天然氣井多相流強化攜液理論及排液采氣關鍵技術

摘要：天然氣田穩(wěn)產是保障我國能源安全的重大需求，氣井積液是制約穩(wěn)產的瓶頸，排液采氣是保障穩(wěn)產的關鍵。我國60%氣井因積液年均產氣量遞減23%以上，且積液井數(shù)以年均5%的速率快速遞增。由于對氣井多相流動特性認識不足，傳統(tǒng)排液采氣技術僅適用于積液輕微的淺直井且排液率較低。研究團隊近年來聚焦天然氣井排液采氣難題，構建了基于氣液流動結構調控的強化攜液理論，突破了經典臨界流速攜液理論僅適用于環(huán)霧狀流的局限；發(fā)明了抗油耐礦化度泡沫排液、復雜井筒速度管柱排液、超聲速噴嘴霧化排液、氣舉柱塞接力舉升排液等適用氣井不同積液狀態(tài)的高效低成本排液采氣系列關鍵技術。研究成果已推廣至長慶氣田、中外合作開發(fā)區(qū)等11個氣區(qū)，累計應用近12 000口氣井，占我國積液氣井總數(shù)的30%以上。

關鍵詞：多相流動；強化攜液；排液采氣；氣田穩(wěn)產；能源安全

中圖分類號：TE37.文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202405002.文章編號：0253-987X（2024）05-0010-09

Theory of Enhanced Liquid Carrying with Multiphase Flow and Key Technologies of Drainage Gas Recovery in Gas Wells

Abstract：Ensuring a continuous supply of gas resources is a crucial requirement for China’s energy security. However， the steady production of gas wells is often hindered by the issue of liquid loading. To maintain a consistent gas production， it is important to implement effective drainage and gas recovery technologies. In China， 60% of the gas wells undergo liquid loading， resulting in production declining by more than 23% per year， and the worse part is that the number of liquid loading wells annually increases by 5%. The conventional method of drainage gas recovery is only appropriate for shallow vertical wells with minimal gas outflow and brings about a low drainage efficiency since the multiphase flow characteristics of gas wells are not well understood. Therefore， this paper will highlight the current research conducted by our team on the theory of enhanced liquid carrying in multiphase flow and the key technologies of drainage gas recovery in gas wells. We proposed the theory of enhanced liquid carrying， which revolves around the regulation of gas-liquid flow structure. It overcomes the constraint of the traditional critical liquid carrying theory， which is only applicable to annular-mist flow. We developed a set of key technologies for efficient and cost-effective drainage gas recovery that is suitable for various liquid loading states in gas wells under different liquid loading conditions， including oil-resistant and salinity-resistant foam drainage， complex wellbore velocity string drainage， supersonic nozzle atomization drainage， plunger relay lift drainage， and more. The theoretical and technical achievements have been applied to 11 gas fields and 12 000 gas wells， accounting for more than 30% of all the liquid-loading gas wells in China.

Keywords：multiphase flow; enhanced liquid carrying; drainage and gas recovery; gas production; energy security

1.研究背景

2021年10月，習近平總書記在勝利油田考察時強調：“油氣能源建設對我們國家意義重大，能源的飯碗必須端在自己手里”。低碳清潔的天然氣資源是能源結構轉型與可持續(xù)發(fā)展的重要支柱，國際能源署發(fā)布的《世界能源展望（2020年版）》預測，未來20年全球天然氣需求的增長速率將與可再生能源相當［1］。目前，天然氣在我國能源消費結構中的比例仍低于全球平均水平，中國國家發(fā)改委和能源局聯(lián)合印發(fā)的《能源生產和消費革命戰(zhàn)略（2016—2030）》明確指出，截至2030年，天然氣在我國能源消費結構中的占比應提高到14%以上［2］。與之相對應的是，我國天然氣對外依存度仍高達44%（見圖1）。因此，大力提升天然氣資源開發(fā)力度，是保障國家能源安全的重要途徑。

