氣井水平井井筒積液分析

馮盼盼，陶俊文，李 煒，雷富海，李志敏，李 華

（1. 中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 西安 710018； 2. 中國石油長慶油田分公司安全環(huán)保監(jiān)督部，陜西 西安 710018）

水平井筒內(nèi)氣井?dāng)y液流動的運(yùn)動機(jī)理與垂直井筒中截然不同，因而不能簡單地使用Turner公式或者其修正公式去計(jì)算水平井筒的攜液臨界流量[1-2]。因此利用質(zhì)點(diǎn)分析理論，推導(dǎo)出適合于水平井筒的最小攜液臨界流量計(jì)算公式。同時，隨著可視化技術(shù)的發(fā)展，對氣液兩相流實(shí)驗(yàn)和流態(tài)的劃分也越來越準(zhǔn)確，實(shí)際測量攜液臨界流量成為了可能。從氣液兩相流態(tài)角度考慮，只有霧狀流能近似使井筒中的全部液滴完全攜帶出來。因而根據(jù) Soliiman、Shollenberger等人提出的環(huán)狀流到霧狀流的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則，可以得到不同壓力下霧狀流存在的最小氣量，即為水平井筒的攜液臨界流量[3]。

1 水平井?dāng)y液模型

流體在管柱內(nèi)流動狀態(tài)有四種類型，分別為段塞流、泡狀流、環(huán)狀流和單相流（圖1）。實(shí)際氣藏水平井?dāng)y液臨界流量與井筒長度、直徑、平滑程度都有關(guān)系。在水平井情況下，液滴與管壁距離非常近，緩沖距離短，很容易產(chǎn)生積液。采用液滴質(zhì)點(diǎn)理論求得的水平氣井?dāng)y液臨界流量僅考慮了單個液滴的受力情況，并沒有考慮實(shí)際氣井是大量液滴的集合體，忽略了液滴間和液滴與管壁間的相互影響[4]。根據(jù)氣液兩相流態(tài)機(jī)理可知，氣井?dāng)y液的要求是氣井產(chǎn)出液完全被攜帶出井筒，即氣體和液體要同時能夠被攜帶出來。從這方面考慮，實(shí)際氣液兩相流的幾種流型中，僅有霧狀流能近似地滿足這一條件。因此，要達(dá)到氣井完全攜液必須保證氣井生產(chǎn)時的流型為霧狀流。

圖1 管柱內(nèi)流體流動狀態(tài)示意圖

根據(jù)液滴在氣體中的質(zhì)點(diǎn)理論模型，液滴要在水平井筒中連續(xù)流動，至少要保持液滴能在氣體中懸浮，即要保證氣體對液滴垂直方向產(chǎn)生的舉升力和浮力大于液滴的重力，如圖2所示，即F浮力+F舉升-F重力=F＞0。

圖2 水平管液滴受力分析

舉升力是氣體紊流對液滴在垂直方向上所施加的一個向上的力，當(dāng)氣體流速大到使韋伯?dāng)?shù)達(dá)到臨界值時，速度壓力起主導(dǎo)作用，液滴容易破壞。這里仍使用Turner等認(rèn)為的韋伯?dāng)?shù)30為臨界值。環(huán)狀流轉(zhuǎn)變?yōu)殪F狀流必須使氣體慣性力足夠大，大到足以克服管壁形成液膜的界面張力。Soliman通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出了用修正韋伯?dāng)?shù)去區(qū)分霧狀流和環(huán)狀流，得到了一套環(huán)狀流和霧狀流流態(tài)轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則[5]。Soliman指出修正韋伯?dāng)?shù)大于30為霧狀流，小于20為環(huán)狀流，20～30之間為霧狀和環(huán)狀流過渡段。

根據(jù)液滴在水平管中的受力分析, 推導(dǎo)得出氣藏水平井?dāng)y液臨界流量公式，據(jù)霧狀流和環(huán)狀流轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則, 將水平管氣液兩相流態(tài)引入到氣井最小攜液流量計(jì)算中, 計(jì)算了水平氣井的攜液臨界流量。

