基于液膜反转的定向井临界携液模型研究.pdf
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1、2024年第14卷 第1期油气藏评价与开发PETROLEUM RESERVOIR EVALUATION AND DEVELOPMENT基于液膜反转的定向井临界携液模型研究于相东1,石书强2,李国良1,房金伟1,段传丽1,齐 丹1(1.中国石油渤海钻探工程公司油气合作开发分公司,天津 300457;2.重庆科技大学石油与天然气工程学院,重庆401331)摘要:气井积液是苏里格区块大斜井开采中后期面临的一个重要难题,目前适用于定向井的临界携液模型研究较少,且常用携液模型忽略了管径、液体流速和角度的影响。借助多相管流实验开展了定向井携液机理实验,分析了管径、角度、液体流速等因素对气井积液的影响规律,
2、并根据液膜反转机理,在BELFROID模型和WALLIS模型基础上,利用实验数据拟合出了WALLIS模型中参数C和m的计算方法,并考虑管径、气体密度、液体密度、角度、液体表观流速、重力加速度等参数,建立了新的临界携液模型,新模型在预测VEEKEN文献中62口积液气井时结果显示,准确率为91.94%,新模型的建立不仅是液膜反转理论的进一步完善,同时也为定向井积液时机的预测提供理论支撑。关键词:定向井;积液;管径;携液模型;积液时机中图分类号:TE35文献标识码:AResearch on critical liquid loading model for directional wells bas
3、ed on liquid filminversionYU Xiangdong1,SHI Shuqiang2,LI Guoliang1,FANG Jinwei1,DUAN Chuanli1,QI Dan1(1.Oil&Gas Cooperation and Development Company,CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited,Tianjing 300457,China;2.School of Petroleum Engineering,Chongqing University of Science&Technology,Chong
4、qing 401331,China)Abstract:Liquid loading in gas wells is an important challenge during the middle and later stages of exploitation of large inclinedwells in Sulige Block.Current critical liquid carrying models suitable for directional wells are limited and often overlook the effectsof tubing diamet
5、er,liquid flow velocity,and angle.Utilizing multiphase pipe flow experiments,the liquid carrying mechanism indirectional wells was studied,analyzing the effects of tubing diameter,angle,and liquid flow velocity on liquid accumulation in gaswells.Based on the liquid film reversal mechanism,the calcul
6、ation method of parameters C and m in the WALLIS model wasderived using experimental data on the basis of the BELFROID model and WALLIS model.A new critical liquid-carrying modelhas been established by considering the factors such as pipe diameter,gas density,liquid density,angle,apparent liquid flo
7、w rate,and gravitational acceleration.The results of the new model for predicting 62 gas wells with liquid loading in VEEKEN s literatureshow an accuracy of 91.94%.The establishment of this new model not only further refines the theory of liquid film reversal but alsoprovides theoretical support for
8、 predicting liquid loading events in directional wells,offering a valuable tool for optimizing gasproduction and mitigating liquid loading issues.Keywords:directional well;liquid loading;pipe diameter;liquid-carrying model;time of liquid loading引用格式:于相东,石书强,李国良,等.基于液膜反转的定向井临界携液模型研究J.油气藏评价与开发,2024,14
