水平氣井連續(xù)攜液實驗研究及模型評價*

王 琦，李穎川，，王志彬，程金金

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500

水平氣井連續(xù)攜液實驗研究及模型評價*

王 琦1，李穎川1，2，王志彬1，程金金2

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500

水平氣井較直井更難于連續(xù)攜液，為了研究水平氣井連續(xù)攜液問題，利用可視化水平井氣水兩相井筒管流模擬實驗裝置（垂直段6 m，水平段10 m，傾斜段6 m）模擬水平井氣液兩相流動，對比觀測直井段、傾斜井段、水平井段的流動型態(tài)。實驗表明：水平井三井段中，傾斜管段的攜液能力最差，所需臨界攜液流速最大，可將其作為水平氣井的臨界攜液流速。傾斜管臨界攜液流量預(yù)測模型中，液滴模型和液膜模型是目前被普遍接受的兩類模型。為研究傾斜管連續(xù)攜液，實驗觀測不同傾斜角（28°～72°）條件下流型變化并測試臨界攜液流速。實驗表明傾斜管段液體主要以液膜形式被攜帶，從攜液機(jī)理分析，液膜模型也更為合理；通過實驗測得的213組數(shù)據(jù)對液滴模型和液膜模型進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)液膜模型的平均百分誤差、平均絕對百分誤差及相對性能系數(shù)均較小，從計算結(jié)果分析，液膜模型也更為合理。

水平氣井；傾斜管；連續(xù)攜液；模擬實驗；液膜模型；液滴模型

王 琦，李穎川，王志彬，等．水平氣井連續(xù)攜液實驗研究及模型評價[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，36（3）：139–145．

Wang Qi,Li Yingchuan,Wang Zhibin,et al．Experimental Study and Model Evaluation on Continuous Liquid Removal in Horizontal Gas Well[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（3）：139–145．

引言

水平氣井比直井排水采氣更加困難，其連續(xù)攜液研究需要考慮傾斜井段的傾斜角度和水平井段的影響。國內(nèi)外在這方面的研究大多針對垂直管[1-7]和水平管[8-10]，針對傾斜管的攜液研究[11-13[14-17]，目前主流觀點有兩種，一種是基于液滴模型假設(shè),認(rèn)為排出氣井積液所需的最低條件是使氣流中的最大液滴能連續(xù)向上運(yùn)動；另一種是基于液膜模型假設(shè)，認(rèn)為液膜的反向流動是導(dǎo)致積液的主要原因，兩類模型的攜液機(jī)理完全不同，但在現(xiàn)場應(yīng)用時都存在一定誤差。因此，本文開展了水平氣井井筒氣液兩相流實驗，對水平井井筒氣液兩相流的特性進(jìn)行觀察和分析，對比直井段、傾斜井段、水平井段的攜液能力，并利用測試數(shù)據(jù)對水平井連續(xù)攜液液滴模型和液膜模型進(jìn)行評價。

1 實驗裝置與實驗方法

為了研究水平井的連續(xù)攜液與積液情況，比較水平井的水平井段、垂直井段和傾斜井段攜液能力的差異，設(shè)計制作了水平井井筒氣液兩相流模擬實驗裝置，實驗流程如圖1所示。實驗系統(tǒng)由進(jìn)氣系統(tǒng)、進(jìn)水系統(tǒng)、實驗管段系統(tǒng)與測量系統(tǒng)4部分組成。實驗管段主體部分由有機(jī)玻璃管組成，垂直段長6.0 m，傾斜段長6.0 m，水平段長10.0 m，采用?40 mm×5 mm的有機(jī)玻璃模擬油管，?75 mm×8 mm的有機(jī)玻璃管模擬套管；進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、儲氣罐和液壓管線組成；進(jìn)水系統(tǒng)包括儲罐、計量水箱和管線；測量系統(tǒng)包括壓力傳感器、壓差傳感器、氣體流量計、數(shù)據(jù)采集模塊以及計算機(jī)，可實現(xiàn)實時記錄。

實驗中通過改變注入氣量，觀測不同傾斜角θ（28°～72°）下實驗管段中的氣液兩相流型變化和液體（液滴、液膜）的攜帶情況。實驗過程中保持注入水壓不變，調(diào)節(jié)注入氣量直至實驗管段中達(dá)到穩(wěn)定的臨界攜液狀態(tài)（液膜在重力作用下短暫停留，而后又在氣流的作用下重新攜帶上升時），記錄此時的注入氣流量、注入水流量、實驗段壓力、壓差和溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)。一組實驗后再改變實驗管段中壓力重復(fù)實驗，以得到不同井底流動壓力下的臨界攜液流量數(shù)據(jù)。

