采氣井筒不同流動階段兩相管流流態(tài)模擬實驗

韓 倩，徐 騫，陸俊華

（中國石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京 210000）

目前，國內(nèi)外對于氣液兩相管流的流態(tài)特征研究主要以實驗?zāi)M和理論分析為主，其中對采氣井筒不同采氣工藝方式下的氣液流動規(guī)律及影響因素研究很少，尤其是對接近生產(chǎn)條件下的流態(tài)特征及影響流動規(guī)律的關(guān)鍵因素認識不夠明確。因此，在前期研究的基礎(chǔ)上，通過對不同采氣工藝和不同流動階段的氣液兩相流進行了實驗?zāi)M，根據(jù)實驗結(jié)果分析采氣井筒不同流動階段的流態(tài)規(guī)律和主要影響因素[1]。

1 實驗裝置

開展不同條件下空氣/水兩相管流流型的水平管流流態(tài)模擬實驗。設(shè)計內(nèi)徑為65 mm、水平段長為10 m的有機玻璃管實驗回路，進氣系統(tǒng)由螺桿式空氣壓縮機、液壓管線和儲氣罐組成；進水系統(tǒng)包括儲罐、液壓管線和計量水箱；測量系統(tǒng)包括壓差傳感器、壓力傳感器、超聲波計量水箱、數(shù)字式溫度計、氣體流量計、高速攝像儀、數(shù)據(jù)采集模塊和計算機等，能夠?qū)崿F(xiàn)實時記錄。

實驗設(shè)備包括BK系列噴油螺桿式空氣壓縮機、柱塞計量泵、測控設(shè)備（氣體渦輪流量計、液體渦輪流量計、壓力傳感器、溫度傳感器）、輔助設(shè)備（注氣、注水短節(jié)、底座及支撐部件）等。

2 實驗原理

氣液兩相流流型是指氣液兩相流體在圓管中混合流動時呈現(xiàn)出的流動型態(tài)。水平管中氣液兩相流流型可分為泡狀流、段塞流、分層流和環(huán)狀流。由于氣液兩相均具有可壓縮性，且氣相為高度可壓縮，因此井筒中的氣液兩相管流流型變化十分復(fù)雜。流動氣液流量比是流型變化最主要的控制因素，另外，圓管的幾何尺寸、流動過程中的熱量質(zhì)量傳遞以及流體的物理性質(zhì)等也是影響氣液兩相管流流型的重要因素[2]。

3 實驗流程

在溫度20 ℃、1個標準大氣壓條件下開展實驗，從小到大調(diào)節(jié)氣流量，觀察氣液兩相流流型變化，實時記錄液流量、氣流量和井底壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)，總結(jié)流型變化情況。實驗介質(zhì)采用水和空氣，水由柱塞計量泵從水池抽出，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)控目標流量，通過液體流量計測定水量；空氣通過空氣壓縮機加壓后，經(jīng)過氣體流量計計量，再與水混合，一同流入水平井模擬實驗裝置，此時觀察水平井段內(nèi)氣液兩相流型。具體實驗步驟如下：

（1）檢查實驗管路，調(diào)節(jié)水平管位置，使其保持水平；

（2）給定液流量，向水平井氣液兩相管流模擬器注水；

（3）根據(jù)不同的實驗要求，給定實驗參數(shù)，設(shè)置相應(yīng)的實驗條件，觀察并記錄各井段的流型、井底壓力、傾斜管段壓差，同時計量單位時間內(nèi)井口氣流量和液流量；

