氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型的建立

摘要: 本文重點(diǎn)介紹了一種基于天然氣在氣井中管流和積液特征的氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)分析天然氣在氣井中的垂直管流以及垂直管流中舉升能量的來(lái)源和消耗與舉升關(guān)系、積液特征來(lái)建立氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型，旨在有利于目前我國(guó)天然氣的開發(fā)和利用。

關(guān)鍵詞: 天然氣田開發(fā)積液氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型

1.引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)于天然氣的需求將大幅度上升。據(jù)專家預(yù)測(cè)，到2010年，我國(guó)天然氣的需求量將達(dá)到1000—1400千萬(wàn)立方米，而開采能力僅為800—1000千萬(wàn)立方米。為實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，加快實(shí)現(xiàn)油氣并舉戰(zhàn)略，保證下游用戶對(duì)天然氣量的需求，就我國(guó)一定要加快天然氣的開發(fā)步伐。

2.天然氣在氣井中的垂直管流

(1)天然氣在氣井中的垂直管流

天然氣從地層中流到井底后，還必須從井底上升至井口才能采出地面，我們一般把天然氣從井底流向井口的垂直上升過(guò)程，稱為氣井的垂直管流。在垂直管流過(guò)程中，因?yàn)閴毫蜏囟炔粩嘞陆担淞黧w的流動(dòng)形態(tài)就隨之發(fā)生變化，從而影響到舉升的效果。

對(duì)于不產(chǎn)油(或很少)、不產(chǎn)水的純氣井，井筒天然氣一般呈單向氣流。而對(duì)于存在兩相或多相流動(dòng)的氣水同產(chǎn)井和凝析氣井，氣液混合物在上升過(guò)程中，隨著壓力、溫度的逐漸降低，氣體不斷膨脹、冷凝、分離，則形成各種不同的流動(dòng)形態(tài)。

①氣泡流:當(dāng)氣量相對(duì)較小，流速不大時(shí)，氣體以氣泡狀存在于液體中。

②段塞流:當(dāng)氣液體積較大，速度較小時(shí)，混合物出現(xiàn)含有氣泡的液柱和含有液滴的氣柱互相交替的狀態(tài)。

③過(guò)渡流:當(dāng)氣液體積比較大，流速較大時(shí)，則液體沿管壁上升，而氣體在井筒中心流動(dòng)，氣流中還可能含有液滴。

④環(huán)霧流:當(dāng)氣液平均流速很大時(shí)，液體呈霧狀分散在氣相中。

在實(shí)際采氣中，同一氣井可能同時(shí)出現(xiàn)多種流態(tài)。如在水量較大的氣井中，油管下部為氣泡流，當(dāng)氣泡上升時(shí)，由于壓力降落而膨脹，體積增大并互相結(jié)合成大氣泡，充滿油管整個(gè)截面積，因而轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?隨著混合物的上升，壓力不斷下降，氣相體積繼續(xù)增大，氣段伸長(zhǎng)，漸漸突破氣段之間的液段，使液相成為液滴分散于流動(dòng)的氣相中，并且有薄層液相沿管壁流動(dòng)，形成環(huán)霧流。在一般情況下，氣井的流態(tài)多為環(huán)霧流，油氣井則常見段塞流。

(2)垂直管流中舉升能量的來(lái)源和消耗與舉升關(guān)系

從地層中流入井底的流體若是純氣相，則容易舉升至地面，但是在一般情況下，地層中流入井底的氣體都混有凝析油、凝析水或地層水等液體，把這些混液氣體舉升到地面則要消耗一定量的能量。

氣井舉升流體(氣、油、水)出井口的能量來(lái)源主要是井底流動(dòng)壓力和氣體的彈性膨脹能;能量消耗主要是流體本身的重力、流動(dòng)摩擦阻力、井口回壓(油壓)和滑脫損失。

氣體的膨脹能一方面是攜帶、頂推液體上升的動(dòng)力，另一方面又出于氣液之間產(chǎn)生的滑脫現(xiàn)象而增加滑脫損失。

流動(dòng)摩租隨流速、產(chǎn)量的增大而增大，汽液混合物在油管中的上升速度為:氣泡流<段塞流<過(guò)渡流<環(huán)霧流。

氣井中的滑脫損失與以下因素有關(guān):

①流動(dòng)形態(tài):氣泡流>段塞流>過(guò)渡流>環(huán)霧流。

②油管直徑:油管內(nèi)徑越大，滑脫現(xiàn)象越嚴(yán)重，滑脫損失越大。

③氣液比:舉升一定量的流體，氣量越大，滑脫損失越小。

只有當(dāng)流體從地層中帶入井底的能量大于舉升消耗的能量時(shí)，舉升才能正常進(jìn)行，即井底流壓+氣體膨脹能>氣液柱重力+摩阻損失+滑脫損失+井口回壓。

