基于兩相流模型的直井動態排積液方法研究
——以大牛地氣田為例

姜一

(中石化華北油氣分公司采氣一廠，河南 鄭州 450000)

基于兩相流模型的直井動態排積液方法研究
——以大牛地氣田為例

姜一

(中石化華北油氣分公司采氣一廠，河南 鄭州 450000)

有效排出積液對低壓低產氣井的穩產保產具有重要意義。針對目前大牛地氣田直井積液狀態無動態監測手段、排液方法相對粗糙的缺陷進行排積液方法研究。首先基于兩相流的形成與轉換機理，結合環狀流、過渡流、段塞流、泡狀流4種流態的特征，定義了無積液、井壁積液、井筒積液、井底積液4種積液狀態；其次，通過對比實際產量與各流態的形成邊界以及臨界攜泡流量的大小關系，將4種積液狀態的氣井進一步細分為8類，并將泡沫排水、提產帶液、降壓帶液等排水方法進行組合，制定了針對性的8類排積液方法；最后，實例分析證明該方法在現場應用中取得了良好的效果。

兩相流模型；流態判別；積液狀態；泡沫排水；降壓帶液；大牛地氣田

鄂爾多斯盆地大牛地氣田是典型的低滲、低壓、低產氣田，氣田開發以直井為主，氣井普遍產水，平均產水量0.4m3/d。大牛地氣田普遍應用泡沫排水(簡稱“泡排”)工藝，并圍繞著泡排藥劑優選、泡排影響因素、泡排工藝效果評價等方面開展了廣泛的研究[1～10]。隨著氣田開發進入中后期，多數氣井的實際產量已低于臨界攜泡流量，早期單一的泡排工藝已無法有效排出積液，積液問題造成的井底回壓增加、井筒氣液滑脫效應加劇，氣井難以穩產的問題日益突出。通過分析泡排工藝在大牛地氣田的應用現狀，總結出目前研究存在的缺陷主要有以下兩個方面：第一，井筒積液狀態不明晰，導致選擇的排液方法缺乏針對性；第二，實際產量低于攜泡流量的氣井應當如何有效排液，缺乏系統的方法。

綜上所述，筆者以兩相流模型為基礎，依據4種流態特征定義了4種積液狀態，通過判別實際產量與各流態的形成邊界以及臨界攜泡流量的大小關系，將直井細分為8類，并提出了針對性的排液方法。

1 井筒兩相流模型與直井積液狀態

根據Govier&Aziz[11]、劉通[12]等人的實驗研究，在垂直段井筒中，低液量條件下，氣流速度從大到小，流型依次出現環狀流、過渡流、段塞流、泡狀流。

1)環狀流——無積液狀態。環狀流可以將液滴進行連續攜帶，小液滴在運動過程中，氣流的曳力足以克服液滴自身重力，并呈現出紊流流態分布的特征。液滴在向上運動的過程中逐漸向管壁移動、聚集，形成液膜，在高氣流速度的條件下沿管壁穩定上升。因此在環狀流的流態下，氣井產液可以被完全帶出井筒，不存在積液。

2)過渡流——井壁積液狀態。當氣流速度不足以推動液膜穩定上升時，液膜將發生回流厚度增加，進一步會堵塞氣芯，形成較小的液塞。因此在過渡流的流態下，氣井產液已不能被完全帶出井筒，小液塞反復循環的堆積、回流，井壁上開始出現積液。

3)段塞流——井筒積液狀態。當過渡流的小液塞震蕩上升時，隨著氣量減小、滑脫作用的進一步增加，短小的液塞被聚集的氣泡突破后回流，合并形成長液塞，小液塞尾部的小氣泡互相碰撞，聚合成大氣泡，逐步堆積后形成氣體段塞。因此在段塞流的流態下，大部分氣井產液以長液塞的形態堆積于井筒中，氣液兩相分段上升。