圖1 水平氣井連續(xù)攜液實驗流程Fig.1 The experimental process of continuous removal in horizontal gas well

2 實驗現(xiàn)象

2.1 傾斜管段的攜液能力最差

2.1.1 傾斜管段達(dá)臨界攜液時，各井段的流態(tài)

實驗觀察到傾斜管段達(dá)到臨界攜液狀態(tài)時，水平管段與垂直管段的攜液流速大于其臨界攜液流速。

垂直管段大部分液體以液膜的形式沿管壁向上運(yùn)動，少部分液滴分散在氣流中，以環(huán)狀流的形式攜帶液體，液膜厚度薄，液滴直徑較大；傾斜管中液滴不會一直沿井筒中心線上升，而是慢慢運(yùn)移至油管壁，液滴到達(dá)管壁之后與液膜聚集，并最終破碎，液滴無法長時間穩(wěn)定存在，液相主要以液膜的形式被攜帶，管底液膜基本無滑脫現(xiàn)象，呈現(xiàn)偶爾短暫停頓后繼續(xù)上升的現(xiàn)象，部分液體直接被攜帶至垂直管，而管底部分厚液膜會停滯后被攜帶上升，此時的流型為環(huán)狀流，如圖2所示；而水平管的攜液流速大于其臨界攜液流速，大部分液體以液流的形式沿水平管底部運(yùn)動，液相被氣流卷升形成大量液滴。

2.1.2 水平管段達(dá)臨界攜液時，各井段的流態(tài)

實驗觀察到水平管段達(dá)到臨界攜液狀態(tài)時，傾斜管的攜液流速明顯小于臨界攜液流速，垂直管段的攜液流速大于臨界攜液流速。

水平管段液體以液流的形式沿水平管底部運(yùn)動，液流連續(xù)移動，被氣流卷升形成的液滴，與傾斜管段達(dá)到臨界攜液狀態(tài)時相比，液滴數(shù)量明顯減少；傾斜管管底液膜存在明顯的滑脫現(xiàn)象，呈現(xiàn)來回下降又上升的過程，部分液體直接被攜帶至垂直管，而部分管底厚液膜會回流至傾斜管末端，然后重新被攜帶上升；垂直管段以環(huán)狀流的形式攜帶液體，與傾斜管段臨界攜液時的狀態(tài)相比，液膜厚度明顯增大，液滴直徑也增大。

圖2 傾斜管臨界攜液時為環(huán)狀流Fig.2 Annular flow of critical liquid-carrying in the inclined tube

2.1.3 垂直管段達(dá)臨界攜液時，各井段的流態(tài)

垂直管段為臨界攜液狀態(tài)時，水平管段與傾斜管段的攜液流速明顯小于其臨界攜液流速。

垂直管一般以環(huán)狀流的形式攜帶液體，越接近臨界攜液點，液膜厚度越厚，液滴直徑越大，大部分液體以液膜形式沿管壁向上移動，液膜偶有停頓，但無回流，與水平管段達(dá)到臨界攜液時相比，液膜厚度增加，上升速度減緩，此時的流型為環(huán)狀流；水平管管底液膜厚度會增加，且移動速度變慢。受傾斜管段回落液體的影響，水平管段也時常發(fā)生液相回流；傾斜管管底液膜存在明顯的滑脫現(xiàn)象，呈現(xiàn)來回下降又上升的過程，部分液體直接被攜帶至垂直管，而部分管底厚液膜會回流至傾斜管末端，然后重新被攜帶上升，與水平管段臨界攜液時相比，底部液膜的回流更加頻繁和迅速，且回流的液量也會增加。

由上述實驗現(xiàn)象可知，水平氣井的水平井段、傾斜井段和垂直井段中，垂直井段的臨界攜液能力最強(qiáng)，傾斜井段的攜液能力最差，臨界攜液氣量最大。因此，在研究氣藏水平井的連續(xù)攜液問題時需要分析斜井段的臨界攜液流速，以得到水平氣井臨界攜液產(chǎn)氣量。