3.積液特征

氣井中液體主要來(lái)自氣態(tài)烴類的凝析作用(凝析液)、地層中儲(chǔ)集層的地層水或?qū)娱g水。也就是說(shuō)，井筒積液有兩個(gè)明顯的液體來(lái)源:一是隨天然氣進(jìn)入到井筒的游離液體，二是由于井筒熱損失導(dǎo)致天然氣凝析形成的液體，如液態(tài)烴和水都可能存在，這與具體的儲(chǔ)層條件有關(guān)。氣井中液體通常是以液滴的形式分布在氣相中，流動(dòng)總是在霧狀流范圍內(nèi)，因?yàn)闅怏w是連續(xù)相流動(dòng)，而液體則是非連續(xù)相流動(dòng)。因?yàn)樘烊粴馔ǔＴ诰驳纳喜窟_(dá)到它的露點(diǎn)，所以凝析液初期主要滯留在井筒的上部，當(dāng)氣相不能提供足夠的能量使井筒中的液體連續(xù)流出井口時(shí)，液體就會(huì)在氣井井底形成積液，增加對(duì)氣層的回壓。氣井隨積液增加，產(chǎn)量降低，氣井無(wú)法將液體滯留在井筒上部時(shí)，液體泡沫柱隨之崩潰，落入井底。高壓井中液體以段塞形式存在，它會(huì)損耗更多的地層能量，限制氣井的生產(chǎn)能力。在低壓井中積液可完全壓死氣井，造成氣井水淹關(guān)井，使氣藏減產(chǎn)。

在對(duì)氣井井筒積液的研究中，人們提出了能將氣流中最大的液滴攜帶到地面的最低流速這一課題。1969年Turner建立了液滴和其他模型對(duì)氣帶液?jiǎn)栴}進(jìn)行了研究，最后以液滴模型為依據(jù)提出了計(jì)算氣流攜帶液滴的最低氣體流速公式。假設(shè)油管內(nèi)的流動(dòng)符合牛頓液體的流動(dòng)規(guī)律，當(dāng)氣流速度等于液滴沉降的最終速度時(shí)，液滴就能攜帶到地面，井底就不會(huì)發(fā)生液體積聚。當(dāng)井筒內(nèi)氣體實(shí)際的流量小于連續(xù)排液所必需的臨界流量時(shí)，氣流就不能將進(jìn)入井筒的液體和在井內(nèi)析出的液體全部排除井口，這部分液體會(huì)在井底聚積，增加井底壓力，降低氣井產(chǎn)量，甚至使井停噴。

氣井?dāng)y液最小流量是壓力和溫度的函數(shù)，井底的壓力和溫度都較高，而井口壓力和溫度則較低。壓力高的氣體的密度大，氣井?dāng)y液需要的流量大，而溫度小也會(huì)使氣體的密度大，同樣會(huì)使氣井?dāng)y液需要的流量增大。因此，在實(shí)際氣井中是井底攜液需要的流量大還是井口攜液需要的流量大，與井的條件有關(guān)。

如果氣井的實(shí)際井口流速和井底流速大于對(duì)應(yīng)的氣體臨界流速，則氣體能帶水。相反，如果氣井的實(shí)際井口流速和井底流速小于對(duì)應(yīng)的氣體臨界流速，則氣體不能帶水。井底出現(xiàn)積液是見水氣井的積液條件。

4.氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型的建立

(1)建立模型的方法

地層出液垂直氣井的井筒流動(dòng)狀態(tài)呈現(xiàn)兩相流，而兩相流態(tài)又分為泡流、段塞流、過(guò)渡流和環(huán)霧流四種。對(duì)于以產(chǎn)氣為主的出液氣井來(lái)講，井筒內(nèi)液體流態(tài)主要是以液柱、液滴和霧的形式被氣流攜帶出地面。可以假定井筒內(nèi)的液體是以直徑大小不同的液滴被攜帶到地面，然后對(duì)液滴在氣流中受力情況進(jìn)行分析，這樣就可以建立液滴模型。

(2)模型的建立過(guò)程

從牛頓流體力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)看，氣流中液滴主要受三種力的作用，即液滴自身重力、氣體對(duì)液滴的懸浮力和氣體在流動(dòng)過(guò)程中對(duì)液滴的攜帶力。

液滴在氣流中的浮力F■和液滴的自重力G可以合稱為液滴的沉降重力G■，那么就有:

5.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種可用于天然氣田開發(fā)的氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型，它能夠以最精確的計(jì)算和分析方法深化開展氣藏開發(fā)研究，力求最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn):

[1]馮叔初.油氣集輸與礦場(chǎng)加工.山東:中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.

[2]李長(zhǎng)俊.天然氣管道輸送.北京:石油工業(yè)出版社，2000.