超高壓產(chǎn)水氣井可視化井下節(jié)流模擬實驗及嘴流模型評價

馬輝運 董宗豪 周瑋 魏林勝 譚昊 王威林

中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院

0 引言

我國各氣田開采初期地層壓力較高，通常通過井口節(jié)流來降低地面管線壓力［1-2］，以滿足集輸要求。然而，節(jié)流后的壓降和溫降導(dǎo)致地面管線常發(fā)生水合物堵塞而影響正常開采，甚至發(fā)生物理性破壞，在冬季尤為嚴重［3-4］。為此，生產(chǎn)過程中時常需要配套地面加熱設(shè)備和注入水合物抑制劑等工藝技術(shù)來保證正常生產(chǎn)［5-6］。氣井井下節(jié)流工藝能充分利用地熱對節(jié)流后的天然氣進行加熱，對于防止水合物生成起到了積極的作用［7-8］。此外，井下節(jié)流使井筒壓力從高壓瞬間降為低壓，一方面使地面管線運行壓力大幅度降低，實現(xiàn)中低壓集氣，簡化了地面流程，降低了建設(shè)投資與運行成本［9-10］；另一方面節(jié)流器下游氣體體積發(fā)生膨脹，氣體的壓能轉(zhuǎn)變成動能，促使氣流速度增大，從而提高了氣體的攜液能力［11-12］。

目前，現(xiàn)場在開展井下節(jié)流工藝設(shè)計時，多采用基于井口節(jié)流條件所建立的質(zhì)量流量預(yù)測模型確定節(jié)流器嘴徑［13］，相較于井口水平節(jié)流，井下節(jié)流時，由于節(jié)流器安置在垂直管中，節(jié)流器上游流型更為復(fù)雜多變，使得管流對嘴流特性的影響規(guī)律與井口節(jié)流相差較大，導(dǎo)致現(xiàn)有嘴流模型在應(yīng)用于井下節(jié)流時，存在一定的不適應(yīng)性［14］。特別是對于井筒壓力可達100 MPa 以上的超高壓氣井，由于井筒壓力較高，導(dǎo)致氣體密度增加，流速較低，使得井筒中多為攪動流［15］。因此，研究針對超高壓產(chǎn)水氣井井下節(jié)流復(fù)雜流動特征，借助可視化多相流模擬實驗裝置，系統(tǒng)地開展了井下節(jié)流可視化實驗，研究井下節(jié)流器對上、下游油管中多相流動特性的影響，以及不同上游流型對嘴流動態(tài)的影響規(guī)律。基于實驗數(shù)據(jù)評價了現(xiàn)有氣液兩相嘴流模型在不同節(jié)流器上游流型下的表現(xiàn)，根據(jù)評價結(jié)果，針對不同流型，推薦了適用的多相嘴流模型，對準確開展超高壓產(chǎn)水氣井井下節(jié)流工藝設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實驗系統(tǒng)

通過可視化實驗，模擬產(chǎn)水氣井井下節(jié)流動態(tài)過程。實驗裝置如圖1 所示，采用可視化的有機玻璃管作為油管流動通道，裝配有可拆卸節(jié)流器短節(jié)，整個測試段實驗管長為10 m，其中節(jié)流器上游管段長度為4 m，下游管段長度為6 m，實驗管內(nèi)徑為30 mm，壁厚為10 mm。主要功能模塊主要有供氣供液系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實驗記錄系統(tǒng)，其中壓力測試系統(tǒng)包括節(jié)流器上游壓力、節(jié)流器下游壓力和壓力恢復(fù)3 個部分，以確保實驗過程中壓力數(shù)據(jù)的準確記錄［16］。

