基于兩相流模型的直井動態(tài)排積液方法研究
——以大牛地氣田為例

姜一

(中石化華北油氣分公司采氣一廠，河南 鄭州 450000)

基于兩相流模型的直井動態(tài)排積液方法研究
——以大牛地氣田為例

姜一

(中石化華北油氣分公司采氣一廠，河南 鄭州 450000)

有效排出積液對低壓低產氣井的穩(wěn)產保產具有重要意義。針對目前大牛地氣田直井積液狀態(tài)無動態(tài)監(jiān)測手段、排液方法相對粗糙的缺陷進行排積液方法研究。首先基于兩相流的形成與轉換機理，結合環(huán)狀流、過渡流、段塞流、泡狀流4種流態(tài)的特征，定義了無積液、井壁積液、井筒積液、井底積液4種積液狀態(tài)；其次，通過對比實際產量與各流態(tài)的形成邊界以及臨界攜泡流量的大小關系，將4種積液狀態(tài)的氣井進一步細分為8類，并將泡沫排水、提產帶液、降壓帶液等排水方法進行組合，制定了針對性的8類排積液方法；最后，實例分析證明該方法在現(xiàn)場應用中取得了良好的效果。

兩相流模型；流態(tài)判別；積液狀態(tài)；泡沫排水；降壓帶液；大牛地氣田

鄂爾多斯盆地大牛地氣田是典型的低滲、低壓、低產氣田，氣田開發(fā)以直井為主，氣井普遍產水，平均產水量0.4m3/d。大牛地氣田普遍應用泡沫排水(簡稱“泡排”)工藝，并圍繞著泡排藥劑優(yōu)選、泡排影響因素、泡排工藝效果評價等方面開展了廣泛的研究[1～10]。隨著氣田開發(fā)進入中后期，多數(shù)氣井的實際產量已低于臨界攜泡流量，早期單一的泡排工藝已無法有效排出積液，積液問題造成的井底回壓增加、井筒氣液滑脫效應加劇，氣井難以穩(wěn)產的問題日益突出。通過分析泡排工藝在大牛地氣田的應用現(xiàn)狀，總結出目前研究存在的缺陷主要有以下兩個方面：第一，井筒積液狀態(tài)不明晰，導致選擇的排液方法缺乏針對性；第二，實際產量低于攜泡流量的氣井應當如何有效排液，缺乏系統(tǒng)的方法。

綜上所述，筆者以兩相流模型為基礎，依據(jù)4種流態(tài)特征定義了4種積液狀態(tài)，通過判別實際產量與各流態(tài)的形成邊界以及臨界攜泡流量的大小關系，將直井細分為8類，并提出了針對性的排液方法。

1 井筒兩相流模型與直井積液狀態(tài)

根據(jù)Govier&Aziz[11]、劉通[12]等人的實驗研究，在垂直段井筒中，低液量條件下，氣流速度從大到小，流型依次出現(xiàn)環(huán)狀流、過渡流、段塞流、泡狀流。

1)環(huán)狀流——無積液狀態(tài)。環(huán)狀流可以將液滴進行連續(xù)攜帶，小液滴在運動過程中，氣流的曳力足以克服液滴自身重力，并呈現(xiàn)出紊流流態(tài)分布的特征。液滴在向上運動的過程中逐漸向管壁移動、聚集，形成液膜，在高氣流速度的條件下沿管壁穩(wěn)定上升。因此在環(huán)狀流的流態(tài)下，氣井產液可以被完全帶出井筒，不存在積液。

2)過渡流——井壁積液狀態(tài)。當氣流速度不足以推動液膜穩(wěn)定上升時，液膜將發(fā)生回流厚度增加，進一步會堵塞氣芯，形成較小的液塞。因此在過渡流的流態(tài)下，氣井產液已不能被完全帶出井筒，小液塞反復循環(huán)的堆積、回流，井壁上開始出現(xiàn)積液。

3)段塞流——井筒積液狀態(tài)。當過渡流的小液塞震蕩上升時，隨著氣量減小、滑脫作用的進一步增加，短小的液塞被聚集的氣泡突破后回流，合并形成長液塞，小液塞尾部的小氣泡互相碰撞，聚合成大氣泡，逐步堆積后形成氣體段塞。因此在段塞流的流態(tài)下，大部分氣井產液以長液塞的形態(tài)堆積于井筒中，氣液兩相分段上升。

