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    高壓高產(chǎn)氣井出砂機理數(shù)值模擬

    2019-06-12 07:11:54馬亞琴鐘建芳
    鉆采工藝 2019年5期
    關(guān)鍵詞:外筒孔眼炮眼

    馬亞琴,張 寶,鐘建芳,易 俊,郝 劍

    (1塔里木油田油氣工程研究院2玉門油田分公司油田作業(yè)公司)

    馬亞琴等.高壓高產(chǎn)氣井出砂機理數(shù)值模擬.鉆采工藝,2019,42(5):43-44,58

    地層出砂是影響油氣井正常生產(chǎn)的重要問題[1]。地層出砂主要出現(xiàn)在疏松砂巖油氣藏中。多年來,針對疏松砂巖地層出砂,通過室內(nèi)實驗、理論分析、現(xiàn)場分析驗證等手段基本掌握了該類地層的出砂機理、影響因素等[2-6]。但是,近年來,塔里木油田庫車山前高壓氣井出現(xiàn)了地層垮塌、出砂現(xiàn)象。該區(qū)域?qū)儆谥旅苄粤芽p砂巖,地層巖石強度高,經(jīng)過大規(guī)模的酸化壓裂改造,氣井產(chǎn)量高[7-9]。該類高壓高產(chǎn)、致密性裂縫砂巖氣藏與疏松砂巖油氣藏存在很大的差異,其出砂機理相對復(fù)雜。

    致密性裂縫砂巖由于膠結(jié)強度高,呈現(xiàn)出脆性特征。對于這類高強度的脆性砂巖,過高的生產(chǎn)速率導(dǎo)致近井筒區(qū)域產(chǎn)生很強的紊流效應(yīng),是導(dǎo)致地層出砂的一種重要原因[10]。但是,這種紊流效應(yīng)能夠產(chǎn)生多大的作用力與氣體流速的關(guān)系是怎樣的?目前還沒有見到相關(guān)的研究報道。為此,本文以塔里木油田庫車山前克深區(qū)塊為例,通過物理模擬試驗和數(shù)值模擬分析,研究探討了高壓高產(chǎn)氣井的一種出砂機理—高速氣體紊流效應(yīng)。

    一、高壓流體過孔眼模擬試驗研究

    為了定性研究高壓高產(chǎn)氣井炮眼附近產(chǎn)生的紊流效應(yīng),研制了一套高壓流體過孔眼模擬試驗裝置。該裝置是由高壓氣源、高壓水源、橡膠外筒和打孔碳鋼內(nèi)筒組成。橡膠外筒長度6 m,厚度10 mm。碳鋼內(nèi)筒設(shè)置一個孔眼,孔徑為3 mm。橡膠外筒包裹在碳鋼內(nèi)筒外,中間保留一定間隙,作為氣體流動通道。

    試驗的基本原理是利用高壓氣源或高壓水源,從橡膠外筒與碳鋼內(nèi)筒之間的縫隙中注入高壓流體,通過碳鋼內(nèi)筒的孔眼排出。根據(jù)文丘里效應(yīng),高壓流體在通過孔眼時,流速非常高,產(chǎn)生紊流效應(yīng),將會對橡膠外筒產(chǎn)生一定的抽汲作用力,從而會造成橡膠外筒發(fā)生變形或破壞。

    分別采用高壓氣源、高壓水源注入排量為5 m3/h、壓力為5 MPa的空氣、清水進行實驗。實驗30 min后,拆開內(nèi)外筒,觀察橡膠外筒變形情況。

    圖1 實驗后橡膠外筒變形情況

    圖1為實驗后橡膠外筒變形情況。從試驗結(jié)果來看,高壓氣井通過孔眼時,產(chǎn)生明顯的紊流效應(yīng),形成抽汲作用力,造成橡膠外筒內(nèi)壁接近孔眼處形成明顯變形。高壓液體通過孔眼時,沒有產(chǎn)生明顯的紊流效應(yīng),橡膠外筒該處沒有明顯變形。

    二、高速氣體過炮眼數(shù)值模擬分析

    通過前面的物模試驗可知,高壓氣體通過孔眼時會形成很強的紊流效應(yīng),產(chǎn)生較大的抽汲作用力。對于低速氣體,可應(yīng)用伯努利方程進行計算。但是,對于高速氣體,由于涉及到氣體的壓縮效應(yīng)和能量交換,應(yīng)用解析方法計算非常復(fù)雜,可以采用流體有限元軟件FLUENT進行計算。