9、(1):151-158.YU Xiangdong,SHI Shuqiang,LI Guoliang,et al.Research on critical liquid loading model for directional wells based on liquid filminversionJ.Petroleum Reservoir Evaluation and Development,2024,14(1):151-158.DOI:10.13809/32-1825/te.2024.01.020收稿日期:2023-08-17。第一作者简介:于相东(1981),男,本科,高级工程师,主要从事
10、油气田开发工作。地址:内蒙古鄂尔多斯市乌审旗鸿沁路苏里格生产指挥中心,邮政编码:017300。E-mail:通信作者简介:石书强(1990),男,博士,讲师,主要从事排水采气理论与技术研究。地址:重庆市沙坪坝区大学城东路20号,邮政编码:401331。E-mail:基金项目:重庆市教委科学技术研究项目青年项目“超深井注天然气-水两相流流动规律及压力模型研究”(KJQN202301527);重庆市教委科学技术研究项目青年项目“深层页岩气水平井泡沫携液规律及泡排使用界限研究”(KJQN202101542);渤海钻探2022年博士创新基金项目“低渗致密气藏大斜度井携液机理及数学模型研究”(2022B
11、C75F)。1512024年第14卷 第1期于相东,等.基于液膜反转的定向井临界携液模型研究气井积液是气井开采中后期面临的一个重要难题,随着地层压力的衰竭、边底水的锥进,气体流速逐渐降低,当气体流速不足以携带井筒中的液体时,井筒开始积液,气井一旦积液,将严重影响气井的正常生产,甚至出现水淹停喷的现象。因此,准确预测气井积液时机对于气井的高效开采至关重要1。苏里格区块属于典型的低渗致密气藏,且气藏水体分布复杂,目前苏里格区块定向井占比高达15%,其中苏20、苏25、苏49和苏76区块已积液气井占比达到21%,严重制约了气井的正常生产,大幅降低气井产能。因此,准确预测气井积液时机对提高苏里格区块气
12、井产量至关重要。常见的 TURNER 等2-4液滴模型并不适用于苏里格区块定向井(现场定向井井斜角低于45,主要集中在30左右),现场试验结果表明,常用的液滴模型预测结果偏低,误差较大,主要是由于角度的存在使得液滴无法在管道中长距离运移,最终液滴会撞击管壁形成液膜。表1为不同携液模型考虑因素汇总,李闽等5-14对液滴形状、曳力系数、安全系数以及模型系数进行了修正。1969年,WALLIS等15提出了液膜反转是气井积液的主要原因,之后BELFROID等16-18开展了倾斜管气井携液机理研究,在TURNER模型基础上添加了角度修正项从而建立了适用于水平井的临界携液模型,但该模型仍然是液滴模型的延伸
13、,未考虑液体流量(Ql)对临界携液流速的影响,与实验观察相悖。虽然BARNEA提出了较为完善的机理模型,但由于机理模型计算复杂、需要的条件苛刻,导致其适用性较差19。为建立适用于定向井的临界携液模型,开展了不同管径、液体流速、气体流速、角度条件下气井积液与携液测量实验。1实验装置及参数范围1.1实验系统为研究定向井积液与携液机理,设计并搭建了实验装置。图1为实验流程,由供液系统、供气系统、测控系统和实验架组成,其中实验架包括有机玻璃管、标尺、2个压力传感器、实验支架等,实验支架可实现任意角度条件。供气系统包括螺杆式空压机、储气罐、气体流量计、压力计等。供液系统包括水箱、液体泵、液体流量计。实验
14、测控系统包括无纸记录仪、电脑,其中无纸记录仪可同步计量液体流量、气体流量(Qg)、压力数据,实现数据的实时同步测控,保证了实验的准确度,同时配备有高速照相机,可实时拍摄管道中液体流动状态。井型直井水平井模型TURNERCOLEMAN李闽杨川东王毅忠王志彬潘杰熊钰周德胜WALLISBELFROIDBARNEASHI李丽模型原理及特点圆形球体,曳力系数0.44,经典模型圆形球体,曳力系数0.44,井口椭球体,曳力系数1,井口圆形球体,曳力系数0.44,井底,安全系数1球帽状,曳力系数1.17椭球体椭球体,考虑液滴形变和界面自由能椭球形,Cd采用Gp模型多液滴模型液膜模型在液滴模型基础上进行了修正,
15、提出了液膜反转思想提出液膜均匀分布的环状流转换边界,机理模型球帽型考虑了雷诺数的影响模型考虑参数、g、l、g、l、g、l、g、l、g、g、l、g、l、Cd、K、We、g、l、Cd、K、g、l、Cd、K、We、g、l、Hl、g、l、g、l、g、g、l、fi、g、l、Cd、Re表1不同携液模型考虑因素汇总Table 1Summary of factors to consider in different liquid-carrying models注:为界面张力,单位N/m;g为气相密度,单位kg/m3;l为液相密度,单位kg/m3;mg为气相黏度,单位mPas;Cd为曳力系数;We为韦伯数;Re
16、为雷诺数;g为重力加速度,单位m/s;fi为摩擦力系数;Hl为持液率,单位%;为与水平的夹角,单位();K为安全系数。1522024年第14卷 第1期于相东,等.基于液膜反转的定向井临界携液模型研究7869123154513101112141617图1定向井积液与携液流动模拟实验流程Fig.1Flow chart of simulation experiment for liquid loadingand carrying flow in directional wells注:1.水箱;2.液体泵;3、7.调节阀;4.液体流量计;5.液相进口;6.气体流量计;8.储气罐;9.空气压缩机;10、
17、11、12.压力传感器;13.标尺;14.可调节实验支架;15.测控系统;16.实验管道;17.高速照相机。1.2实验范围实验管道采用是内径为50、62、76 mm的有机玻璃管,总长度7 m,为消除入口效应的影响,压力计和照相机流动规律拍摄点离入口距离2 m,实验介质为空气和水,气体流量介于0.1300.0 m3/h,液体流量介于0.120.0 m3/h,压力介于00.8 MPa,温度为室温,角度介于530(根据苏20、苏25和苏76区块的46口定向井数据获得见图2),为方便观察倾斜管中积液与携液规律,选用的是透明的有机玻璃管,且贴有刻度。为了准确计量气体流量,在气体流量计后,安装了压力传感器
