基于临界携液流速识别井筒积液方法研究及优化

刘金海 余焱群 王本升 舒笑悦

（1.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300450；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛 266580；3.中国石油大学(华东)海洋物探及勘探设备国家工程实验室，山东 青岛 266580；4.电子科技大学成都学院，四川 成都 611731）

0 引言

致密气也称致密砂岩气，是指渗透率小于0.1 mD的砂岩地层天然气，与页岩气、煤层气同为世界公认的三大非常规天然气。与常规气藏不同，致密气藏由于其特低孔、低渗的储层物性和近源成藏的成藏特征，造成其储层含水饱和度高且气井普遍产水［1-2］。致密砂岩气具有产气量开始较大，但稳产、高产时间较短，衰减较快的特征，随着产气量的降低，大部分气井存在井筒积液问题，导致了单井产量迅速下降、生产时间缩短以及水淹停产等现象［3-4］。对井筒积液情况的准确判断是气井开展排水采气作业的重要前提［5］。

积液过程是一个渐进的过程，如果能够较早地判断出气井的积液状况并及时采取排液措施，可以有效地减轻积液对气井生产的影响，提高气井的采出程度［6］。开展致密气井的井筒积液识别模型适应性分析，提高井筒积液的识别率，可以为致密气井的排液采气及生产管理措施优化等提供理论和数据支持。

1 现有模型及局限性

油套压差法、流态判别法、动能因子法、临界流速法是目前常见的积液诊断方法，其中：油套压差法基于积液后增加气藏回压、气井生产动态产生明显变化来判别，该方法适用于短期内异常波动的气井积液判断；流态判别法认为气井一般在环雾流状态下正常携液，但是流态判别影响因素较多，分析较为复杂，准确率低于70%。动能因子［7］描述了气水两相在油管内的流动特征，反映了气井具备的能量，从而体现了生产气井的携液能力；但是，受管流截面中液相占比不易确定，以及井底参数的测试或计算准确性的影响，使得采用动能因子法预测井筒积液的准确率一般为60%～75%。

临界流速法是判断井筒积液应用范围最广的方法，也是目前井筒积液识别准确率较高的方法。在气流中自由下落的液滴，受到一种趋于破坏液滴的力的作用，而液滴表面张力却趋于使液滴保持完整，这两种压力对抗能够确定可能得到的最大液滴直径与液滴沉降速度关系。

临界流速法认为，气流流速决定了气流的携液能力，气流流速达到临界携液流速，液滴可被气体带出。

临界流速vc为［8］：

式中，vc为携液临界流速，m／s；c为临界携液流速系数，无因次；σ为表面张力系数，N／m；ρL为液体密度，kg／m3；ρG为气体密度，kg／m3。

气体连续携液时，液滴是液相存在的主要形式，各国学者基于不同液滴形状，理论推导或实验回归等方法得到不同的模型系数c值，代表性模型的c值如表1所示［9-10］。

表1 临界流速法携液模型c值表

由式（1）可见，临界流速vc与临界携液流速系数c处于比例正相关关系，临界携液模型中的c值对临界流速vc影响较大。表1显示不同液滴模型的临界携液流速系数值相差较大，而液滴形式与井筒流速密切相关，液滴形式以及这些形式之间的转换难于界定，并且这些液滴形式均是一种优化结构后的理想状态，因此c值的选择（也即是临界流速法模型的选择）具有较大的争议。

2 临界携液充要条件模型

临界流速法判断井筒积液较为简单，但是存在上述局限性，针对具体区块的气井排采参数，很难选择完全贴合的临界携液模型。基于临界流速法，补充判别条件，修正判别依据，是提高井筒积液识别率的有效途径。

2.1 充要条件建立

临界携液流速系数越大，判断井筒“积液”越保守，也就是识别井筒“未积液”越准确；同样的道理，临界携液流速系数越小，判断井筒“未积液”越保守，即识别井筒“积液”越准确。文献［11］中提供了26 口井现场数据，采用上述模型计算发现：李闽模型判断为“积液”井，现场测试一定“积液”；Turner模型判断“未积液”井完全与现场相符；剩余井各模型判断准确性都不高，积液判别正确率在40%～60%，显然这一类井积液识别率过低，模型必须进一步优选或修正。

临界携液流速给出了气体携液的必要条件，满足该条件，说明气体具备将部分液体携出井筒的能力，但不能完全保障产出气将井筒的液体全部携出，即如果气井流速大于气体临界携液流速，井筒仍然会积液。

井筒气体流速［12］：

式中，vs为天然气流速，m／s；Qg为产气量，m3／d；Tw为井筒温度，K；Zw为井筒条件下的压缩因子，无因次；di为油管内径，m；Pw为井筒压力，Pa。

产出气连续携液的必要条件为：vs＞vc。

产出气将产出液全部携出作为气携液的充分条件，气井的气液比参数能够反应气携液能力，因此，在低气液比的情况下引入气液比作为修正项，建立气携液充分条件下的修正气体携液临界流速模型为：

式中，vsc为充分条件下的携液临界流速，m／s；vcz为综合临界流速，m／s；k为修正系数，无因次；Hc为参考气液比，m3·d-1／m3·d-1；Hg为识别气井的气液比，m3·d-1／m3·d-1。

产出气连续携液的充分条件为：vsc＞vc。

对于（3）式相关参数确定步骤：

1）收集产量数据、流静压测试数据及液面判识结果，采用代表性临界流速模型试算，选择积液判别符合率最高的模型（或加权平均）确定vc中的c 值，作为综合临界流速vcz。

2）基于井筒多相流模拟，根据不同的井筒结构确定参考气液比Hc。

3）Hg≥Hc时，修正系数k取0～1。

4）Hg＜Hc时，修 正 系 数k赋 初 值Hg／Hc，试算、调整。

2.2 应用效果

针对文献［11，22］中的26口井，通过李闽模型判断“积液”井（5 口）及Turner 模型判断“未积液”井（5口），剩下的16口井采用气携液的充要条件式（3）判别。

式（3）中vcz采用表1 中模型判别结果加权平均，加权平均能够综合考虑液滴形状以及流型流态的影响，计算c值为4.39；Hc取值为8 000～45 000 m3d-1／m3d-1，分段迭代获取，计算结果如表2所示。

表2 新模型判别井筒积液情况表

综上所述，基于临界携液充要条件识别井筒积液方法，步骤如下：①采用Turner 模型识别“未积液”气井；②采用李闽模型识别“积液”气井；③剩余气井采用气携液的充要条件判别。

新方法识别井筒积液结果与表1各模型的识别结果如图1所示。

图1 各模型判别井筒积液率对比图

由图1可见：基于临界携液充要条件识别井筒积液方法，判断井筒积液的正确率达到88.5%，尤其是判断李闽模型识别的“积液”及Turner 模型识别的“未积液”所剩之井，采用产出气携液的充要条件判断井筒积液正确率达到81.2%，显著好于其他各种模型判断符合率（40%～60%）。

3 结论

1）临界流量法只是提出了气携液的必要条件，并没有解决最大携液量的问题，因此该方法对大气液比井的积液判断准确率较高，而对于中低气液比的气井积液识别率仅为50%左右，采用气携液的充要条件判别井筒积液，积液识别正确率可提升到81.2%。

2）笔者提出采用李闽模型筛选“积液”井及Turner 模型筛选“未积液”井，其他井采用气携液的充要条件判别，整体上井筒积液识别的正确率达到88.5%，能够满足现场井筒积液识别率的要求。