彭水區(qū)塊水平井簡化全井段流態(tài)模擬及流型圖版優(yōu)選

魏瑞玲，王光彪，魏風(fēng)玲，段承璉，劉 靜，吳小丁

（1.中國石化中原油田石油工程技術(shù)研究院，河南濮陽457000；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500）

水平井井筒中流體流動(dòng)屬于氣液兩相管流的研究范疇，其兩相界面變化性較強(qiáng)，流動(dòng)現(xiàn)象較單相管流復(fù)雜得多，因而通常需借助實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行觀測(cè)和定義[1-3]。針對(duì)水平井兩相流問題，國內(nèi)外學(xué)者采取各種方法來開展流態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，從而推進(jìn)兩相管流模擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展[4-5]。黃建勇[6]建立了國內(nèi)第一套小曲率半徑水平井井筒多相流流動(dòng)規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)裝置；謝賓[7]研制出水平井井筒連續(xù)油管沉砂攜帶與孔眼分流室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)裝置；肖高棉[8]觀測(cè)到“L”型水平氣井連續(xù)攜液模擬實(shí)驗(yàn)裝置管段中的連續(xù)攜液與積液過程；高升[9]研制了可調(diào)節(jié)造斜段任意角度定向井連續(xù)攜液模擬實(shí)驗(yàn)裝置；王琦等[10]建立了水平井井筒流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置以研究水平井各井段的攜液能力。預(yù)測(cè)方法即流型圖板，水平井井筒流動(dòng)涉及垂直管、傾斜管和水平管的上升流動(dòng)，其中比較典型的研究：垂直管方面，DUNS 和ROS[11]在常壓條件下開展了約4 000次氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，且采用無因次氣相、液相速度準(zhǔn)數(shù)繪制了垂直管兩相流流型圖；ORKISZEWSKI[12]基于148 口油井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了多個(gè)垂直管氣液兩相管流模型，分不同流型擇其優(yōu)者，給出了垂直管泡狀流、段塞流、過渡流、霧狀流流型形成界限關(guān)系式；AZIZ[13]引入修正系數(shù)X、Y，繪制了油-氣兩相混合流動(dòng)時(shí)的垂直管流型圖，流型分別為泡狀流、段塞流、過渡流、環(huán)狀流與霧狀流；TAITEL[14]基于各流型轉(zhuǎn)變的物理機(jī)理，綜合考慮流體物性、管徑等影響，建立了垂直管氣液兩相流流型預(yù)測(cè)模型；高慶華等[15]根據(jù)雷諾相似原理，以井筒兩相流室內(nèi)模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了垂直管流型和兩相流流動(dòng)特性，并分別以兩相混合物雷諾數(shù)和氣液相表觀速度比為橫縱坐標(biāo)繪制了垂直管流型圖。同時(shí)，GOULD、BARNEA、DIAZ 等的研究發(fā)現(xiàn)為傾斜管的兩相流型界定提供了參考。GOULD[16]采用空氣和水作為流動(dòng)介質(zhì)在管徑25 mm、管斜角45°的傾斜上升管中進(jìn)行了氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得出了一幅傾斜管流型圖；BARNEA等[17]在常壓下采用空氣和水作為流動(dòng)介質(zhì)，分別在管徑為19.5 mm 和25.5 mm 的傾斜管段內(nèi)開展了流型實(shí)驗(yàn)，得出了傾角在-10°～10°范圍內(nèi)的傾斜管中的氣液兩相流流型和流型圖；DIAZ等[18]以空氣—水為流動(dòng)介質(zhì)，開展傾角為14.6°和25°、內(nèi)徑60 mm、管長16 m的兩相流流型實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了段塞流的段塞頻率和分布長度。水平管方面，GOIVER[19]根據(jù)26 mm 水平管內(nèi)空氣—水混合物流動(dòng)實(shí)驗(yàn)繪制了水平管兩相流流型圖；MANDHANE等[20]基于空氣—水小管徑實(shí)驗(yàn)，以氣、液表觀流速為橫、縱坐標(biāo)繪制了水平管流型圖；邵奇[21]基于TAITEL和DUKLER[22]提出的流型判別準(zhǔn)則，利用Java語言開發(fā)了流型邊界計(jì)算軟件，繪制了相應(yīng)流型圖。綜上可以看出，水平井井筒流動(dòng)涉及垂直管、傾斜管和水平管的上升流動(dòng)，而3 種管段由于角度不同，流型現(xiàn)象差異較大，尤其是傾斜管流型規(guī)律復(fù)雜，目前其相關(guān)研究較少。現(xiàn)有流型預(yù)測(cè)方法多是針對(duì)低氣液比油井條件提出的，不適用于高氣液比水平氣井條件，尤其各流型圖對(duì)彭水區(qū)塊水平井的適用性尚待驗(yàn)證。

本文基于彭水區(qū)塊水平井生產(chǎn)參數(shù)，開展室內(nèi)兩相管流模擬實(shí)驗(yàn)，分析各因素的影響規(guī)律，并與工程常用的兩項(xiàng)流型圖版進(jìn)行擬合，優(yōu)選出適用于彭水區(qū)塊水平井的兩相流型圖板，為彭水區(qū)塊水平井井筒流態(tài)判斷與預(yù)測(cè)提供依據(jù)，也給后續(xù)工藝措施的選擇和實(shí)施提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

彭水區(qū)塊生產(chǎn)井?dāng)?shù)據(jù)見表1。

采用弗勞德數(shù)（Fr）對(duì)實(shí)際高壓氣井的氣液兩相流動(dòng)與實(shí)驗(yàn)條件下低壓的流動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