天然氣資源的開采往往伴隨著地層中游離水和烴類凝析液的不斷產出，氣藏產出液在井筒中沉積導致井底回壓增大，引發(fā)氣井產量急劇下降甚至提前停產，是制約天然氣田穩(wěn)產的重大瓶頸［3］。我國半數(shù)以上氣井因積液大幅減產、停產，以我國產量最高（占比1/4）、井數(shù)最多（占比2/3）的長慶氣田為例，60%氣井自投產至廢棄的完整采氣周期之內都受到積液問題困擾，導致產氣量年均遞減率達23%以上，且積液井數(shù)仍以每年5%的速率快速增加。我國天然氣井普遍具有井型結構復雜（豎直井、水平井、傾斜井及其組合）、井筒內流體屬性復雜（水、氣、油多相并存）且多相流動結構隨積液狀態(tài)多變（霧狀流、段塞流、鼓泡流）等特征，開發(fā)適用于復雜井型結構、不同積液狀態(tài)氣井的排液采氣系列關鍵技術是天然氣田持續(xù)穩(wěn)產的迫切需求。

2.難點問題

受限于對氣井內多相流動特性與強化攜液的理論認識不足，前人已有研究以定性或宏觀的現(xiàn)場實驗為主，以借鑒國外經驗為主的傳統(tǒng)排液采氣技術僅適用于積液輕微的淺直井且排液率低，無法滿足氣田持續(xù)穩(wěn)產的戰(zhàn)略要求。

2.1.井筒內多相流強化攜液理論

發(fā)展井筒內多相流強化攜液理論，揭示天然氣開采過程中氣井內的復雜多相流動特性，是實現(xiàn)高效低成本排液采氣的理論基礎與難點問題。氣井早期積液呈霧狀流動狀態(tài)，隨著持液率變化，逐漸演變?yōu)橹衅诘亩稳饕约昂笃诘墓呐萘鳡顟B(tài)，氣液相分布及其相間作用機制隨流態(tài)變化具有不同特性，氣流攜液能力與氣液相分布、持液率等密切相關，攜液機理復雜。傳統(tǒng)的井筒內氣流攜液理論主要是在Duggan提出的“最小氣體流速”概念基礎上發(fā)展起來的，即以井筒內的液滴或液膜為研究對象，通過受力分析預測能夠實現(xiàn)連續(xù)攜液的最小氣流速度或氣體流量［4］。當下應用最為廣泛的是Turner提出的液滴模型，其假設井筒中多相流動為霧狀流且液滴為圓球形，通過分析球形液滴所受重力與曳力的力學平衡，提出了氣井攜液臨界流量和產量預測模型［5］。雖然相關學者在Turner模型的基礎上進一步考慮并修正了井筒壓力梯度、液滴形狀、井筒結構等因素對氣流攜液能力的影響，但是傳統(tǒng)的臨界流速攜液理論僅適用于環(huán)霧狀流，無法考慮流態(tài)、持液率及氣液相界面時空分布等特性，更難以解釋井筒中的多相流強化攜液機理。

因此，需要深入研究氣井多相流相界面現(xiàn)象及動力學機制，從多相流相界面本質屬性及氣井多相流動特性出發(fā)來揭示多相流攜液機理，提出通過調控多相流動結構強化攜液的新途徑，從而為排液采氣技術創(chuàng)新提供理論支撐。

2.2.氣井全生命周期排液采氣技術

天然氣井自開發(fā)初期至廢棄的完整采氣周期內積液狀態(tài)變化大，單一排液采氣技術無法覆蓋整個采氣周期，開發(fā)高效低成本、覆蓋氣井全生命周期的排液采氣技術，是保障天然氣田穩(wěn)產的另一個難點［6］。我國傳統(tǒng)排液采氣技術主要以復制國外經驗為主，具體可分為兩類：①基于額外能量輸入的排液采氣技術，如注氣舉升、機械抽液等，該類技術能耗大、經濟性差，單井排液成本甚至遠超采氣收益，推廣應用難度大；②利用氣藏自身能量攜液的排液采氣技術，該類技術雖然無需引入額外能量輸入，但目前其適用性、有效期及效果都無法滿足工程應用要求。我國應用廣泛的泡沫排液采氣技術，僅適用于積液輕微、礦化度低且含油量少的淺直井且排液率較低，而借鑒國外的柱塞氣舉排液采氣技術僅適用于淺直井。現(xiàn)有排液采氣技術均針對積液早期、積液輕微、井深較小的豎直井，缺乏適用于開發(fā)中后期嚴重積液氣井的排液采氣技術。

