水平井連續攜泡臨界氣流速實驗研究

古洪興++鄧琪++張弛越++饒哲丞++劉遨

摘 要：泡排已成為氣田產水氣井最主要的排水采氣工藝，在排除井底積液，維持氣井穩產方面發揮了重要作用。為認識產水氣井添加泡排劑后井筒攜液規律，制作了水平氣井連續攜泡實驗裝置，測試了泡排劑濃度傾斜角對臨界攜泡流速的影響規律，并與不含泡排劑的情況進行了對比。在實驗基礎之上擬合了連續攜泡臨界氣流速計算公式，并對17口水平氣井的積液狀態進行了判斷，積液判斷成功率為83%。該模型的建立為泡排水平井工作制度優化提供了方法。

關鍵詞：水平井 泡沫流 臨界攜泡流速 實驗 模型

中圖分類號：TE3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0041-02

水平井的生產過程中，當氣體不能將產生的液體連續攜帶出井口時，水平井井筒中將產生積液，積液將增加對氣層的回壓， 嚴重限制氣井的的產能，影響氣井的正常生產。因而提高氣井的攜液能力對氣井的正常生產具有重要的意義。加入泡排劑，進行泡沫排水采氣工藝，能明顯的降低臨界攜泡流速，提高攜液能力，從而維持氣井的正常生產。準確計算臨界攜泡流速是判斷泡排工藝是否合理的基礎，而Belfroid模型中提出的計算臨界攜泡流速公式是在常規氣液兩相流動的基礎上推導出來的，水平氣井中泡沫攜液流動機理與常規氣液兩相流截然不同，因此利用該公式計算臨界攜泡流速會產生較大誤差。

為了研究水平氣井連續攜泡臨界氣流速，設計制作了水平氣井泡排管流模擬實驗裝置并進行了實驗研究。分別測試了不同泡排劑濃度，不同井斜角下的臨界攜泡流速，并分析了臨界攜泡流速隨著傾斜角和泡排劑濃度改變的變化規律。同時，利用實驗測試數據，在Belfroid公式的基礎上，推導出適用于水平井的臨界攜泡流速公式，這為水平氣井泡沫連續攜液效果分析提供理論依據。

1 實驗裝置與實驗方法

為了研究不同泡排劑濃度以及不同井斜角對臨界攜泡流速的影響，從而推導出適用于水平氣井的臨界攜泡流速公式，設計了如圖1所示實驗裝置，進行了實驗研究。

實驗管路主要分為進氣系統、進水系統、實驗管段系統和測控系統四個部分組成。其中實驗管段由垂直管段、造斜管段和水平管段三個部分組成，中間的連接的部分使用的可以彎曲的鋼絲管。垂直段長4 m，傾斜段長6 m，水平段長10 m，連接鋼絲管長0.5 m。實驗主要配套裝置包括閥門、注水短節、注氣短節、壓力傳感器、壓差傳感器、超聲波計量水箱、數字式溫度計、氣體渦輪流量計、空氣壓縮機、儲水裝置、儲氣罐和高速攝像儀等。通過同時調節水平段的位置及垂直段的高度可以改變傾斜段角度，實驗管路如圖1所示。

實驗用氣體由空氣壓縮機提供，實驗用水由實驗段中設置的注水短節進水口注入。實驗過程中保持注入水流量不變，調節注入氣量直至實驗段中達到穩定的臨界攜泡狀態，記錄此時的實驗數據。實驗傾斜角在27.6～71.6 °之間，泡排劑濃度為0（不加泡排劑）、0.20%和0.50%。

2 實驗結果分析

2.1 實驗測試結果分析

加藥濃度為0～0.50%下傾斜管臨界攜泡流速如表1所示。從表1可知，不含泡排劑的臨界攜液氣流速為11.5 m/s；隨泡排劑濃度增加，其臨界攜泡流速減小。泡排劑濃度達到膠束濃度0.10%后，臨界攜泡流速隨著泡排劑濃度的增加仍在降低，但降低速度減緩緩慢。當泡排劑濃度達到一定濃度以后，臨界攜泡流速趨于定值；當藥劑濃度達到0.50%時，其所對應的臨界攜泡流速為3.46 m/s，是沒加入泡排劑時的臨界攜液流速的30%左右。

不同泡排劑濃度及井斜角下臨界攜泡流速如表2所示。泡沫臨界攜液流速比是指該泡排濃度下的連續攜泡臨界氣流速與不含泡排劑情況下連續攜液臨界氣流速的比值。

將不同泡排劑濃度及傾斜角下的臨界攜泡流速進行對比如圖2所示。從圖2可以看出，在不加入泡排劑時，隨著傾斜角的增大，臨界攜泡流速先增大后減小。當傾斜角為0～50 °時，臨界攜泡流速隨著傾斜角的增大而增大，當傾斜角為50～90 °，臨界攜泡流速隨著傾斜角的增大而減小，在傾斜角為50 °左右，臨界攜泡流速達到最大。當泡排劑的濃度為0.20%和0.50%，臨界攜泡流速隨著傾角的增加也具有相同的趨勢。

與不加泡排劑相比，當泡排劑的濃度分別為0.20%、0.50%時，臨界攜泡流速都明顯減小，且隨著泡排劑濃度增大，臨界攜泡流速下降的幅度越大。

2.2 測試值與Belfroid計算值的對比分析

結合試驗數據以及Belfroid等人提出傾斜管連續攜液模型，給出了水平井不同濃度連續攜泡臨界氣流速計算式。

不加泡排劑： （1）

加藥濃度為0.20%時：

（2）

加藥濃度為0.50%時：

（3）

3 實例分析

為了驗證推導的修正臨界攜泡流速公式準確性，選取了大牛地17口泡排水平井進行了積液判斷和分析，大牛地現場普遍加藥濃度0.20%，為此選用公式（2）計算水平井連續攜泡臨界氣流量，并與現場連續攜泡井和降壓帶液井的產氣量進行了對比，積液判斷符合率為88.2%，如圖3所示。

將大牛地17口水平氣井的現場測試的產氣量與利用修正公式計算的臨界攜泡流量對比發現，當實際產氣量高于計算的臨界攜泡流量時，水平氣井能通過泡排攜液正常生產。而當氣井的產氣量低于計算的臨界攜泡流量時，通過泡排工藝已不能連續攜液，需通過降壓帶液或關井覆壓的方式來攜液，這說明修正的臨界攜液流速公式能在大牛地氣田得到較好的應用，有利于現場篩選和判斷大牛地氣田水平氣井是否適合進行泡排工藝。

4 結論

（1）實驗測試表明，在不含泡排劑的情況下，隨著傾斜角增大，臨界攜液流速先增大后減小。呈現的趨勢為：當傾斜角為0～50°時，臨界攜液流速隨著傾角的增大而增大；傾斜角為50～90°時，臨界攜液流速隨著傾角的增大而減小；在傾斜角為50 °左右時，臨界攜液流速達到最大。

（2）泡排劑濃度越高，臨界攜泡流速越低；當藥劑濃度達到0.50%時，其所對應的臨界攜泡流速是不含泡排劑情況下臨界攜液流速的30%左右。

（3）基于實驗和Belfroid模型，建立了不同井斜角和濃度下臨界攜泡流速計算式，并利用大牛地現場17口井的生產數據進行了準確性驗證，準確率達到88.2%。

參考文獻

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