4)泡狀流——井底積液狀態(tài)。長段的液塞在上行過程中隨著氣量減小繼續(xù)滑脫回流，液塞長度不斷增加最終形成連續(xù)液相，并回落至井底。因此在泡狀流流態(tài)下，氣體以氣泡形態(tài)分布于連續(xù)液相中，氣井產液已無法排除井筒。

各種積液狀態(tài)下，氣井生產的表觀特征、積液狀態(tài)判別依據(jù)，以及由判別依據(jù)推導得出的氣液表觀流量無量綱方程判別條件[13]如表1所示。

表1 4種積液狀態(tài)的表觀特征與判別條件

注：vg為氣相表觀流量，m3/d；vL為液相表觀流量，m3/d；σL為液體表面張力系數(shù)；ρL為液體密度，kg/m3;ρg為氣體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

2 針對各種積液狀態(tài)的氣井分類與排積液方法

2.1 無積液狀態(tài)的氣井分類與排積液方法

當直井井筒的流態(tài)為環(huán)狀流時，此時氣井可以正常排液生產，不存在積液問題。依據(jù)實際生產流量與環(huán)狀流邊界流量的大小關系，可以將氣井分為以下2類：

Ⅰ類氣井 實際產量遠高于環(huán)狀流邊界流量?？梢苑€(wěn)定排液生產，不存在積液問題。

Ⅱ類氣井 實際產量略高于環(huán)狀流邊界流量。該類氣井在正常生產情況下，可以穩(wěn)定排液生產，不存在積液問題，但出現(xiàn)配產下調后，將導致實際產量低于環(huán)狀流下邊界流量，既而轉化為過渡流，開始出現(xiàn)井壁積液問題。對于這類氣井所采用的排積液方法為：適當提產帶液。密切關注調產和實時生產數(shù)據(jù)，一旦低于環(huán)狀流邊界流量，則適當開大流量生產，保持流量大于環(huán)狀流下邊界流量。

2.2 井壁積液狀態(tài)下的氣井分類與排積液方法

當直井井筒的流態(tài)為過渡流時，氣井出現(xiàn)井壁積液，依據(jù)實際生產流量與過渡流邊界流量、臨界攜泡流量的大小關系，可以將氣井分為以下2類：

Ⅲ類氣井 實際產量遠高于過渡流下邊界流量。對于該氣井所采用的排積液方法為：定期提產帶液。開大流量生產一段時間，排出井壁積液，當產水、油壓恢復后，調回原流量進行生產，如此進行循環(huán)。

Ⅳ類氣井 實際產量略高于過渡流下邊界流量，且高于臨界攜泡流量。對于該類氣井采用的排積液方法為：介入泡沫排水。由于處于井壁積液階段，積液量較小，根據(jù)積液周期采取定期長間隔泡排的制度，達到排出井壁積液的效果。

2.3 井筒積液狀態(tài)下的氣井分類與排積液方法

當直井井筒的流態(tài)為段塞流時，氣井出現(xiàn)井筒積液，依據(jù)實際生產流量與段塞流邊界流量的大小關系，可以將氣井分為以下2類：

Ⅴ類氣井 實際產量高于段塞流下邊界流量，且高于臨界攜泡流量。對該類氣井采用的排積液方法為：“少食多餐”的泡沫排水。由于處于井筒積液階段，積液量較大，采用短間隔、少劑量的泡排制度，通過氣井的連續(xù)排液，及時消除井筒內較長的液塞，防止液塞不斷堆積形成泡狀流。

Ⅵ類氣井 實際產量高于段塞流下邊界流量，但略低于臨界攜泡流量。對于該類氣井采用的排積液方法為：“少食多餐”的泡沫排水制度加提產帶液。由于氣井實際產量已小于臨界攜泡流量，單純通過泡沫排水已無法有效排出積液，因此需要當井筒積液在泡排劑的作用下形成泡沫后進行提產帶液，依靠高于攜泡流量的瞬時流量進行有效排液。通過犧牲一定的生產時率，保持開井流量持續(xù)大于攜泡流量生產。

2.4 井底積液狀態(tài)下的氣井分類與排積液方法

當直井井筒的流態(tài)為泡狀流時，氣井出現(xiàn)井底積液，依據(jù)實際生產流量與泡狀流邊界流量的大小關系，可以將氣井分為以下2類：

Ⅶ類氣井 實際產量低于泡狀流上邊界流量，且低于臨界攜泡流量。對于該類氣井采用的排積液方法為：連續(xù)泡排輔助降壓帶液。由于處于井底積液階段，積液量較大，已對井底形成了較大的回壓，并且氣井實際產量低于臨界攜泡流量，因此急需通過連續(xù)泡排輔助連續(xù)的降壓帶液，依靠高瞬時流量帶出泡沫，排出井底積液，以防止氣井水淹。

