氣井積液預測研究進展

張烈輝 羅程程 劉永輝 趙玉龍 謝春雨 張 琦 艾先婷

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中國石油西南油氣田公司安全環保與技術監督研究院3.中國石油西南油氣田公司川東北氣礦

0 引言

氣井積液是指氣井中由于氣體不能有效攜帶出液體而使液體在井筒中聚積的現象[1]。氣井在生產過程中，氣液兩相由地層流出，經由井筒采出地面。生產早期，氣井產氣量高，氣液兩相以環狀流向上流動，液體以兩種方式攜帶：夾帶于氣芯中的液滴和貼附于管壁的液膜[2]。隨著地層壓力下降，氣井產氣量降低，導致井筒中液體（液滴/液膜）流動反轉不能被帶出地面從而發生積液。現場試井作業表明，井筒積液導致井筒壓力梯度大幅度增加，從而使得產量遞減幅度增大，影響氣井最終采收率[3]。因此，準確預測氣井積液時間并及時采取排水采氣工藝措施對維持低產氣井穩產生產具有重大意義[4-5]。

目前氣井積液研究眾多，但對其機理認識莫衷一是，不同預測模型計算值之間偏差很大，導致現場進行排采工藝設計時缺乏有效的指導。究其根本原因，各機理模型建模時考慮影響因素單一，缺乏與實際氣井生產動態的對比。例如，生產實踐表明，對于低滲透氣藏而言，常用積液預測模型計算值遠大于氣井實際攜液臨界氣量，這與常規氣藏攜液臨界氣量大相徑庭[6-7]。在長慶長北氣田和新疆石西油田的高產能氣井中，液膜反轉模型和Tuner模型具有較高精度；而蘇里格氣田、川西氣田與大牛地氣田等致密砂巖氣藏和長寧—威遠國家級頁巖氣示范區的生產實踐表明，在遠低于Tuner模型預測氣量時，氣井仍能穩定攜液生產，Tuner模型卻無法給出合理解釋。因此，有必要繼續深入揭示氣井積液機理，為有效的排水采氣工藝設計提供理論支撐。為此，筆者總結了目前國內外氣井積液預測方法并對存在問題進行了對比分析，同時指出了目前氣井積液預測所存在的問題并明確了氣井積液研究的發展趨勢。

1 氣井積液預測方法研究現狀及分析

1.1 液滴反轉預測方法

液滴反轉模型是基于單個液滴受力平衡分析而推導得到攜帶液滴所需最小氣流速的方法。液滴在氣芯中的受力與液滴受力面積及氣體對液滴的拖曳相關。因此，液滴反轉模型的關鍵是確定曳力系數和液滴形狀及尺寸。最早的液滴反轉模型由Turner等[8]提出，該模型在假設液滴為球形的條件下，將氣芯對液滴的曳力系數和液滴最大韋伯數分別考慮為0.44和30。此外，為了安全考慮，該模型加了1.2的系數。

針對系數問題，Coleman等[9]對井口油壓低于500 psi （注：1 psi=6.895 kPa）的氣井進行積液研究后發現，Turner模型不加入安全系數更符合低壓氣井積液預測。然而，Guo等[10]認為液滴受力平衡僅僅使液滴懸浮氣井中而不足以帶出液滴，更大的氣流速才能使得井筒不積液，因此在Turner模型的基礎上，還需加入1.2的流動系數。

針對液滴尺寸和形狀問題，Nosseir等[11]認為不同流型（層流/過渡流/湍流）條件下氣芯對液滴的曳力系數不同，而液滴尺寸及形狀仍采用Turner模型的假設。李閩等[12]認為液滴在氣芯中前后壓力不同導致其表面存在壓差促使液滴變形為橢球形，導致其受力面積更大。在實際推導中，該模型將液滴簡化為圓柱體進行微分求解，其系數僅為Turner模型系數的38%。在李閩模型的基礎上，王志彬等[13]基于液滴變形過程中液滴內能變化及對外做功相等，結合韋伯數定義，通過積分較為嚴格地導出液滴變形特征參數與臨界韋伯數的關系，從而得到新的考慮了最大液滴尺寸及液滴變形的系數。此外，王忠毅等[14]將建立了球帽狀液滴的最小攜液臨界氣量模型。譚曉華等[15]就氣流中液滴總表面能與氣體紊流動能的相等關系提出了考慮液量大小和最大液滴直徑對攜液臨界流量影響的新模型。

