气井水平井井筒积液分析

2017-03-19冯盼盼陶俊文雷富海李志敏

辽宁化工 2017年2期

冯盼盼，陶俊文，李炜，雷富海，李志敏，李华

（1. 中国石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西西安 710018； 2. 中国石油长庆油田分公司安全环保监督部，陕西西安 710018）

水平井筒内气井携液流动的运动机理与垂直井筒中截然不同，因而不能简单地使用Turner公式或者其修正公式去计算水平井筒的携液临界流量[1-2]。因此利用质点分析理论，推导出适合于水平井筒的最小携液临界流量计算公式。同时，随着可视化技术的发展，对气液两相流实验和流态的划分也越来越准确，实际测量携液临界流量成为了可能。从气液两相流态角度考虑，只有雾状流能近似使井筒中的全部液滴完全携带出来。因而根据 Soliiman、Shollenberger等人提出的环状流到雾状流的转换准则，可以得到不同压力下雾状流存在的最小气量，即为水平井筒的携液临界流量[3]。

1 水平井携液模型

流体在管柱内流动状态有四种类型，分别为段塞流、泡状流、环状流和单相流（图1）。实际气藏水平井携液临界流量与井筒长度、直径、平滑程度都有关系。在水平井情况下，液滴与管壁距离非常近，缓冲距离短，很容易产生积液。采用液滴质点理论求得的水平气井携液临界流量仅考虑了单个液滴的受力情况，并没有考虑实际气井是大量液滴的集合体，忽略了液滴间和液滴与管壁间的相互影响[4]。根据气液两相流态机理可知，气井携液的要求是气井产出液完全被携带出井筒，即气体和液体要同时能够被携带出来。从这方面考虑，实际气液两相流的几种流型中，仅有雾状流能近似地满足这一条件。因此，要达到气井完全携液必须保证气井生产时的流型为雾状流。

图1 管柱内流体流动状态示意图

根据液滴在气体中的质点理论模型，液滴要在水平井筒中连续流动，至少要保持液滴能在气体中悬浮，即要保证气体对液滴垂直方向产生的举升力和浮力大于液滴的重力，如图2所示，即F浮力+F举升-F重力=F＞0。

图2 水平管液滴受力分析

举升力是气体紊流对液滴在垂直方向上所施加的一个向上的力，当气体流速大到使韦伯数达到临界值时，速度压力起主导作用，液滴容易破坏。这里仍使用Turner等认为的韦伯数30为临界值。环状流转变为雾状流必须使气体惯性力足够大，大到足以克服管壁形成液膜的界面张力。Soliman通过实验验证提出了用修正韦伯数去区分雾状流和环状流，得到了一套环状流和雾状流流态转变准则[5]。Soliman指出修正韦伯数大于30为雾状流，小于20为环状流，20～30之间为雾状和环状流过渡段。

根据液滴在水平管中的受力分析, 推导得出气藏水平井携液临界流量公式，据雾状流和环状流转换准则, 将水平管气液两相流态引入到气井最小携液流量计算中, 计算了水平气井的携液临界流量。

液滴重力和浮力差：

Clark和 Bickham水平井筒液滴球形时举升力一般式：

最大液滴直径公式：

当F举升大于零时，最小气体流速公式：

带入即可都得到相应最小携液产量公式：

式中：C举升系数取值0.09；σ气液界面张力取值0.06N/m。

2 适应性分析

进而分析水平井不同油管尺寸在不同压力下所需最低携液产量，选择常用管柱2.375 in、2.875 in、3.5 in尺寸来进行分析。来进一步分析研究区凝析气田油管尺寸对气井的积液影响，运用气水平井极限流量计算模型作出了不同油管尺寸在不同时期（压力）下所需最低携液产量的关系图（图3），并分析图可知，采用2 7/8in油管生产，最小携液流量4×104～12×104m3。

图3 不同流压和管径下水平井临界携液流量

选择目前已有压力梯度测试资料的水平井，分析理论研究与实际情况的一致性。其中11口水平井中6口井压力梯度测试时产气量小于最小携液产量井，测试范围皆存在积液，井底压力梯度约为 1 MPa/100 m。另外5口井气产量大于最小携液产量，井底压力梯度0.22～0.37 MPa/100 m，测试范围未积液（表1）。表明理论计算与实际情况吻合。