Ⅷ類氣井 實際產量低于泡狀流上邊界流量，遠低于臨界攜泡流量。對于該類氣井采用的排積液方法為：環(huán)空激動、氣舉。處于這種狀態(tài)下的氣井已瀕臨水淹，此時油管內積液過多，需要通過環(huán)空激動平衡油套環(huán)空，降低油管內液柱高度，再結合Ⅶ類氣井的排積液方法，連續(xù)進行泡排輔助降壓帶液，排出積液達到復產的目的。

3 實例分析

以大牛地氣田DK13井區(qū)一口泡排示例井為例，對該文提出的排積液方法進行應用效果分析。選取開發(fā)井A的2016年1～6月生產數(shù)據(jù)，依據(jù)表1中過渡流與段塞流下邊界條件進行計算，對比實際產氣量與各邊界條件如圖1所示。

圖1 開發(fā)井A 1～6月井筒流態(tài)(積液狀態(tài))圖

通過對比開發(fā)井A，1～6月的生產數(shù)據(jù)與各種流態(tài)的臨界條件，可知：

1)1～6月，該井實際產氣量均大于段塞流最小邊界流量，小于過渡流最小邊界流量，井筒內的流態(tài)屬于段塞流，積液狀態(tài)為井筒積液。

2)1～3月，實際產氣量大于臨界攜泡流量，屬于Ⅴ類氣井；4月產量下降后，實際產氣量低于臨界攜泡流量，屬于Ⅵ類氣井。

3)采取的排積液方法：1～3月采取“少食多餐”的泡沫排水；4～6月采取泡沫排水+控制流量生產。排積液取得效果如圖2所示。

圖2 開發(fā)井A 1～6月生產數(shù)據(jù)圖

4)1～3月采用“少食多餐”的泡沫排水方法，泡排制度為每天套注2L泡排劑，截止3月末，氣井生產穩(wěn)定，產水連續(xù)，油套壓差較小。“少食多餐”的泡沫排水方法對防止井筒內積液加劇、穩(wěn)定氣井生產起到了積極的效果。

5)4月份下調配產后，平均產量下降2000m3/d，油套壓差開始增大，產液不連續(xù)，井筒積液加劇。原先“少食多餐”的泡沫排水方法已不再適用，按照氣井分類，4月末將排液方法調整為“泡排+控制流量生產”，泡排制度為每天套注2L泡排劑，控制流量生產制度為泡排結束4h后即泡排劑與積液充分反應后，將瞬時流量提高100m3/h，生產8h后恢復原流量生產。5～6月較4月份，水氣比由0.32m3/104m3上升至0.598m3/104m3，提升86.8%；油套壓差由3.26MPa降低至1.48MPa，降低54.6%。泡排+控制流量的排液方法，減輕了井壁積液的癥狀，防止了氣井進一步惡化水淹。

4 結論

1)根據(jù)井筒兩相流模型與積液狀態(tài)定義，可以對大牛地氣田生產直井積液狀態(tài)進行預測。在實際生產中利用該文方法對生產數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，可以及時掌握氣井積液動態(tài)。

2)依據(jù)氣井的積液狀態(tài)以及實際產量與臨界攜泡流量的大小關系，將4種積液狀態(tài)的氣井進一步劃分為8類，結合各種流態(tài)的形成機理，將泡沫排水、提產帶液、控制流量生產、降壓帶液、環(huán)空激動、氣舉等方法進行組合應用，制定了針對性的8類系統(tǒng)的排積液方法。在實際應用中，根據(jù)氣井生產實際數(shù)據(jù)與分類標準，可以確定氣井類別，準確地選擇、調整有效的排積液方法。

3)將筆者提出的動態(tài)排積液方法在大牛地氣田進行現(xiàn)場應用，通過實例分析可知，取得了良好的排液效果，對低壓、低產氣井的穩(wěn)產保產，防止低產氣井水淹起到了重要的作用。

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[編輯] 黃鸝

2016-10-20

國家科技重大專項(2011ZX05045)。

姜一(1987-)，男，博士，工程師，主要從事采氣工程研究工作，whatisjimi@163.com.

TE375

A

1673-1409(2017)15-0073-04

[引著格式]姜一.基于兩相流模型的直井動態(tài)排積液方法研究[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(15):73～76,81.