气液两相嘴流临界压力测试及模型评价<br/>——以伊朗北阿油田为例

气液两相嘴流临界压力测试及模型评价
——以伊朗北阿油田为例

2021-03-25高强

长江大学学报(自科版) 2021年1期

高强

1.中国石油天然气集团公司气举试验基地,新疆鄯善 832002 2.中国石油吐哈油田分公司工程技术研究院，新疆鄯善 832002

北阿扎德干油田(简称北阿油田)位于伊朗胡齐斯坦省Ahwaz 城市以西约80km，地处伊朗和伊拉克边界。伊朗北阿油田自投产以来，已经连续自喷采油3年多，日产油量都在75000桶(1桶≈0.159m3)以上。随着油田的开发，部分井出现了供液不足、产量大幅下降的现象。为解决这些问题，笔者对北阿油田自喷井生产状态和气液两相嘴流模型进行了深入的研究。国内外著名专家学者根据自己油区条件，建立了很多气液两相嘴流评价模型[1-9]。但由于流体性质和油藏类型的区别，以及模型实验条件和建模思路各异，不同类型的评价模型计算结果有较大差异。

为选取最适合本油田的气液两相嘴流模型，在全油田范围内展开大规模的气液两相嘴流实验，利用测试数据筛选处于临界状态和亚临界状态的油井。对处于亚临界生产状态的13口井进行参数优化，采取有效的措施使其达到临界生产状态，防止油层低于泡点压力生产，导致油层严重脱气。处于临界生产状态的41口油井，根据实际的生产数据对四参数的气液两相嘴流模型进行综合对比。笔者运用相对误差、相关系数和综合评定系数评价各类模型，选取相对最准确的评价模型来模拟计算每口油井的产能，以期为合理调节油嘴直径和延长油井自喷期提供依据和指导。

1 气液两相嘴流模型

油嘴是油气井生产系统中非常重要的组成部分，调节油嘴直径可以控制产量以及地层能量衰竭速度。气液混合物通过油嘴的流动为气液两相嘴流，混合物通过油嘴的能力可用气液两相嘴流模型进行预测。正确预测气液混合物通过油嘴的能力是油气井生产系统中合理应用油嘴工艺的基础，常用质量流速、产气量或产液量表征[10]。气液两相嘴流模型在油气井生产系统中有广泛的应用，具体表现如下:

1)可根据油气井的气液比、产量、含水率、嘴前压力和嘴后压力设计油嘴直径，达到控制油气井产量的目的。

2)根据油气井产量、生产气油比和嘴后压力，结合两相管流压降模型可预测嘴前压力和井筒的压力分布，为油气井生产动态预测提供方法，节省测试费用。

3)井下节流和地面节流的油气井，可以根据油嘴直径大小、气液比、嘴前压力及嘴后压力等参数预测油气井的产量，掌握油气井的生产动态[11]。

目前常用的评价模型主要有Ashford 模型、Ros模型、Achong模型、Gillbert模型及Sachdeva 模型等[1-9]。由于气液两相嘴流的描述要比单相嘴流复杂得多，滑脱速率、含水率、黏度、摩擦阻力及油藏类型等因子都会影响计算结果[12-16]，一般根据测试数据得出的经验公式计算。当流体处于临界流动状态时，油嘴流量不受嘴后压力(即回压)的影响，而只与油压、油嘴直径及生产气油比有关，即:

表1 临界流动时产量方程中的经验系数Table 1 Empirical coefficient in production rateequation for critical flow评价模型abcGillbert0.1950.5461.89Ros0.2820.5002.00Achong0.0890.6501.88Elgibaly & Nashawi0.0510.6771.62童宪章0.2530.5002.00 pwh=aRbpDcQo (1)

式中：pwh为油压，MPa；D为油嘴直径，mm；Qo为产液量，m3/d；Rp为生产气油比，m3/m3；a，b，c为经验常数。

国内外著名专家学者根据自己油区条件及流体性质，建立了很多著名的气液两相嘴流临界模型，其经验常数取值见表1。

2 气液两相嘴流测试

2.1 气液两相嘴流临界状态理论

图1 油气井节流特征示意图Fig.1 Schematic diagram of choke characteristics for oil and gas wells

2.2 测试装置及测试流程

对于嘴流临界状态测试，前人使用室内试验的方法展开模拟[18]，但由于不同的油藏类型、油区特点及流体性质等因素，在实际应用中会出现很大偏差。为获取最符合油田实际情况的Rc，首次运用了现场仪器测试的方式：选取井口压力、产量或油嘴直径均有很大差别的25口油井，主要监测油嘴前后压力、嘴后温度、流量、含水率、产气量和产液量等参数。具体测试参数范围是：油嘴前后压力0～15MPa，精度为0.001MPa；油嘴直径5～20mm；产气量0.1×104～ 10×104m3/d；产液量1～1000m3/d。测试参数通过压力变送器、智能流量计、温度变送器、两相分离器上配套的电磁流量计与雷达液位计、含水分析仪和电动调节阀等现场仪器仪表，利用SCADA系统实现自动控制和采集(见图2)。