2.2 傾斜管中液滴無法長時間穩(wěn)定存在，液相主要以液膜的形式被攜帶

氣相以流速ug沿傾斜井筒向上時，液滴在井筒運(yùn)動過程中受氣流對其施加的曳力R、浮力以及自身重力G的共同影響，經(jīng)過受力分析（圖3）可知，在垂直方向，浮力F浮以及曳力R的垂直分量Rv與液滴的自身重力可達(dá)到平衡，但液滴在水平方向上只有曳力R的水平分量Rh，其受力始終不平衡，因此液滴不會一直沿井筒中心線平穩(wěn)上升，而是在上移的同時，慢慢運(yùn)移至油管壁，液滴到達(dá)管壁之后與液膜聚集，并最終破碎，液滴的運(yùn)動軌跡如圖4所示。換言之，液滴無法在傾斜井筒中長時間穩(wěn)定存在，液相主要以液膜的形式被攜帶。

圖3 傾斜井筒中液滴受力分析Fig.3 Force analysis of droplet in inclined tube

圖4 液滴在傾斜管中的運(yùn)動軌跡Fig.4 Trajectory of droplet in the inclined tube

3 實驗結(jié)果及分析

為了確定傾斜管液膜向上推移的臨界氣流速，開展了氣液兩相流模擬實驗，測試了不同氣流量、液流量下的壓降梯度，分析了環(huán)狀流、攪動流的壓降特征。以壓降特征作為依據(jù)進(jìn)行了傾斜管連續(xù)攜液實驗，測試不同傾斜角下的臨界攜液氣流速，分析了角度對臨界氣流速的影響。

3.1 傾斜管流動特征

實驗測試了不同液流速、氣流速下傾斜管段的壓降梯度，如圖5所示。在低流速區(qū)域，隨表觀氣流速的增加，壓力梯度逐漸降低；在高流速區(qū)域，壓力梯度隨表觀氣流速的增加而增加；當(dāng)表觀氣流速為12～15 m/s時，壓力梯度最小。對于這種現(xiàn)象可從管壁對液膜的剪切力方向及大小、以及氣芯中液體夾帶量與氣流速的關(guān)系進(jìn)行解釋。

圖5 傾斜角為72°時壓力梯度與表觀氣、液流速的關(guān)系Fig.5 Relation of pressure gradient with superficial gas and liquid velocity in 72°

3.1.1 氣/液膜同向流動

在高氣流速區(qū)域，氣/液膜同向流動，氣相流速ug、液膜流速uf均向上，此時流型為環(huán)狀流，液膜受力情況如圖6所示，液膜在傾斜井段井筒運(yùn)動過程中受氣流對其施加的剪切力τi、管壁剪切力τw，自身的重力及管壁對其的支持力。管壁剪切力τw方向為沿管壁向下，氣相流速ug越大，剪切力τi越大，摩阻壓降越大；同時氣相流速ug越大，氣芯中液體夾帶量越大，氣液混合物密度越大，平行于管壁方向的重力壓力降越大，垂直于管壁方向的重力分量也會增加，進(jìn)一步增大管壁對流體的剪切力τw。因此，隨著氣相流速的增加，管中流體的壓力梯度也逐漸增大。

圖6 同向環(huán)狀流Fig.6 Cocurrent flow is annular flow

3.1.2 氣/液膜逆向流動

在低氣相流速區(qū)域，氣/液膜逆向流動，即液膜產(chǎn)生回流，此時流型為攪動流，液膜受力情況如圖7所示?；亓鲿斐梢耗ぴ诠鼙诘亩虝憾逊e，液膜厚度增大，當(dāng)其增大到一定程度即會發(fā)生坍塌形成液滴分散在氣相中。氣相流速ug越小，液膜回流比例越大，氣流夾帶的液體量增大，氣液混合物密度增加，重力壓力降增加，故壓降增大。且液膜回流比例越大，壓降波動越大。

圖7 逆向攪動流Fig.7 Counter current flow is churn flow

3.1.3 液膜停滯

當(dāng)液膜流動方向處于由上向下或由下向上的臨界狀態(tài)時，流型為環(huán)狀流，如果氣流速繼續(xù)降低，則會轉(zhuǎn)變?yōu)閿噭恿?，此時的狀態(tài)即為環(huán)狀流向攪動流轉(zhuǎn)變的臨界點。在該流動狀態(tài)，液膜停滯不動，液膜流速uf為零。管壁與液膜間的剪應(yīng)力τw為零，壓力降最小，氣流量在小范圍內(nèi)變化時，壓降基本不變，此時的氣相流速為臨界攜液流速。