因此，迫切需要自主研發(fā)針對復雜井型結構、不同積液狀態(tài)氣井的排液采氣系列關鍵技術，并且實現(xiàn)排液采氣系列技術集成、智能切換與自動控制，為我國天然氣田持續(xù)穩(wěn)產提供核心技術裝備保障。

3.主要科技創(chuàng)新

針對上述難點問題，西安交通大學聯(lián)合中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司，組建校企合作研究團隊，歷經十余年，自主研發(fā)了復雜結構井筒多相流特性及流態(tài)調控實驗平臺與先進的多相流測試技術，構建了井筒內多相流強化攜液理論，提出了針對不同積液階段的多相流動結構調控方法，首創(chuàng)了面向復雜井型結構、不同積液狀態(tài)氣井的排液采氣系列技術及智能化集成系統(tǒng)，初步解決了氣井完整采氣周期高效、低成本持續(xù)穩(wěn)產的重大難題。總體研究路線如圖2所示。

3.1.基礎理論突破

研究團隊自主設計搭建了針對復雜結構井筒的多相流動特性及流態(tài)調控實驗平臺，開發(fā)了基于光學反射的截面相含率非接觸在線測量技術，為科學模化氣井內多相流動過程及排液采氣工作過程，并實現(xiàn)對氣液相分布及其演化的高精度動態(tài)捕捉提供了先進手段［7-8］，見圖3（a）、3（b）。系統(tǒng)研究了不同流型下相界面演變的非線性動力學特征，揭示了多相流動結構轉變、界面波運動與液滴生成等機理，建立了氣液相界面波運動與失穩(wěn)的動力學模型，提出了液滴夾帶率與沉積率、粒徑分布等計算公式，實現(xiàn)了井筒內界面波失穩(wěn)的動力學邊界及液滴夾帶率、沉積率、粒徑分布等準確預測［9-16］，見圖3（c）。研究發(fā)現(xiàn)，氣液相間滑移增加了兩相流重位壓降，該效應導致了不可逆損失，證明了氣流攜液需要同時克服摩擦壓降和氣液滑移損失，對于積液嚴重、自主攜液能力差的鼓泡流與段塞流而言，氣液滑移損失是攜液阻力的主控機制，這為通過調控多相流動結構來減小氣液相間滑移進而強化攜液能力指明了方向［17-18］，見圖3（d）。積液泡沫化可顯著改變氣液相分布、有效降低氣液相間滑移、提高攜液能力，抑制氣液界面失穩(wěn)是關鍵。揭示了油敏效應加速表面活性劑分子遷移是氣液界面失穩(wěn)的主導機理，闡明了通過親油基團精準匹配、離子液體科學復配抑制表面活性劑分子遷移、增強氣液界面穩(wěn)定性的微觀機制，為泡沫排液采氣技術中的抗油耐礦化度表面活性劑開發(fā)奠定了理論基礎［19］，見圖3（e）。

針對霧狀流動時提高氣速抑制氣液滑移效應與同時加劇流動摩擦壓降的矛盾，提出了以提高攜液率和降低摩擦壓降為核心的多目標優(yōu)化方法，實現(xiàn)了基于井筒管徑優(yōu)選的霧狀流低阻提速攜液。針對段塞流動時氣液時空分布極度不均的難題，利用氣、液可壓縮性差異大的自然屬性，提出了氣相膨脹增大氣液速度差、液相被高速氣流剪切破碎形成霧狀流的流動結構調控方法，通過優(yōu)化噴嘴型線，實現(xiàn)了對段塞流來流的高效霧化及強化攜液［20］。發(fā)現(xiàn)了舉液過程中，運動柱塞與井壁的環(huán)縫內氣液兩相始終處于環(huán)狀流動結構，揭示了液膜破碎與液滴夾帶是實現(xiàn)流動密封的主控機制。建立了考慮氣體上竄與液體漏失的柱塞舉升多相流動力學模型，提出了通過優(yōu)化柱塞舉升速度與幾何結構來調控環(huán)縫內氣液兩相流動結構、促進氣液流動密封進而減小相間滑移的方法，為柱塞氣舉強化攜液技術創(chuàng)新提供理論支撐［21-24］，見圖3（f）。