上述模型均為針對垂直氣井所建立，在水平井中相關研究卻很少。Belfroid等[16]在Turner模型基礎上添加了角度修正項，但他們認為液膜反轉為積液的根本原因。Shi等[17]通過開展實驗觀察液滴形狀在不同傾角下隨尺寸變化情況，提出了基于“半漢堡”形狀液滴分別在垂直段、傾斜段和水平段的攜液臨界氣量模型。Fadili等[18]將液滴在傾斜段的運動考慮為彈性碰撞。他們認為液滴與油管壁碰撞后，其運動方向發生改變，根據其碰撞能量損失可計算其碰撞前所需速度，即攜液臨界氣流速。

1.2 液膜反轉預測方法

近年來，越來越多的實驗和理論研究認為液膜反轉是氣井積液的主要機理。

Belfroid等[16]認為液膜反轉與系統不穩定及流型轉變相互影響且同時發生，并將液膜反轉作為氣井積液的機理。Veeken等[19]采用OLGA瞬態數值模擬軟件和穩態多相流模型對氣井積液進行了研究。通過與現場實際積液氣井對比，發現氣井積液起始與液膜反轉相一致，從而驗證了氣井積液由液膜反轉控制。

以液膜反轉作為氣井積液起始點，許多學者開展了攜液臨界氣流速實驗以提升對氣井積液的認識。Guner等[20]、Alsaadi等[21]、Sarica等[22]、Kelkar等[23]和Wang等[24]系統地開展了傾角、管徑和液量對攜液臨界氣量的定性實驗研究，盡管這些實驗僅從現象和測試數據分析攜液臨界氣流速變化規律，缺乏深入的理論分析，但還是為氣井積液的認識和基于液膜反轉的建模提供了實驗基礎。

盡管基于液膜反轉所開展實驗眾多，但液膜反轉理論模型相關研究很少。在垂直井中，最早由Wallis[25]提出的無因次氣流可作為液膜反轉的判斷準則，但該方法為經驗法則，模型未考慮液量及流體性質等參數對攜液臨界氣量的影響。目前運用最廣泛的模型是Barnea[26]基于液泛研究所提出的液膜厚度模型，其液膜反轉點和臨界氣流速可根據不同液膜厚度計算的無因次剪切力曲線的拐點確定。在水平井中，目前的理論研究均基于傾斜管中均勻分布液膜的假設所進行受力分析而推導出攜液臨界氣量[27-28]。但由于傾斜段中底部液膜更厚，液膜流動及分布更加復雜，該種模型存在一定缺陷。為此，美國Tulsa大學的Luo等[29]基于Barnea在垂直井中液膜厚度的計算方法，采用Paz和Shoham[30]不同傾角下的液膜厚度分布的實驗數據，提出了計算管段底部最大液膜厚度經驗關系式，從而確定了水平井不同傾角下的攜液臨界氣量。此后，Li等[31]、Shekhar等[32]和Wang等[33]在其基礎上分別考慮了角度、內剪切力和液量對液膜厚度的影響，修正或重新擬合了經驗關系式。

1.3 氣井穩定性分析法

由于井筒氣體流量由生產壓差決定，許多學者認為氣井積液應該與生產穩定性相關，因此將節點系統分析方法所確定氣井穩定生產點作為攜液臨界氣量。Greene[34]最早采用油管流出曲線與地層產能方程耦合進行氣井穩定分析，他們將井底流壓與井筒壓力降差值隨產氣量的變化曲線上拐點作為穩定流動時最小產量值，即穩定流動點。1991年，Oudeman[35]采用實際氣井對該方法進行了驗證。2016年，Pagan等[36]將流入流出曲線相切時產氣量作為攜液臨界氣量，其本質與Greene[34]方法相同。而Lea等[1]提出將油管動態曲線（TPC）上最小壓力點作為氣井積液識別方法。同時，他們也指出對于致密氣藏而言，這種方法并不適用，即使流入流出曲線兩個交點均交于最小壓力點右側，氣井仍能穩定生產，這是因為致密氣藏地層壓力響應遲緩。此外，致密氣藏流入曲線難以準確獲取。