18、10,其主要目的是用来折算实验管道中气相流速,高速照相机可拍摄倾斜管气液两相流动规律。2实验现象及结果2.1气体流量对积液的影响规律分析本次实验重点研究倾斜管中气井积液与携液流动规律。因此,分别进行了15、30、45时气井积液与携液流动规律测量实验研究,图3是倾斜角为15时(与垂直法线方向夹角),不同气量条件气液流动规律,本次实验中观察到,当液体流量较低时(0.2 m3/h),气量为180 m3/h时,液体以液膜或液滴的形式在管道中连续向上流动,在高气量条件下液体主要以液膜和液滴的形式流动,这主要是由于气体流量较大时,气体对液体剪切力较大,管壁上的液膜会被撕碎成液滴,由于倾斜管中角度的存在,导
19、致液滴无法长距离运移,最后会撞击在管壁上形成液膜,这与FADILI观察的现象一致20。随着气体流量的降低(170 m3/h),气体对液体的剪切力逐渐减小,导致液滴量在逐渐减少,当气体流量进一步降低(120 m3/h),气体剪切力不足以携带液体时,液膜开始反转,此时管道下部逐渐出现液膜聚集现象见图3d。图4和图5分别是角度30和45时积液过程,与15时表现规律一致。图6为气相表观流速与压力梯度关系曲线,可知随着气相表观流速的减少,压力梯度逐渐减小,当气体流速低于9 m/s后出现压力梯度快速增加的现象,这主要由于在高气体表观流速条件下,气体摩擦阻力梯度占据主导作用,随着气体流速的降低,液体重力作用
20、逐渐增强。当气体对液体剪切力不足以携带图2苏20、苏25和苏76区块定向井井斜角范围Fig.2Inclination range of directional wells in Block Su20,Block Su25 and Block Su76051015202530354045井斜角/()井号苏20-1-22苏20-4-21苏20-6-12X苏20-7-2X苏20-7-23X苏20-11-1X苏20-14-23X苏20-17-15X苏20-17-19J苏20-19-6苏25-6-20苏20-24-20苏20-20-9SX苏20-20-10X苏20-21-11X苏20-24-12X苏20
21、-26-15X苏20-28-19X苏25-13-14X苏25-13-16苏25-13-18X苏25-14-23苏25-14-35X苏25-14-37X苏25-14-37NX苏25-14-39NX苏25-15-37苏25-36-25NX苏25-36-25苏25-36-27NX苏25-36-27X苏25-38-15X苏76-4-20X苏76-5-27X苏76-7-32X苏76-8-30X苏76-8-31X苏76-9-12苏76-9-13X苏76-9-15X苏76-9-31X苏25-41-10J苏25-6-18X苏20-23-22SX苏20-15-6X苏20-15-7X1532024年第14卷 第1
22、期于相东,等.基于液膜反转的定向井临界携液模型研究管壁上液膜时,液膜开始出现回落现象,液膜回落瞬间液体与管壁间的摩擦阻力趋于0,由于此时液体整体趋势仍然向上运移,所以摩擦阻力仍然存在。图7为不同气体流量条件下压力梯度变化曲线,可知随着气体流量的减小,压力梯度逐渐增大,且压力梯度波动幅度在逐渐增大。2.2角度变化对积液影响规律分析从图3b、图4b、图5b可以看出,在相同条件下,随着倾斜角度的增大,管壁上液膜厚度的分布均匀度降低,这主要是由于随着角度的增加,重力作用逐渐增强,靠近管壁下部的液膜厚度逐渐增加。从图3c、图4c、图5c可知,随着倾斜角度的增加,管壁下部液膜厚度逐渐增大,液膜开始发生反转
23、时所需的气体流量逐渐增大,临界携液气量逐渐增加。图8为不同角度条件下的压力梯度变化曲线(Ql=0.2 m3/h,Qg=150 m3/h),可知随着角度的增大,压力梯度逐渐减小,同时波动幅降低。图9为不同角度条件下临界携液流速,可知随着倾斜角度的增加,临界携液流速逐渐增大,这主要是由于随着角度增加管道下部液膜厚度逐渐增大,携带液体需要更大的临界携液流速。2.3液体流量对积液影响规律分析对 于 倾 斜 管 来 讲,液 滴 模 型 已 不 再 适 用,BELFROID在TURNER模型基础上添加角度项进行a.Qg=180 m3/hb.Qg=170 m3/hc.Qg=120 m3/hd.Qg=40 m
24、3/ha.Qg=180 m3/hb.Qg=170 m3/hc.Qg=125 m3/hd.Qg=40 m3/h图3倾斜角为15 时积液过程Fig.3Liquid loading process at 15图4倾斜角为30 时积液过程Fig.4Liquid loading process at 30图5倾斜角为45 时液积液过程Fig.5Liquid loading process at 45a.Qg=180 m3/hb.Qg=170 m3/hc.Qg=130 m3/hd.Qg=40 m3/h04008001 2001 6002 0002 400246810121416压力梯度/(Pa/m)气相表
25、观流速/(m/s)vsl=0.01 m/s注:vsl为液相表观流速,单位m/s。vsl=0.049 m/svsl=0.098 m/s图6气相表观流速与压力梯度关系曲线Fig.6Gas superficial velocity and pressure gradientrelationship curves压力梯度/(Pa/m)2 0004 0006 0008 000010203040506070时间/sQg=5 m/hQg=80 m/hQg=20 m/hQg=110 m/hQg=40 m/hQg=180 m/h图7不同气体流量条件下压力梯度变化曲线Fig.7Pressure gradient
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