluid flow behaviors was complicated and borehole inclination changes and difference of fluid density in horizontal wells，it was difficult to accurately monitor production performance of the horizontal wells.Based on the simulation experiments of oil－water two－phase in horizontal pipe，the flow characteristics of oil and water，such as phase distribution regularity，flow pattern classification，velocity profile and slippage effect were analyzed under the conditions of complete horizontal flow，upward flow and downward flow.And then，the response characteristics of three different tools for measuring holdup were studied.The experimental chartboard on velocity and profile correction factor and slippage velocity is made up，and it can be effectively used to diagnose the fluid flow behaviors.

horizontal pipe；oil and water；flow behavior；experimental study；water holdup；velocity profile；slippage velocity

book=384,ebook=384

P631.84

A

1000－9752（2012）07－0090－04

2012－04－22

中国石油天然气集团公司“十一五”后三年测井科技项目（2008A－2703）。

刘军锋（1979－），男，2004年大学毕业，博士，讲师，现主要从事生产测井资料处理与解释方面的研究工作。