4)泡狀流——井底積液狀態。長段的液塞在上行過程中隨著氣量減小繼續滑脫回流，液塞長度不斷增加最終形成連續液相，并回落至井底。因此在泡狀流流態下，氣體以氣泡形態分布于連續液相中，氣井產液已無法排除井筒。

各種積液狀態下，氣井生產的表觀特征、積液狀態判別依據，以及由判別依據推導得出的氣液表觀流量無量綱方程判別條件[13]如表1所示。

表1 4種積液狀態的表觀特征與判別條件

注：vg為氣相表觀流量，m3/d；vL為液相表觀流量，m3/d；σL為液體表面張力系數；ρL為液體密度，kg/m3;ρg為氣體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

2 針對各種積液狀態的氣井分類與排積液方法

2.1 無積液狀態的氣井分類與排積液方法

當直井井筒的流態為環狀流時，此時氣井可以正常排液生產，不存在積液問題。依據實際生產流量與環狀流邊界流量的大小關系，可以將氣井分為以下2類：

Ⅰ類氣井 實際產量遠高于環狀流邊界流量。可以穩定排液生產，不存在積液問題。

Ⅱ類氣井 實際產量略高于環狀流邊界流量。該類氣井在正常生產情況下，可以穩定排液生產，不存在積液問題，但出現配產下調后，將導致實際產量低于環狀流下邊界流量，既而轉化為過渡流，開始出現井壁積液問題。對于這類氣井所采用的排積液方法為：適當提產帶液。密切關注調產和實時生產數據，一旦低于環狀流邊界流量，則適當開大流量生產，保持流量大于環狀流下邊界流量。

2.2 井壁積液狀態下的氣井分類與排積液方法

當直井井筒的流態為過渡流時，氣井出現井壁積液，依據實際生產流量與過渡流邊界流量、臨界攜泡流量的大小關系，可以將氣井分為以下2類：

Ⅲ類氣井 實際產量遠高于過渡流下邊界流量。對于該氣井所采用的排積液方法為：定期提產帶液。開大流量生產一段時間，排出井壁積液，當產水、油壓恢復后，調回原流量進行生產，如此進行循環。

Ⅳ類氣井 實際產量略高于過渡流下邊界流量，且高于臨界攜泡流量。對于該類氣井采用的排積液方法為：介入泡沫排水。由于處于井壁積液階段，積液量較小，根據積液周期采取定期長間隔泡排的制度，達到排出井壁積液的效果。

2.3 井筒積液狀態下的氣井分類與排積液方法

當直井井筒的流態為段塞流時，氣井出現井筒積液，依據實際生產流量與段塞流邊界流量的大小關系，可以將氣井分為以下2類：

Ⅴ類氣井 實際產量高于段塞流下邊界流量，且高于臨界攜泡流量。對該類氣井采用的排積液方法為：“少食多餐”的泡沫排水。由于處于井筒積液階段，積液量較大，采用短間隔、少劑量的泡排制度，通過氣井的連續排液，及時消除井筒內較長的液塞，防止液塞不斷堆積形成泡狀流。

Ⅵ類氣井 實際產量高于段塞流下邊界流量，但略低于臨界攜泡流量。對于該類氣井采用的排積液方法為：“少食多餐”的泡沫排水制度加提產帶液。由于氣井實際產量已小于臨界攜泡流量，單純通過泡沫排水已無法有效排出積液，因此需要當井筒積液在泡排劑的作用下形成泡沫后進行提產帶液，依靠高于攜泡流量的瞬時流量進行有效排液。通過犧牲一定的生產時率，保持開井流量持續大于攜泡流量生產。

2.4 井底積液狀態下的氣井分類與排積液方法

當直井井筒的流態為泡狀流時，氣井出現井底積液，依據實際生產流量與泡狀流邊界流量的大小關系，可以將氣井分為以下2類：

Ⅶ類氣井 實際產量低于泡狀流上邊界流量，且低于臨界攜泡流量。對于該類氣井采用的排積液方法為：連續泡排輔助降壓帶液。由于處于井底積液階段，積液量較大，已對井底形成了較大的回壓，并且氣井實際產量低于臨界攜泡流量，因此急需通過連續泡排輔助連續的降壓帶液，依靠高瞬時流量帶出泡沫，排出井底積液，以防止氣井水淹。