圖1 實驗裝置流程Fig.1 Flow of the experimental device

對現(xiàn)場井筒壓力在70～115 MPa 范圍內(nèi)的超高壓井下節(jié)流氣井進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，確定井筒中只存在段塞流、攪動流和環(huán)狀流等3 種流型，節(jié)流嘴嘴徑大多分布在2～12 mm 范圍內(nèi)。為了消除管徑和節(jié)流嘴的厚度對實驗結(jié)果的影響，將嘴徑無量綱化。根據(jù)Chisholm 設(shè)定的標準，使用嘴徑d與管徑D的比值表示直徑比，節(jié)流嘴的厚度t和嘴徑d的比值定義為厚度比，t/d< 0.5 的孔分類為薄孔，而t/d> 0.5 的孔分類為厚孔［17］。因此，可視化實驗的所有節(jié)流嘴均為厚孔。為了研究不同氣液兩相流型對嘴流動態(tài)的影響，實驗氣、液流速范圍需要將3 種流型覆蓋，氣流速為2.7～21 m/s，液流速為0.005～0.08 m/s，具體實驗參數(shù)設(shè)計如表1 所示。

表1 實驗參數(shù)表Table 1 Table of experimental parameters

實驗中不同嘴徑條件下控制的氣液流量范圍不同，在節(jié)流器上游產(chǎn)生不同的流型，從而導(dǎo)致氣液兩相通過節(jié)流器的嘴流特性不一樣。首先，針對參數(shù)中最小嘴徑2 mm 開展實驗，通過控制壓縮機出口閥門和柱塞泵改變氣流量和液流量，以測試對應(yīng)條件下的節(jié)流器上下游壓力數(shù)據(jù)，并觀察節(jié)流器上、下游的流型變化，并實時記錄氣流量、液流量、流型和節(jié)流器上、下游壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)；當一種嘴徑節(jié)流實驗完成后，更換其他嘴徑節(jié)流器，按照相同的方法和步驟完成實驗，以獲取不同嘴徑下的150 組實驗測試數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 段塞流嘴流特性

(1)超高壓氣井井筒壓力最高可達100 MPa 以上，使得氣體密度大幅增加、氣流速減小。當直徑比為0.067、實驗壓力為300 kPa 時，節(jié)流器上游為段塞流。由于段塞流特有的流動特征，Taylor 氣泡和液體段塞在管道中呈現(xiàn)出周期性的交替流動，氣液兩相流通過節(jié)流器時呈現(xiàn)出“一段液、一段氣”的現(xiàn)象［18-19］。從壓力變化角度來看，對于節(jié)流器上、下游流型均為段塞流時，其對應(yīng)的節(jié)流器上游、下游壓力均呈現(xiàn)為周期性波動變化規(guī)律，如圖2 所示。放大某單元下的壓力波動曲線可以看出，當節(jié)流器上游壓力pu出現(xiàn)峰值時，說明液塞正通過節(jié)流器，導(dǎo)致節(jié)流器上游壓力迅速上升，此時相應(yīng)的下游壓力較小。當下游壓力pd出現(xiàn)峰值時，說明節(jié)流器上游液塞已通過節(jié)流器，導(dǎo)致下游壓力增大，Taylor氣泡完全通過節(jié)流器下游，下游管段被氣體占據(jù)，上游壓力會迅速下降，此時相應(yīng)的上游壓力較小。

圖2 節(jié)流器上、下游均為段塞流時壓力變化規(guī)律Fig.2 Pressure variation law when both upstream and downstream of the throttle are slug flow

(2)實驗過程中在直徑比為0.067、實驗壓力為450 kPa 時，觀察到了上游為段塞流、下游為攪動流的現(xiàn)象。這是由于當節(jié)流器上游壓力增大，導(dǎo)致節(jié)流器上下游的壓差增大，Taylor 氣泡流經(jīng)節(jié)流器下游的過程中，氣體膨脹加劇，使其無法維持原有形狀，導(dǎo)致氣泡破裂，下游壓力會迅速下降，在節(jié)流器下游形成攪動流。如圖3 所示，對于節(jié)流器上游流型為段塞流、下游流型為攪動流時，節(jié)流器上游壓力呈現(xiàn)為周期性波動變化規(guī)律，而此時下游壓力呈現(xiàn)為無序的變化。