1.4 積液預測模型對比分析

液滴反轉模型由于簡單的解析式及較高的精度，廣泛運用于國內外各大氣田。然而，液滴反轉模型卻缺乏實驗和機理上的證實。van't Westende等[37]的研究表明，實驗中觀察到最大液滴尺寸為僅為350 μm，遠小于Turner模型假設所計算的8.5 mm。此外，即使在環狀流/攪動流轉變時，也只有極少量液滴（0.4%）發生流動反轉。Alamu[38]的實驗結果證實在環狀流/攪動流流型轉變時液滴夾帶率所占比例不到5%，這表明液體大部分以液膜形式向上攜帶。因此，液滴反轉模型的合理性有待商榷。

液膜反轉模型在解釋氣井連續攜液機理上更加合理，尤其針對水平井，但該類模型在國內各大氣田現場運用卻仍十分少。這是因為：①液膜反轉模型解析式復雜，現場工程師難以快速準確地做出判斷；②模型在低滲透和非常規氣藏運用中缺乏指導性。液膜反轉模型計算值遠大于Turner模型計算值，而國內川西、蘇里格、大牛地和廣安等氣田氣井在氣量遠低于Turner模型計算值時仍能攜液生產；③管流實驗表明傾角為55°左右液膜最易反轉[39]，該現象被用來解釋水平井更易積液的現象，而實際水平氣井中傾角由90°到0°連續變化，即使井筒中傾角55°處液膜反轉后，氣井更深處的低角度液膜也并未反轉。

為此，部分學者嘗試用節點系統分析法來解釋氣井積液現象。然而，節點系統分析法是基于穩定流動條件下所開展的地層與井筒條件耦合分析，而氣井積液是一個瞬態變化過程。此外，節點系統分析法也無法解釋氣井積液后長時間穩定生產的現場。而對于“最小壓力點”這種方法而言，盡管Zabaras等[40]和Sarica等[22]的兩相管流實驗指出，TPC曲線最小壓力點與液膜反轉點吻合。但van't Westende等[37]、Gunner等[20]和Kelkar等[23]在不同管徑中的實驗卻發現液膜反轉值與最小壓力值并不一致。因此，氣井穩定性與液膜反轉可能并不一致。此外，由于地層參數難以準確獲取以及適用性范圍難以界定，氣井穩定性分析在現場運用推廣缺乏普遍性。

2 積液氣井瞬態數值模擬

雖然液滴反轉和液膜反轉模型用于預測液體在井筒的累積過程，但是氣井積液之后的瞬態變化過程和不帶液生產過程仍有著不同的控制機理。Dousi等[41]基于部分氣井在積液后仍能在低產量條件下“亞穩定”生產，將Turner模型作為積液起始的判斷標準，并假設產氣層以下存在一個液體回注層使得氣井產液與回注達到平衡。他們認為當井筒中液柱達到一定高度后，產層出水量與回注層液量會相等從而達到“亞穩定”生產狀態。然而，Dousi等[41]將地層模型采用“二項式”進行模擬，模型沒有考慮隨時間變化的“瞬態”過程。此后，Chupin等[42]將井筒流動采用OLGA軟件里的瞬態模型進行數值計算，在近井區域分別建立油、氣、水三相的連續性方程和動量方程，并將井底流壓作為內邊界條件并采用IMPES數值方法進行耦合求解。Hu等[43]隨后對該模型進行了升級和優化。此外，Zhang等[44]將波動的井底流壓作為地層瞬態數值模型的內邊界條件，從而在近井區域產生流體回注現象，壓力徑向剖面則出現“U型”的變化曲線。這樣的壓力變化曲線在Liu等[45]的實驗中得到了證明。隨后，Limpasurat等[46]優化井筒內邊界條件，考慮井筒內氣液兩相毛細管力的作用，提出“多相流零流量壓力”的概念來自動判斷液體的產出和回注。

目前，積液氣井瞬態數值模擬積液起始預測是以傳統液滴反轉和液膜反轉模型為判斷的依據。當模型判定氣井發生積液后，模型假設井筒內液體完全累積在井底。此外，井筒與地層耦合過程中，井筒的流動情況僅僅以內邊界條件的方式嵌入地層模型中，并未考慮井筒中壓力波動對地層響應及井筒流動的影響。

3 氣井積液預測存在問題及發展趨勢

3.1 存在問題

前述氣井積液預測研究現狀及分析表明：盡管目前氣井積液預測機理與模型很多，但沒有能夠廣泛推廣和運用的理論。各模型的合理性和適用性也有待進一步的驗證。圖1給出了目前常用積液預測模型在標準狀態條件下不同液流速的攜液臨界氣流速。從圖中可以看出，液膜反轉模型（Barnea模型和Wallis模型）普遍大于液滴反轉模型（李閩模型、Tuner模型和Coleman模型）計算值，不同模型間計算值的偏差也很大。