Ⅷ類氣井 實際產量低于泡狀流上邊界流量，遠低于臨界攜泡流量。對于該類氣井采用的排積液方法為：環空激動、氣舉。處于這種狀態下的氣井已瀕臨水淹，此時油管內積液過多，需要通過環空激動平衡油套環空，降低油管內液柱高度，再結合Ⅶ類氣井的排積液方法，連續進行泡排輔助降壓帶液，排出積液達到復產的目的。

3 實例分析

以大牛地氣田DK13井區一口泡排示例井為例，對該文提出的排積液方法進行應用效果分析。選取開發井A的2016年1～6月生產數據，依據表1中過渡流與段塞流下邊界條件進行計算，對比實際產氣量與各邊界條件如圖1所示。

圖1 開發井A 1～6月井筒流態(積液狀態)圖

通過對比開發井A，1～6月的生產數據與各種流態的臨界條件，可知：

1)1～6月，該井實際產氣量均大于段塞流最小邊界流量，小于過渡流最小邊界流量，井筒內的流態屬于段塞流，積液狀態為井筒積液。

2)1～3月，實際產氣量大于臨界攜泡流量，屬于Ⅴ類氣井；4月產量下降后，實際產氣量低于臨界攜泡流量，屬于Ⅵ類氣井。

3)采取的排積液方法：1～3月采取“少食多餐”的泡沫排水；4～6月采取泡沫排水+控制流量生產。排積液取得效果如圖2所示。

圖2 開發井A 1～6月生產數據圖

4)1～3月采用“少食多餐”的泡沫排水方法，泡排制度為每天套注2L泡排劑，截止3月末，氣井生產穩定，產水連續，油套壓差較小。“少食多餐”的泡沫排水方法對防止井筒內積液加劇、穩定氣井生產起到了積極的效果。

5)4月份下調配產后，平均產量下降2000m3/d，油套壓差開始增大，產液不連續，井筒積液加劇。原先“少食多餐”的泡沫排水方法已不再適用，按照氣井分類，4月末將排液方法調整為“泡排+控制流量生產”，泡排制度為每天套注2L泡排劑，控制流量生產制度為泡排結束4h后即泡排劑與積液充分反應后，將瞬時流量提高100m3/h，生產8h后恢復原流量生產。5～6月較4月份，水氣比由0.32m3/104m3上升至0.598m3/104m3，提升86.8%；油套壓差由3.26MPa降低至1.48MPa，降低54.6%。泡排+控制流量的排液方法，減輕了井壁積液的癥狀，防止了氣井進一步惡化水淹。

4 結論

1)根據井筒兩相流模型與積液狀態定義，可以對大牛地氣田生產直井積液狀態進行預測。在實際生產中利用該文方法對生產數據進行實時監控，可以及時掌握氣井積液動態。

2)依據氣井的積液狀態以及實際產量與臨界攜泡流量的大小關系，將4種積液狀態的氣井進一步劃分為8類，結合各種流態的形成機理，將泡沫排水、提產帶液、控制流量生產、降壓帶液、環空激動、氣舉等方法進行組合應用，制定了針對性的8類系統的排積液方法。在實際應用中，根據氣井生產實際數據與分類標準，可以確定氣井類別，準確地選擇、調整有效的排積液方法。

3)將筆者提出的動態排積液方法在大牛地氣田進行現場應用，通過實例分析可知，取得了良好的排液效果，對低壓、低產氣井的穩產保產，防止低產氣井水淹起到了重要的作用。

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[編輯] 黃鸝

2016-10-20

國家科技重大專項(2011ZX05045)。

姜一(1987-)，男，博士，工程師，主要從事采氣工程研究工作，whatisjimi@163.com.

TE375

A

1673-1409(2017)15-0073-04

[引著格式]姜一.基于兩相流模型的直井動態排積液方法研究[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(15):73～76,81.