3.2.關鍵技術發(fā)明

團隊自主研發(fā)了同源混合疏水碳鏈的兩性氧化胺表面活性劑，提出了氧化胺表面活性劑和離子液體復合穩(wěn)泡體系，解決了因油敏效應加劇表面活性劑分子遷移導致的界面失穩(wěn)難題，突破了高含油（凝析油質量分數(shù)gt;30%）、高礦化度（礦物質質量濃度gt;100 g/L）積液穩(wěn)定泡沫化的瓶頸，使得泡沫排液采氣技術的排液率提高33%、成本降低30%，見圖4（a）。發(fā)明了霧狀流低阻提速攜液的管柱裝置（即速度管柱），其中設計的主副雙卡瓦井口懸掛結構及篩管阻塞結構，使速度管柱滿足了帶壓安裝及取出的要求。解決了大斜度井、水平井中速度管柱重復使用問題及其與油管摩擦導致的漏氣問題，實現(xiàn)了積液早期（液氣體積比lt;0.002）復雜結構井筒內速度管柱攜液能力的顯著提升，成本降低53%。發(fā)明了具有引射功能結構的超聲速霧化噴嘴，創(chuàng)新設計了噴嘴與井壁間的回流環(huán)隙結構及噴嘴喉部的引射孔布局，顯著緩解了液滴撞壁沉積導致的二次積液問題，實現(xiàn)了積液中期（0.002lt;液氣體積比lt;0.008）段塞流的高效霧化。另外，提出了利用壓差力驅動噴嘴自主脫落的新方法，避免了人工打撈，解決了積液中后期排液采氣技術切換的難題，見圖4（b）。發(fā)明了適用于多流態(tài)且具有氣液流動密封特性的柱塞結構及接力舉升裝置，提出了柱塞舉升工藝的動態(tài)優(yōu)化方法。利用氣藏自身能量，實現(xiàn)了井底鼓泡液柱的周期性舉升，突破了氣井低能耗、高效排液的技術瓶頸，解決了積液后期（液氣體積比gt;0.008）復雜結構井筒內鼓泡流舉升攜液的重大難題，見圖4（c），排液率提高40%、成本降低70%。形成了適用于復雜結構氣井不同積液狀態(tài)的排液采氣系列技術，在性能、經濟性等指標上全面領先國內外相關技術，為天然氣田持續(xù)穩(wěn)產提供了核心關鍵技術支撐。

3.3.裝備及系統(tǒng)集成

團隊研發(fā)了氣井內積液面次聲波自動實時診斷方法和監(jiān)測裝置，建立了基于液面數(shù)據(jù)的積液高度及平均持液率計算模型，實現(xiàn)了積液早、中、后期井筒內積液高度及平均持液率的在線測量。發(fā)明了寬工況可視化泡沫性能評價裝置及表面活性劑井口自動加注裝置，實現(xiàn)了藥劑的高精度評價與自適應加注，見圖5（a）。針對傳統(tǒng)速度管柱排液氣井切換為柱塞舉升排液后，井筒中安全接頭、水力錨等工具阻礙柱塞坐落器安裝的瓶頸問題，發(fā)明了速度管柱配套柱塞氣舉排液采氣裝置，利用滾壓方式連接坐落器與速度管柱，并通過連續(xù)油管作業(yè)機，將柱塞坐落器安裝至工具以下，實現(xiàn)了速度管柱與柱塞的長期配套使用與便捷切換。發(fā)明了泡沫與柱塞組合排液采氣裝置，中空柱塞內部充填表面活性劑并聯(lián)通外部積液，實現(xiàn)了泡沫在柱塞與油管壁間隙的致密填充，顯著減少了液體滑脫和氣體上竄，提升了積液后期氣舉柱塞技術的排液性能。開發(fā)了氣井積液診斷及排液采氣智能化集成系統(tǒng)見圖5（b），實現(xiàn)了泡沫排液、速度管柱排液及氣舉柱塞排液等關鍵系列技術的智能切換及自動控制，初步解決了氣井完整采氣周期持續(xù)穩(wěn)產的重大難題。