（4）重復(fù)步驟（3），分別完成氣流量為10，20，50 m3/h的模擬實驗；

（5）重復(fù)步驟（2）、（3）、（4），分別完成液流量為0.10，0.15，0.20 m3/h的模擬實驗。

4 結(jié)果與分析

4.1 自噴條件下氣井水平管流流態(tài)模擬實驗

4.1.1 實驗過程

使用螺桿式空氣壓縮機和柱塞泵進行供氣和水，先用空氣壓縮機將空氣輸送進儲氣罐，儲氣罐保證了穩(wěn)定的供氣壓力，形成一個指向井筒方向的壓力降，以模擬自噴條件下的井筒流態(tài)，然后打開進氣開關(guān)，氣體從進氣系統(tǒng)的注氣短節(jié)注入井筒末端，而水則通過柱塞式計量泵，進入注水短節(jié)。待流動穩(wěn)定后，采集工況數(shù)據(jù)，并利用高速攝像儀拍攝流型。在同一實驗條件下，采用多個進口壓力進行模擬實驗。在不同氣量、水量下進行實驗，進氣量分別為10，20，50 m3/h，水量分別為0.10，0.15，0.20 m3/h。

4.1.2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如表1所示。

表1 自噴條件實驗結(jié)果

4.1.3 實驗結(jié)論

如圖1所示，在自噴條件下水平管內(nèi)出現(xiàn)的氣液兩相流型主要為分層流，當(dāng)進氣量和進液量增大到一定程度，會出現(xiàn)段塞流。由實驗數(shù)據(jù)可以看出，受重力作用影響，一般液體在管內(nèi)下部流動，氣體在管內(nèi)上部流動。在流量較小時，氣液兩相流動互相影響不明顯，呈現(xiàn)穩(wěn)定的分層流動。只有當(dāng)進液量和進氣量都增大到一定程度時，才會改變流態(tài)，出現(xiàn)段塞流。當(dāng)進液量小，進氣量大、氣速較快時則會出現(xiàn)環(huán)狀流。

圖1 自噴條件下的分層流、段塞流、環(huán)狀流

4.2 泡排條件下氣井水平管流流態(tài)模擬實驗

4.2.1 實驗過程

首先啟動空氣壓縮機供氣、柱塞泵供水，在實驗管段中形成氣液兩相流；再在水平段指端注入Y–4型起泡劑，注劑量與進水量之比達到臨界膠束質(zhì)量分數(shù)的0.3%；待流動穩(wěn)定后，采集工況數(shù)據(jù)，利用高速攝像儀拍攝流型。實驗中要考慮水平段靶點高差影響，調(diào)節(jié)范圍為–5°～5°。在不同氣量和水量下進行實驗，壓力為0.12 MPa，進氣量分別為10，20，50 m3/h，水量分別為0.10，0.15，0.20 m3/h。

4.2.2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如表2所示。

表2 泡排條件實驗結(jié)果

加入起泡劑后，生成了大量泡沫，由于重力作用，泡沫大多位于管道下部，管道上部則是氣體，氣液兩相相互不影響，分層流動。由于液量及氣量都增大，形成的泡沫較多，管內(nèi)形成泡沫夾著小段氣泡的段塞流，如圖2所示。

圖2 泡排條件下的泡沫分層流、泡狀段塞流

4.2.3 實驗結(jié)論

加入起泡劑后，水平管內(nèi)形成大量的泡沫，氣液兩相流型發(fā)生了一定的變化，流型不再是明顯的分為氣、液兩相，而是形成泡沫流動，水平管內(nèi)存在的流型主要是泡沫分層流和泡沫段塞流。實驗中只有當(dāng)進液量為0.2 m3/h、進氣量為50 m3/h時，才出現(xiàn)了泡沫段塞流，其他實驗條件下均為泡沫分層流，與自噴條件相比，流型有所不同，說明起泡劑對水平管內(nèi)氣液兩相流型起到了一定的影響作用。