圖3 節(jié)流器上游為段塞流、下游為攪動流時壓力變化規(guī)律Fig.3 Pressure variation law when the upstream of the throttle is slug flow and the downstream is turbulent flow

2.2 攪動流嘴流特性

(1)實驗過程中在直徑比為0.13、實驗壓力為600 kPa 時，節(jié)流器上游流型為攪動流，該流型為超高壓氣井中節(jié)流器上游分布最為廣泛的氣液兩相流型。由于氣液波動呈現(xiàn)無規(guī)律狀態(tài)，使得整個流動變得更為復(fù)雜，出現(xiàn)嚴重的氣液間歇通過節(jié)流器的現(xiàn)象。圖4 為節(jié)流器上、下游均為攪動流時，分別對應(yīng)的瞬時上、下游壓力變化規(guī)律。此時節(jié)流器上、下游壓力均呈現(xiàn)為無規(guī)律變化，但其壓力波動較節(jié)流器上游為段塞流時有所減弱。攪動流條件下，氣液仍無法連續(xù)通過節(jié)流器，這是由于液塞通過時節(jié)流器上游會產(chǎn)生因為滑脫導(dǎo)致的液體回落。

圖4 節(jié)流器上、下游均為攪動流時壓力變化規(guī)律Fig.4 Pressure variation law when both upstream and downstream of the throttle are turbulent flow

(2)實驗進行過程中在直徑比為0.27、實驗壓力為1 200 kPa 時，節(jié)流器上游為攪動流，下游為環(huán)狀流，隨著注氣量的增加，節(jié)流器上游壓力增加，其過嘴能力也同時增加，流動穩(wěn)定性增強。如圖5 所示，對于節(jié)流器上游流型為攪動流、下游流型為環(huán)狀流時，其對應(yīng)的節(jié)流器上游壓力呈現(xiàn)為無規(guī)律變化，下游壓力幾乎無波動。這是由于環(huán)狀流條件下，液體以液膜的形式沿管壁向上運動，氣體以氣芯夾帶部分液滴向上運動，此時氣液幾乎無滑脫，壓力波動較為均勻。節(jié)流器上游為攪動流、下游為環(huán)狀流時，大大減緩了節(jié)流器下游管段中的壓力波動，提高了氣井的攜液能力，使得氣井生產(chǎn)穩(wěn)定性大幅改善。

圖5 節(jié)流器上游為攪動流、下游為環(huán)狀流時壓力變化規(guī)律Fig.5 Pressure variation law when the upstream of the throttle is turbulent flow and the downstream is annular flow

2.3 環(huán)狀流嘴流特性

實驗中在直徑比0.4、實驗壓力1 200 kPa 時，節(jié)流器上游和下游觀察到的所有流型均為環(huán)狀流。如圖6 所示，相應(yīng)的瞬時上游壓力pu和瞬時下游壓力pd幾乎不隨時間變化而波動。但是，由于節(jié)流器的阻擋作用，導(dǎo)致節(jié)流器上游的液滴還是會產(chǎn)生一定的滑脫效應(yīng)，從而使得pu的波動程度比pd稍大。

圖6 節(jié)流器上、下游均為環(huán)狀流時壓力變化規(guī)律Fig.6 Pressure variation law when both upstream and downstream of the throttle are annular flow