4.國內外研究對比

團隊研究的相關基礎理論成果獲得了國內外多位院士、專家的積極評價與引用。英國皇家工程院院士、帝國理工學院杰出教授Hewitt先生引用并評價本研究關于井筒內多相流動結構調控強化攜液的研究成果為：“極具挑戰(zhàn)性的、為數(shù)不多的代表性工作”［25］。加拿大工程院院士、紐芬蘭紀念大學工程和應用科學學院院長Naterer教授將本研究關于氣井內多相流射流霧化的研究成果作為代表性前沿工作多次引用［26-27］。美國工程院院士、約翰霍普金斯大學Katz教授發(fā)表在地球物理領域頂級國際期刊Reviews of Geophysics的綜述文章，推薦本研究關于氣井內夾帶液滴尺寸及夾帶率預測的研究成果作為后續(xù)研究的模型和數(shù)據(jù)基礎［28］。中國科學院院士、北京大學工學院魏悅廣教授引用并評價本研究關于管內多相流動特性預測及流動結構調控的研究成果：“為多相流固耦合研究提供了創(chuàng)新思路”［29］。2017年，世界人工舉升與排液采氣大會主席、路易斯安娜州立大學Waltrich教授多次引用本研究關于氣井內攪混流與段塞流轉變機理的理論研究成果并評價：“為數(shù)不多的實現(xiàn)大管徑、高流速條件實驗驗證的工作”［30-31］。瑞典皇家理工學院Anglart教授課題組在發(fā)表的學術論文中評價本研究提出的氣井內液滴夾帶率預測模型“是已有研究中的最優(yōu)選擇。”［32］

本研究的關鍵技術成果獲得了國內外諸多第三方機構的積極評價與推薦，成果技術及經濟性指標與國外同類技術的對比如表1所示。

美國貝克休斯石油天然氣公司出具的第三方檢測報告評價，本研究自主研發(fā)的表面活性劑對含凝析油積液具有優(yōu)異的泡沫化及攜液效果，排液率相比國內外已有表面活性劑提升了33%以上。由中國石油和化工自動化應用協(xié)會組織的科技成果鑒定會認為，本研究成果顯著提升了泡沫排液采氣技術有效率及自動化水平，泡沫排液成本相比傳統(tǒng)技術降低了30%。由中國石油、中國石化等勘探開發(fā)相關部門組成的聯(lián)合鑒定委員會評價，本研究成果滿足大斜度井、不同產量井排液采氣需求，柱塞氣舉排液率平均提高40%以上，對國內外同類氣田開發(fā)起到了示范引領作用。中國石油和化工自動化應用協(xié)會鑒定本研究成果并評價，創(chuàng)新性地將不同的排液采氣技術相結合，其中柱塞氣舉排液采氣關鍵技術及裝置屬國內首創(chuàng)研制，且成本較國外技術降低了70%，打破了國外技術的壟斷地位，填補了國內空白。中國石油天然氣股份有限公司應用成果后評價，本研究形成了泡沫排液、速度管柱、柱塞氣舉等低壓低產氣井排液采氣工藝系列，基本解決了3 000 m3以上氣井的排液采氣問題，支撐了長慶氣田持續(xù)穩(wěn)產。

5.推廣應用情況

本研究成果已成功在我國長慶氣田、福山油田、新疆油田、山西煤層氣，以及中國石油與荷蘭殼牌、法國道達爾的國際合作開發(fā)區(qū)等11個氣區(qū)進行了規(guī)模化應用，累計應用近12 000口氣井，占我國積液氣井總數(shù)的30%。自主研發(fā)的排液采氣系列裝備與產品，如表面活性劑、速度管柱裝置、柱塞裝置等，已在國內相關企業(yè)進行了規(guī)模化銷售，累計銷售額超過2億元，為長慶油氣田年產油氣當量突破6 000萬[KG-0.001mm]t、攀上我國油氣田產量新高峰做出了重要貢獻。

6.研究前景與市場價值

我國半數(shù)以上氣井受積液問題困擾，隨著氣田開發(fā)的深入，低產積液井數(shù)將持續(xù)增加。此外，隨著常規(guī)天然氣田可采儲量和產量的逐漸趨穩(wěn)，我國天然氣增儲上產的主力方向正逐步轉向壓力更低、分布更散、井深更大、出液更多的煤層氣、致密氣等非常規(guī)氣藏，對于覆蓋氣井全生命周期的高效低成本排液采氣技術及裝備需求將更加迫切。因此，本研究的應用前景十分廣闊，市場價值巨大，可為我國天然氣田持續(xù)穩(wěn)產提供了強有力的核心關鍵技術保障。

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