以上分析可知，環(huán)狀流與攪動流下的壓降與氣相流速的關(guān)系相差較大，環(huán)狀流壓降隨氣相流速的增加而增加，攪動流壓降隨氣相流速的增加而降低，臨界點壓降最小，因此可分析壓降與氣相流速的關(guān)系確定流型是環(huán)狀流或攪動流，如圖8所示，也可確定臨界攜液流速。

圖8 壓降梯度與表觀氣流速的關(guān)系Fig.8 Relation of pressure gradient with superficial gas velocity

3.2 傾斜管連續(xù)攜液臨界氣相流速特征

實驗測試了不同傾斜角度（28°～72°）下，傾斜管段入口壓力為20～90 kPa時的連續(xù)攜液臨界氣相流速，圖9為不同壓力下臨界攜液氣相流速與傾斜角的關(guān)系圖。從圖中可知：

（1）傾斜角為50°左右臨界攜液流速達(dá)到最大；

（2）傾斜角小于50°時，隨傾斜角度的增大，臨界攜液流速逐漸增大，隨傾斜角的增大，增大速度逐漸變緩；

（3）傾斜角大于50°時，隨著傾斜角的增大，臨界攜液流速逐漸減小。

圖9 井底流壓20～90 kPa時臨界攜液流速隨傾斜角的變化關(guān)系（θ=0時，為水平管）Fig.9 Relation of critical liquid-carrying velocity with inclined angle in 20～90 kPa（θ=0，horizontal）

4 傾斜管攜液模型評價

目前的攜液模型主流觀點有兩種，一種是基于液滴模型假設(shè)，認(rèn)為排出氣井積液所需的最低條件是使氣流中的最大液滴能連續(xù)向上運(yùn)動；另一種是基于液膜模型假設(shè)，認(rèn)為液膜的反向流動是導(dǎo)致積液的主要原因。

研究傾斜管段的臨界攜液時，液膜模型比液滴模型更為合理，主要理由如下：

（1）從理論分析出發(fā)，液滴在傾斜井段井筒運(yùn)動過程中受氣流對其施加的曳力、浮力以及自身重力的共同影響，經(jīng)過受力分析（圖2）可知，液滴在水平方向上的受力始終不平衡，因此液滴不會一直沿井筒中心線上升，而是慢慢運(yùn)移至油管壁，液滴到達(dá)管壁之后與液膜聚集，并最終破碎。換言之，液滴無法在傾斜井筒中長時間穩(wěn)定存在。

（2）從實驗現(xiàn)象出發(fā)，實驗觀察到臨界連續(xù)攜液發(fā)生在攪動流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)化的流型區(qū)間，液滴生成后，在向上移動的同時，逐漸向管壁靠近，最終與管壁的液膜融合在一起，并不能穩(wěn)定存在，傾斜管的液體主要以液膜模式被攜帶。

（3）實驗觀測到隨傾斜角度的增大，臨界攜液流速先增大，再減小。以液滴為研究對象，受力平衡時，氣相對于液滴的曳力與重力在運(yùn)動方向上（即平行于管壁方向）的分量Gsin θ相等，重力G不變，θ在0～90°Gsin θ為θ的單調(diào)遞增函數(shù)，曳力也為θ的單調(diào)遞增函數(shù)，而曳力與氣相流速成正比，因此，液滴模型計算出的臨界攜液流速隨傾斜角的增加而增大，與實驗結(jié)果不符；以液膜為受力分析對象，如圖7所示，sin θ為θ的單調(diào)遞增函數(shù)，當(dāng)傾斜角度θ增大，液膜的周向分布越均勻，最大液膜厚度δmax減小，即控制單元體的重力G′減小，G′為θ的單調(diào)遞減函數(shù)，因此控制單元體在平行于管壁方向上的重力分量，即液膜向上運(yùn)移的阻力G′sin θ并不是傾斜角θ的單調(diào)函數(shù)，與實驗結(jié)果相符。

實驗共測得213組數(shù)據(jù)，將液滴模型[14]和液膜模型[17]計算的攜液流量與實驗測試的氣流量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10和圖11所示，統(tǒng)計誤差定義如下

臨界攜液流量誤差：

臨界攜液流量平均百分誤差：

臨界攜液流量平均絕對百分誤差：

臨界攜液流量標(biāo)準(zhǔn)偏差：

相關(guān)性能系數(shù)：

從表1可以看出，液滴模型計算的臨界攜液氣流量整體性偏大25%～30%；液膜模型的計算結(jié)果與實驗的吻合度較好，平均絕對百分誤差為7.34%，計算值部分偏大，部分偏小，平均百分誤差為4.12%，相對性能系數(shù)也更小，液膜模型更優(yōu)。