從國內外已發表文獻[8-9,12]中不同氣田積液氣井數據來看，盡管各模型均存在一定適用性，但同一模型根本無法同時滿足這些氣井的積液預測。尤其是對于低滲透和非常規氣藏的氣井而言，預測攜液臨界氣量值明顯偏大，難以有效地指導現場生產。這些實際情況均表明目前對氣井積液的機理缺乏清晰的認識。因此，氣井積液的機理可能不是只由某單一因素控制，而是井筒流動與地層流動相互作用的結果。此外，目前的研究還存在以下缺陷。

圖1 不同液流速下攜液臨界氣流速圖

3.1.1 微觀研究與宏觀氣井特征不一致

無論液滴反轉模型還是液膜反轉模型，均認為反轉之后氣井就會變得不穩定。然而，在實驗中當液體剛反轉時，部分液體回落，這會使得液體以更厚液膜或更大液滴向上流動。部分回落的液體也并不是一直向下流動，而是當向下流動液體累積到一定程度后，減少了氣體流動通道，使得氣體將液體以較大波紋的形式均勻向上攜帶。因此，液體不會聚集在井底，氣液仍能相對穩定地向上流動，壓力波動及持液率均無明顯上升，這與實際氣井積液時的宏觀特征不符。

3.1.2 液體反轉模型無法解釋氣井動液面的產生

氣井積液，最直接有效的判斷依據為井筒中出現動液面。然而，無論是液滴反轉模型還是液膜反轉模型在解釋氣井出現動液面上均有悖于氣液兩相管流的基本規律。在氣液兩相向上流動過程中，當管徑和流體性質等參數一定的情況下，持液率是關于氣相速度連續平穩變化的函數，即對于穩定流動條件的每一個氣流速只存在一個持液率[47]。對于穩定生產氣井而言，隨著產氣量穩定持續下降，井筒中持液率會逐漸增加，由于液體持續產出，井筒中液體也應該為連續分布，不應該出現明顯液面。如果井筒中有動液面出現，動液面以上井段幾乎為純氣柱，而動液面以下持液率與氣流速相關，當有液體持續產出時，動液面應該持續上漲，液體反轉理論難以解釋。因此，氣井積液（即動液面的出現）應為氣井生產過程中在某一氣量時受到瞬態擾動導致。瞬態變化影響地層產氣量供給，所以對于致密氣藏和頁巖氣藏等，瞬態擾動影響對地層影響更小，因而積液出現時間更晚[48]。

3.2 發展方向

鑒于氣井積液預測方法目前存在的問題，筆者指出了氣井積液預測在實驗及理論方面的發展方向。

3.2.1 實驗研究

將氣井積液時動態特征與實驗管流壓力波動及持液率特征結合起來。考慮氣井積液過程為一瞬態過程，實驗裝置的發展方向應為建立地層—長井筒模擬裝置，同時實驗過程應考慮氣流速瞬時波動變化對井筒氣液界面的影響，探究動液面形成的控制因素。此外，盡量建立長尺寸及高承壓實驗裝置，研究氣液兩相軸向發展變化及壓力對流動的影響。

3.2.2 理論研究

由于液體反轉理論并不能完全解釋氣井動液面形成的過程，因此有必要研究穩定和瞬變條件下氣液兩相管流中液膜形成、變厚、反轉和震蕩回落的過程及現象，深入掌握井底壓力波動規律、持液率瞬態變化規律和井筒液面形成及變化規律，同時建立起合理井筒壓力波動模型，結合地層數值模擬，揭示不同類型氣藏氣井積液的控制機理并建立相應積液預測模型，為氣井排水采氣工藝設計提供理論依據和技術支撐。

4 結論

1）不同積液預測模型計算值之間及不同類型氣藏氣井攜液臨界氣量之間巨大的偏差表明，引起氣井積液的機理不僅僅由單一液體反轉現象造成，而是地層與井筒共同作用的結果。

2）液體反轉理論在解釋氣井出現動液面上有悖于氣液兩相管流的基本規律，氣井動液面的產生與氣井受到瞬態擾動相關。

3）氣井積液預測的發展方向應該是建立地層—井筒耦合實驗裝置，開展瞬態變化實驗，建立合理井筒壓力波動模型，結合地層數值模擬，揭示不同類型氣藏積液的控制機理并建立相應積液預測模型。