图2 气液两相嘴流临界压力测试流程示意图Fig.2 Flow chart of critical pressure test for gas-liquid two-phase flow

具体测试流程为：油井正常生产时，读取嘴前压力(p1)和嘴后压力(p2)，通过SCADA系统远程控制分离器电动调节阀开度，进而设定不同的p2和R21，然后每口井按照预设的R21逐一计量测试，在产量变化区间反复加密测试，以获取最准确的Rc。历时近3个月的现场测试，对所有数据进行统计分析后，最终确定该油田Rc为0.532。当Rc小于0.532时，油井处于临界生产状态；当Rc大于0.532时，油井处于亚临界生产状态。

3 气液两相嘴流模型评价

3.1 产量变化趋势评价

为验证不同气液两相嘴流模型在北阿油田不同生产阶段模拟计算的准确性，选取AZNN-005井对实际日产量与嘴流模型计算的日产量进行对比，结果见图3。

图3 3种模型计算的产液量与实际产液量对比图 Fig.3 Comparison of calculated liquid production and actual liquid production

从图3中可以看出，在2019年8月之前，3个模型计算的产量与现场生产数据具有较好的一致性，计算的产量的变化趋势与实际情况相符。其中Achong模型计算产量的平均相对误差为9.09%，Ros模型计算产量的平均相对误差为12.31%，Gillbert模型计算产量的平均相对误差为11.49%。在2019年8月之后，由于该井处在亚临界生产状态，使用上述模型计算时误差增大，适用性变差。

3.2 产量预测能力评价

由于目前常用的气液两相嘴流评价模型主要针对于临界流态，为避免处于亚临界流态的油井带来的误差，根据试验测得的Rc，剔除R21大于0.532的13口井，剩余的41口井由于处于不同生产阶段，各项生产参数差异较大的数据(见表2)使用Gillbert模型、Ros模型、Achong模型、Elgibaly&Nashawi模型和Surbey-Kelka-Brill模型分别评价。用4个指标定量表征各评价模型对该油田的适应性，分别为平均相对误差δ、平均绝对误差Δ、相关系数η和综合评定系数φ。即：

表2 评价数据取值范围

(2)

(3)

(4)

φ=0.5(1-δ)+0.5η

(5)

式中：Qa,i为第i口井的实际产液量，m3/d；Qc,i为第i口井的模型计算的产液量，m3/d；N为测试总井数;i为第i口测试井,i=1,2,…,N。

表3 不同嘴流模型在油田的适用性评价

由式(2)～(5)可得出不同气液两相嘴流模型在北阿油田的适用性评价表(见表3)，通过定量对比可知，Achong模型的平均相对误差为13.26%，平均绝对误差为15.12%，相关系数为85.54%，综合评定系数为0.86，三项指标均优于其他评价模型，应用Achong模型计算产能和设置油嘴直径更符合该油田的生产特征。

3.3 产量-压力关系评价

当油井处于临界生产状态，且油嘴直径没有变动的情况下，产量与压力呈线性关系，并随着压力的降低而降低。以AZNN-020井为例，各类模型综合评价(见图4)后发现，Achong模型计算的产量-压力关系与实际产量-压力关系曲线最相符，比其他模型评价精度更高。

图4 不同嘴流模型计算的油压与产液量关系同实际情况的对比Fig.4 Relationship between tubing pressure and liquid production

4 应用实例

该油田某油井于2019年4月16日投产，油嘴直径为32/64in(约12.7mm)，配产2000桶/d(约290m3/d)，初期油压为8.124MPa，外输管线压力为0.91MPa。因油嘴直径与配产量严重不匹配，油压短期内下降至3.609MPa，产液量由初期的日产3374桶(约489m3)大幅下降至1754桶(约254m3)。

2019年7月4日对该井的油嘴直径进行调整，参考其他小直径油嘴且处于临界生产状态油井的生产参数，根据井口压力、管线压力、气油比和配产量模拟计算该井的油嘴直径。运用Achong模型计算的油嘴直径为10.164mm；Ros模型计算的油嘴直径为10.755mm；Gillbert模型计算的油嘴直径为11.271mm；Elgibaly&Nashawi模型计算的油嘴直径为10.517mm，最终使用直径为25/64in(约9.922mm)的油嘴。生产参数优化后，该井的实际日产量为2136桶(约310m3)，实际产量与配产量仅相差6.3%(见图5)。其他油井也存在着配产量与实际产量严重不匹配的情况，通过Achong模型计算并优化参数后，平均匹配率误差仅有9.25%，很好地解决了这个问题。