圖10 液滴模型計算臨界攜液氣流量與測試值對比Fig.10 Contrast of test and calculated value of droplet model

圖11 液膜模型計算臨界攜液氣流量與測試值對比Fig.11 Contrast of test and calculated value of film model

表1 臨界攜液流量模型誤差統(tǒng)計表Tab.1 Error statistics of critical liquid-carrying model

5 結(jié) 論

（1）研制了水平氣井連續(xù)攜液模擬實驗裝置，進(jìn)行垂直井段、水平井段和傾斜井段的攜液實驗，觀測了氣藏水平井中氣水兩相運(yùn)動與流型變化情況并測試其臨界攜液氣量。實驗表明，傾斜管中所需的臨界攜液流速要大于水平管和垂直管，這說明水平井段和垂直井段對水平氣井的連續(xù)攜液影響不大，傾斜井筒中積液才是導(dǎo)致水平井積液的最主要因素。

（2）實驗觀察到傾斜管連續(xù)攜液發(fā)生在攪動流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)化的流型區(qū)間，液體主要以液膜形式攜帶，液滴無法長時間穩(wěn)定存在，因此臨界攜液計算模型使用液膜模型更為合理。

（3）實驗結(jié)果表明傾斜管的臨界攜液流速大于水平管和垂直管。傾斜角較小時，隨傾斜角度的增大，攜液流速有逐漸增大的趨勢，增大速度逐漸變緩，在50°左右攜液流速達(dá)到最大，然后隨著傾斜角的增大，攜液流速逐漸減小。

（4）利用實驗數(shù)據(jù)對液滴模型和液膜模型進(jìn)行對比評價，液膜模型的計算值與實驗值的平均絕對百分誤差為7.34%，平均百分誤差為4.12%。推薦使用液膜模型計算水平氣井臨界攜液流量。

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李穎川，1951年生，男，漢族，四川金堂人，教授，博士，主要從事油氣井多相流與舉升理論及應(yīng)用采油采氣理論與工程技術(shù)，海洋油氣田開發(fā)、開采理論與技術(shù)方面的研究。

王志彬，1982年生，男，漢族，四川南充人，講師，博士，主要從事采油采氣工程、多相流理論及石油工程計算技術(shù)方面的研究。

程金金，1988年生，男，漢族，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事應(yīng)用采油采氣理論與工程技術(shù)方面的研究。

編輯：牛靜靜

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Experimental Study and Model Evaluation on Continuous Liquid Removal in Horizontal Gas Well

Wang Qi1,Li Yingchuan1，2,Wang Zhibin1,Cheng Jinjin2
1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China 2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China

The continuous fluid removal of the horizontal gas well is more difficult than that of the vertical wells.To study the problem of the continuous fluid removal of the horizontal gas well，we have simulated the gas-liquid two phase flow of the horizontal gas well with the visual gas-liquid conduit flow experimental device.This device is made up of vertical tubes，which is six meter high，horizontal tubes at ten meters，inclined tubes at six meters long.Through experiments，we found that，among the vertical，horizontal and inclined tubes，the capability of liquid-carrying of inclined tubes is the worst.So，the critical liquid-carrying velocity of the inclined tubes can be used as the velocity of horizontal gas well.Droplet and film model of the inclined tubes are now widely accepted.We observed the phenomena of liquid-carrying and test the critical liquid-carrying velocity in different inclined angles，which are from 28°to 72°The experiments show that liquid in the inclined tubes is carried by film form，not droplet form.From the mechanism analysis，the film model is more reasonable.Contrast the test values with the calculated values of film and droplet model，we can also find that film model is more reasonable.

horizontal gas well；inclined tube；continuous removal；simulation experiment；film model；droplet model

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2014.01.22.01.html

王琦，1986年生，女，漢族，四川廣安人，博士研究生，主要從事采油采氣工藝及氣田開發(fā)動態(tài)方面的研究。E-mail：wq20082075@126.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2014.01.22.01

1674-5086（2014）03-0139-07

TE355.6

A

2014–01–22 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2014–05–21

國家自然科學(xué)基金（51104125）；國家重大科技專項（2011ZX05045–05–01）；“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室開放基金（PLN1311）。