3 兩相嘴流模型優(yōu)選

3.1 不同流型下兩相嘴流模型評價

(1)段塞流數(shù)據(jù)評價。如圖7 所示為不同模型在段塞流條件下的質(zhì)量流量45°對角線誤差評價圖［20-21］，從圖中可以更加直觀地看出不同模型在段塞流條件下的質(zhì)量流量預(yù)測情況。從機理模型的表現(xiàn)來看，Sachdeva 模型和Al-Safran 模型的數(shù)據(jù)點在對角線的下側(cè)分布較多，整體預(yù)測值偏低，這是由于Sachdeva 模型本身考慮的流量系數(shù)較低且氣體膨脹為多變膨脹過程，而Al-Safran 模型雖然考慮了相間滑脫，但在模型建立時忽略了氣相內(nèi)能變化；段塞流通過節(jié)流嘴時，氣液兩相由于速度差會出現(xiàn)嚴重的滑脫現(xiàn)象，而Asford 模型中未考慮氣液滑脫對質(zhì)量流量的影響，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)點在對角線上側(cè)分布較多，其預(yù)測值偏高；Perkins 模型雖然沒有考慮滑脫的影響，但是在氣體內(nèi)能變化方面，假設(shè)氣體為等熵膨脹，較為符合段塞流條件下，氣體需要足夠的時間產(chǎn)生傳熱，故該模型在段塞流條件下表較好，使得數(shù)據(jù)點在對角線兩側(cè)分布較為均勻。

圖7 段塞流條件下各模型評價結(jié)果Fig.7 Evaluation results of each model under slug flow conditions

(2)攪動流數(shù)據(jù)評價。如圖8 所示為不同模型在攪動流條件下的質(zhì)量流量45°對角線誤差評價圖，從圖中可以更加直觀地看出不同模型在攪動流條件下的質(zhì)量流量預(yù)測情況。從機理模型的表現(xiàn)來看，Sachdeva 模型和Al-Safran 模型預(yù)測效果最好，其次是Perkins 模型，而在攪動流條件下Asford 模型的評價效果最差，數(shù)據(jù)點在對角線多分布在誤差線?25%下側(cè)。這說明隨著氣體流速的增加，氣液通過嘴流的流速也大大增加，此時的氣體膨脹規(guī)律不再符合等熵膨脹，而多變膨脹將更加符合此時節(jié)流嘴內(nèi)氣體膨脹方式。

圖8 攪動流條件下各模型評價結(jié)果Fig.8 Evaluation results of each model under turbulent flow conditions

(3)環(huán)狀流數(shù)據(jù)評價。如圖9 所示為不同模型的質(zhì)量流量45°對角線誤差評價圖，從圖中可以更加直觀地看出不同模型在環(huán)狀流條件下的質(zhì)量流量預(yù)測情況。從機理模型的表現(xiàn)來看，Al-Safran 模型的預(yù)測結(jié)果最好，Sachdeva 模型和Perkins 模型的預(yù)測值普遍偏高，而Asford 模型的預(yù)測值又普遍偏低。在垂直管中，考慮重力的影響，導(dǎo)致節(jié)流嘴內(nèi)氣液相滑脫較水平段更為顯著，且節(jié)流器上游為環(huán)狀流時，節(jié)流嘴內(nèi)流速較大，可以不考慮氣液的內(nèi)能變化，故此時考慮了滑脫影響的AL-Safran 模型評價效果最好，所有預(yù)測點都落在25%誤差線以內(nèi)。

圖9 環(huán)狀流條件下各模型評價結(jié)果Fig.9 Evaluation results of each model under annular flow conditions