液滴重力和浮力差：

Clark和 Bickham水平井筒液滴球形時舉升力一般式：

最大液滴直徑公式：

當(dāng)F舉升大于零時，最小氣體流速公式：

帶入即可都得到相應(yīng)最小攜液產(chǎn)量公式：

式中：C舉升系數(shù)取值0.09；σ氣液界面張力取值0.06N/m。

2 適應(yīng)性分析

進(jìn)而分析水平井不同油管尺寸在不同壓力下所需最低攜液產(chǎn)量，選擇常用管柱2.375 in、2.875 in、3.5 in尺寸來進(jìn)行分析。來進(jìn)一步分析研究區(qū)凝析氣田油管尺寸對氣井的積液影響，運(yùn)用氣水平井極限流量計(jì)算模型作出了不同油管尺寸在不同時期（壓力）下所需最低攜液產(chǎn)量的關(guān)系圖（圖3），并分析圖可知，采用2 7/8in油管生產(chǎn)，最小攜液流量4×104～12×104m3。

圖3 不同流壓和管徑下水平井臨界攜液流量

選擇目前已有壓力梯度測試資料的水平井，分析理論研究與實(shí)際情況的一致性。其中11口水平井中6口井壓力梯度測試時產(chǎn)氣量小于最小攜液產(chǎn)量井，測試范圍皆存在積液，井底壓力梯度約為 1 MPa/100 m。另外5口井氣產(chǎn)量大于最小攜液產(chǎn)量，井底壓力梯度0.22～0.37 MPa/100 m，測試范圍未積液（表1）。表明理論計(jì)算與實(shí)際情況吻合。

表1 研究區(qū)5口直井實(shí)測壓力梯度分析積液情況與最小攜液產(chǎn)量對比

3 應(yīng)用成果

對研究區(qū)27口水平井進(jìn)行積液分析，投產(chǎn)初期（3個月）僅3口存在積液，初期工作制度控制較好。目前25口存在積液，積液情況較普遍（表2）。

對目前產(chǎn)氣量1/2最小攜液量以內(nèi)的井進(jìn)行短期擴(kuò)嘴排液，對產(chǎn)氣量小于1/2最小攜液量井加強(qiáng)動態(tài)監(jiān)測并關(guān)注井口產(chǎn)量壓力變化，防止積液嚴(yán)重而影響單井產(chǎn)量。

表2 研究區(qū)27口水平井初期及目前積液分析

4 結(jié)束語

利用質(zhì)點(diǎn)分析理論，推導(dǎo)出適合于水平井筒的最小攜液臨界流量計(jì)算公式，得到的理論公式所計(jì)算的結(jié)果與壓力梯度測試分析實(shí)際積液情況完全一致。推導(dǎo)的該公式能有效的應(yīng)用于本研究區(qū)進(jìn)行水平井積液分析。

對目前27口水平井分析得到，目前積液情況較為嚴(yán)重，其中25口井存在積液。根據(jù)礦場實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，制定出對目前實(shí)際產(chǎn)氣量大于1/2最小攜液產(chǎn)量的井進(jìn)行短期擴(kuò)嘴排液，以減緩積液情況。并對積液嚴(yán)重的井，為防止過早因積液而停噴，及時進(jìn)行后續(xù)措施，以提高產(chǎn)量和開井率。

［1］李曉平.淺談判別氣井井底積液的幾種方法[J].鉆采工藝，1992，15(2)：41-44.

［2］李閩，郭平，劉武，等.氣井連續(xù)攜液模型比較研究[J].斷塊油氣田，2002，9(6)：39-41.

［3］Li Min，Sun Lei，Li Shilun，et al.New view on continuous removal Liquids from Gas Wells[J].SPE 70016，2001:1-6.

［4］彭朝陽.氣井?dāng)y液臨界流量研宄[J].新疆石油地質(zhì)，2010，31(1)：72-74.

［5］茍三權(quán).氣井井筒積液高度的計(jì)算[J].油氣井測試，2006，15(4)：25-26..