4.3 氣舉條件下氣井水平管流流態(tài)模擬實驗

4.3.1 實驗過程

采用壓縮機模擬氣舉排水采氣，先在水平管末端通入一定量的水，模擬井底積液，再通過螺桿式空氣壓縮機往儲氣罐中注入氣體，保證穩(wěn)定的供氣與足夠的壓力，以模擬連續(xù)氣舉條件，然后通過儲氣罐從注氣短節(jié)往管內(nèi)注氣。儲氣罐內(nèi)壓力大于水平管內(nèi)壓力，從而會形成生產(chǎn)壓差，使氣體流入井筒內(nèi)帶動積液流動。同時柱塞泵按實驗設(shè)計的流量往水平管內(nèi)持續(xù)注水，保證適當(dāng)?shù)乃髁浚⑶彝ㄟ^儲氣罐持續(xù)注入高壓氣體，保證井筒內(nèi)的壓力，模擬氣舉排水采氣時的狀態(tài)。待流動穩(wěn)定后，觀察水平管內(nèi)氣液兩相流型。

4.3.2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如表3所示。

4.3.3 實驗結(jié)論

從表3、圖3中可以看出，氣舉條件下水平管內(nèi)氣液兩相流型與自噴條件下水平管內(nèi)氣液兩相流型類似，在不同的進液量與進氣量條件下，氣液兩相流型主要以分層流為主。當(dāng)進液量較小、進氣量較大時，會出現(xiàn)環(huán)狀流（表3中序號3），當(dāng)進液量和進氣量增大到一定程度時，則會出現(xiàn)段塞流（表3中序號6和9），實際影響氣舉條件下井筒流態(tài)的因素主要是注氣量的大小，這是因為注氣量的大小影響井底壓力以及氣體流速，從而影響了水平管內(nèi)兩相流流型。

表3 氣舉條件實驗結(jié)果

圖3 氣舉條件下的分層流、段塞流、環(huán)狀流

4.4 電泵液條件下氣井水平管流流態(tài)模擬實驗

4.4.1 實驗過程

電潛泵井下機組主要包括離心泵、氣體分離器、保護器、電機和電纜等，其工作原理是通過潛油電纜將地面電能傳給潛油電機，潛油電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，帶動潛油泵高速旋轉(zhuǎn)，潛油泵中的每級葉輪、導(dǎo)殼均使井液壓力逐步提高，在潛油泵出口處達到潛油電泵機組要求的舉升揚程，所提升的井液通過油管被舉升至地面[4–6]。實驗中采用電潛泵代替柱塞泵供水，以模擬電潛泵條件下水平管內(nèi)氣液兩相流流型。

4.4.2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如表4所示。

表4 電泵液條件實驗結(jié)果

4.4.3 實驗結(jié)論

從圖4中可以看出，在電泵液條件下只出現(xiàn)了分層流和段塞流，并未出現(xiàn)環(huán)狀流，說明在電泵液條件下，在低進氣量與低進液量的情況下，氣液兩相各自能更穩(wěn)定地流動，而當(dāng)進氣量增大到50 m3/h時，水平管內(nèi)氣液兩相流型也會發(fā)生變化，形成了段塞流。

圖4 電泵液條件下的分層流、段塞流

5 結(jié)論及建議

（1）自噴條件下，水平管內(nèi)氣液兩相流流型主要是分層流和段塞流，當(dāng)進液量小、進氣量大、氣體流速大時會出現(xiàn)環(huán)狀流，因此自噴條件要合理控制產(chǎn)量，才能保持較長的自噴期。

（2）泡排條件下，水平管內(nèi)氣液兩相流流型主

要是泡沫分層流和泡沫段塞流，其中只有當(dāng)進液量為0.2 m3/h、進氣量為50 m3/h時，才出現(xiàn)泡沫段塞流，其他實驗條件下均為泡沫分層流。

（3）氣舉條件下，水平管內(nèi)氣液兩相流流型主要為分層流和環(huán)狀流，當(dāng)進液量和進氣量增大到一定程度時，則會出現(xiàn)段塞流，注氣量的大小是影響氣舉條件下井筒流態(tài)的主要因素，因此調(diào)節(jié)注氣量大小可以實現(xiàn)對不同流型的控制。

（4）電泵液條件下，低進氣量與低進液量時水平管內(nèi)氣液兩相流流型為分層流，而當(dāng)進氣量增大到50 m3/h時，水平管內(nèi)形成了段塞流。