3.2 模型誤差統(tǒng)計分析

超高壓氣井具有氣液流速分布范圍廣、井筒氣液兩相流型多變的特征。在不同流型條件下對實驗測試的150 個數(shù)據(jù)點進行了評價，結(jié)果見表2。

表2 模型誤差分析結(jié)果Table 2 Error analysis results of the models

由表2 可看出，段塞流條件下，Ashford 模型表現(xiàn)最好，平均百分誤差A(yù)PD 為4.53%，平均絕對百分誤差A(yù)APD 為14.00%，標準差STD 為18.79，均方根誤差RMSE 為0.005 kg/s，相關(guān)系數(shù)為R2=0.92，這是由于其假設(shè)氣體為等熵膨脹，較為符合段塞流的氣體膨脹方式。攪動流條件下，Sachdeva 模型由于考慮的流量系數(shù)較低，氣體膨脹為多變膨脹過程，所以能最準確地預(yù)測氣液兩相質(zhì)量流量，APD 為?2.27%，AAPD 為16.75%，STD 為21.58，RMSE 為0.007 kg/s，R2為0.80。節(jié)流器上游為環(huán)狀流時，Al-Safran 模型由于引入了氣液兩相滑脫因子，使得其預(yù)測精度最高，APD 為?0.30%，AAPD 為6.37%，STD 為9.57，RMSE 為0.004 kg/s，R2為0.96。

4 現(xiàn)場實例應(yīng)用

以超高壓含硫氣井雙探8 井為例，氣井基本參數(shù)見表3，地面采氣集輸系統(tǒng)的壓力約為10 MPa。

表3 雙探8 井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 3 Basic data of Well Shuangtan 8

圖10 為不同節(jié)流器下入深度的井筒壓力剖面，可以看出，油氣從井底流向井口，在節(jié)流器下入深度處發(fā)生明顯節(jié)流壓降，且隨下入深度減小，井口油壓降低，下入深度大于5 000 m 時井口油壓大于10MPa。圖11 為不同節(jié)流器下入深度的井筒溫度剖面，可以看出，在節(jié)流器下入深度處溫度突降，且隨下入深度減小，井口溫度降低，逐漸接近水合物生成溫度。此外，隨著節(jié)流器下入深度的減小，節(jié)流器上游壓力降低，基于氣體節(jié)流的焦湯定律，上游壓力越低，節(jié)流溫降越大，從而導(dǎo)致節(jié)流溫差增大。對比不同節(jié)流器下入深度和水合物生成溫度剖面，任意深度均不會生成水合物，但節(jié)流器下入深度越接近井口，節(jié)流后生成水合物的風險越高。

圖10 不同節(jié)流器下入深度下的井筒壓力剖面Fig.10 Well pressure profiles at different penetration depths

圖11 不同節(jié)流器下入深度下的井筒溫度剖面Fig.11 Well temperature profiles at different penetration depths

根據(jù)雙探8 井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算井筒中的流型剖面，確定節(jié)流器上游為攪動流，選取Sachdeva 模型對節(jié)流器不同下入深度時的嘴徑進行計算，計算結(jié)果見表4。綜合考慮水合物防治、節(jié)流器允許壓差和地面管線承壓能力，確定節(jié)流器下入深度為3 000 m，節(jié)流器嘴徑為5.3 mm。

表4 嘴徑設(shè)計結(jié)果Table 4 Design results of nozzle diameter

5 結(jié)論

(1)產(chǎn)水井氣井下節(jié)流動態(tài)可視化實驗結(jié)果表明，在一定條件下，節(jié)流器上、下游流型會發(fā)生轉(zhuǎn)變，節(jié)流器上游為攪動流，下游為環(huán)狀流時，大大減緩了節(jié)流器下游管段中的壓力波動，提高了氣井的攜液能力，使得氣井生產(chǎn)穩(wěn)定性大幅改善。

(2)評價了4 種嘴流模型在不同流型下的表現(xiàn)。段塞流條件下，Ashford 模型表現(xiàn)最好；攪動流條件下，Sachdeva 模型預(yù)測精度最高；在環(huán)狀流條件下，Al-Safran 模型計算誤差最小。

(3)選取雙探8 井開展井下節(jié)流工藝設(shè)計，綜合考慮水合物防治、節(jié)流器允許壓差和地面管線承壓能力，確定節(jié)流器下入深度為3 000 m，計算井筒中的流型剖面，確定節(jié)流器上游為攪動流，選取Sachdeva 模型確定節(jié)流器嘴徑為5.3 mm。