    1.炮眼處抽汲作用力模擬計算思路

    (1)根據(jù)氣井初期產(chǎn)能參數(shù),利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和多相動態(tài)管流軟件OLGA,求出井底氣井產(chǎn)量(質(zhì)量流量)和井底流壓。

    (2)假設(shè)井底氣體產(chǎn)量不變的情況下,通過改變儲層生產(chǎn)炮眼的數(shù)量,應(yīng)用ANSYS流體模塊(FLUENT)模擬求解射孔孔眼處流壓和流速分布。

    (3)計算不同炮眼處氣體流速對應(yīng)的抽汲作用力。

    2.不同炮眼氣體流速與抽汲作用力模擬計算

    應(yīng)用FLUENT軟件,按照KeS2-A井和KeS2-B井的實際井況進行模擬計算,確定炮眼氣體流速與抽汲作用力的關(guān)系。

    2.1 KeS2-A井模擬計算

    采用多相動態(tài)管流軟件OLGA,按照KeS2-A井的管柱結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)參數(shù)進行模擬計算,得到氣井質(zhì)量流量:3.1427 kg/s;井口油壓:61.1183 MPa;井口氣體產(chǎn)量(標況下):399 282 m3/d。

    采用流體有限元軟件FLUENT,模擬計算不同等效水力直徑下,高壓氣體通過炮眼時產(chǎn)生抽汲作用力。根據(jù)不同等效水力直徑,計算高壓氣體通過炮眼產(chǎn)生的抽汲作用力,見表1。

    表1 KeS2-A井氣體過炮眼產(chǎn)生的抽汲作用力計算結(jié)果

    2.2 KeS2-B井模擬計算

    采用多相動態(tài)管流軟件OLGA,按照KeS2-B井的管柱結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)參數(shù)進行模擬計算,得到氣井質(zhì)量流量:3.643 82 kg/s;井口油壓:85.195 5 MPa;井口氣體產(chǎn)量(標況下):462 949 m3/d。

    采用流體有限元軟件FLUENT,模擬計算不同等效水力直徑下,高壓氣體通過炮眼時產(chǎn)生抽汲作用力。根據(jù)不同等效水力直徑,計算高壓氣體通過炮眼產(chǎn)生的抽汲作用力,見表2。

    表2 KeS2-B井氣體過炮眼產(chǎn)生的抽汲作用力計算結(jié)果

    2.3 井下氣體流速與抽汲作用力關(guān)系擬合

    根據(jù)KeS2-A井和KeS2-B井不同井下氣體流速計算得到的抽汲作用力數(shù)據(jù)進行擬合(如圖2所示),得到塔里木油田克深區(qū)塊高壓氣井井底流速與抽汲作用力的估算公式:

    式中:ΔPf—氣體過炮眼抽汲作用力,MPa;v—氣體通過炮眼流速,m/s。

    圖2 不同井下氣體流速與抽汲作用力關(guān)系擬合

    三、高壓高產(chǎn)氣井出砂臨界生產(chǎn)壓差修正

    將高壓氣體通過射孔炮眼時,由于紊流效應(yīng)產(chǎn)生的抽汲作用力理解為附加壓差,并考慮酸化改造對儲層巖石強度的影響,對常規(guī)出砂預(yù)測得到的出砂臨界生產(chǎn)壓差進行修正,從而得到高壓高產(chǎn)氣井酸化改造后的實際出砂臨界生產(chǎn)壓差:

    式中:Δpcx—修正后的出砂臨界生產(chǎn)壓差,MPa;A—改造后巖石強度影響系數(shù),根據(jù)巖石酸化實驗,取值0.2;Δpc—修正前的出砂臨界生產(chǎn)壓差,MPa;ΔPf—氣體過炮眼抽汲作用力,MPa。

    四、結(jié)論

    (1)高速氣體通過孔眼時形成紊流效應(yīng),這種紊流效應(yīng)能夠產(chǎn)生較強的抽汲作用力。

    (2)數(shù)值模擬計算了氣體流速與抽汲作用力的關(guān)系,分析表明,當氣體流速較低時,產(chǎn)生的抽汲作用力非常小,可以忽略不計;當氣體流速較高時,產(chǎn)生的抽汲作用力非常大,對出砂的影響不可忽視。

    (3)考慮高速氣體紊流效應(yīng)產(chǎn)生的附加壓差,以及酸化改造對儲層巖石強度的影響,建立了高壓高產(chǎn)氣井出砂臨界生產(chǎn)壓差預(yù)測模型,為克深區(qū)塊出砂預(yù)測提供了更加符合實際的方法。

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