式中：ρ為氣、液密度，kg/m3；u為流速，m/s；g 為重力加速度，m/s2；D為管徑，m；Δρ為氣液密度差，kg/m3。

基于弗勞德數(shù)相似理論，本文以井口、井底的壓力、溫度數(shù)據(jù)對(duì)氣液流速進(jìn)行折算，以涵蓋生產(chǎn)過程中參數(shù)的最大、最小值，力圖含納全井筒生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)條件（壓力0.1 MPa，溫度20 ℃，實(shí)驗(yàn)管段內(nèi)徑40 mm）下的氣液相表觀流速分布范圍如圖1。

由相似準(zhǔn)則折算出氣相表觀流速范圍分別為0.03～20.4 m/s、0.18～9.4 m/s。結(jié)合液流速計(jì)算和傾斜角度對(duì)流動(dòng)型態(tài)的影響，以微元體方法選取典型氣液速作為流態(tài)模擬參數(shù)，氣水兩相實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍如表2。

表1 彭水區(qū)塊水平井生產(chǎn)參數(shù)Table 1 Production parameters of horizontal wells in Pengshui Block

圖1 實(shí)驗(yàn)氣相表觀流速計(jì)算Fig.1 Calculation of apparent velocity for experimental gas phase

表2 氣水兩相實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters of gas-water two-phase

1.2 水平井模擬實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程為一閉合回路，采用空氣和水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)（圖2）。水由柱塞計(jì)量泵自水箱抽出，經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)控，通過液體流量計(jì)測(cè)定水量；空氣則通過空氣壓縮機(jī)加壓后，經(jīng)氣體流量計(jì)計(jì)量，然后進(jìn)入T型管與水混合，一同流入水平井模擬實(shí)驗(yàn)裝置，觀察水平井垂直段、斜井段、水平段內(nèi)氣液兩相流流型，利用高速攝像機(jī)捕捉典型流型現(xiàn)象，探索相同參數(shù)條件下井斜角對(duì)流型的影響規(guī)律，并實(shí)時(shí)測(cè)試入口氣/水流量、壓力溫度等參數(shù)。

圖2 水平井井筒氣液兩相流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental device for simulating gas-liquid two-phase flow of horizontal wellbore

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

開展150組水平井井筒流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)，分別捕捉了垂直管段、傾斜管段、水平管段的典型流型現(xiàn)象，詳見表3。

2.1 管斜角

定流速（氣速vsg=1 m/s，液速vsl=0.01 m/s）變管斜角時(shí)觀察到的流型現(xiàn)象見圖3。隨著管斜角的增加，分層流逐漸變?yōu)槎稳?，如圖3a～3e，表明水平管段氣液在重力分異作用下更容易分層，角度增大導(dǎo)致氣液混合更加充分，容易出現(xiàn)氣液交替上升的段塞流。

圖3 不同管斜流型分布（vsg=1 m/s，vsl=0.01 m/s）Fig.3 Flow patterns with different angles（vsg=1 m/s,vsl=0.01 m/s）

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results

同時(shí)，分層流僅存在于0°條件下（圖3a），管斜角略微增加，造成液膜回流堆積，分層結(jié)構(gòu)被破壞；攪動(dòng)流僅出現(xiàn)在管斜角大于15°條件下（圖3c），原因在于當(dāng)管斜角小于15°時(shí)，氣液重力分異作用使得氣體趨向于聚集在管子上部，難以出現(xiàn)氣液混雜、攪動(dòng)、震蕩上升的攪動(dòng)流型，且隨著管斜角的增大，攪動(dòng)流形成的臨界氣量變低；環(huán)狀流在各管斜角條件下均存在。

2.2 氣量

管斜角75°、液流速0.1 m/s 時(shí)，不同氣流速下觀察到的流型現(xiàn)象（圖4）。氣流量足夠高時(shí)，液體沿管壁形成一個(gè)流動(dòng)的液環(huán)，氣流占據(jù)主要空間，在實(shí)驗(yàn)管中心匯合形成氣柱，支撐管壁四周液膜向上運(yùn)動(dòng)，并將氣液界面上部分液體撕裂成液滴夾帶在中心氣流中，呈現(xiàn)環(huán)狀流流型特征（圖4a）。含氣率減小時(shí)，氣相從連續(xù)相逐漸過渡到分散相，液相則相反，氣體連續(xù)向上流動(dòng)并舉升液體，部分液體下落、聚集，而后又被氣體舉升，呈現(xiàn)混雜、振蕩式的攪動(dòng)流流型特征（圖4b）。氣速進(jìn)一步減小，氣泡的趨中效應(yīng)導(dǎo)致管內(nèi)眾多小氣泡聚集，以大氣泡形式分布在連續(xù)液相內(nèi)（圖4c）。隨著氣量增大，大氣泡直徑增大，栓塞狀氣泡幾乎充滿實(shí)驗(yàn)管段過流斷面，較長的2個(gè)大氣泡間由塞狀液相隔開，形成一段氣一段液的交替結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)段塞流流型特征。

2.3 液量

管斜角75°、氣流速1 m/s時(shí)，不同液流速下觀察到的流型現(xiàn)象如圖5，液相表觀速度在0.01～0.4 m/s之間變化時(shí)，傾斜管段井筒均呈現(xiàn)一段氣一段液的交替上升的段塞流流型特征。液量對(duì)井筒流型類型影響較小。

圖5 不同液體流速流型分布（θ=75°，vsg=1 m/s）Fig.5 Flow patterns with different liquid velocities（θ=75°,vsg=1 m/s）

3 流型圖評(píng)價(jià)

基于上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在工程常用氣液兩相流型圖版的理論計(jì)算值中，各流型界限范圍內(nèi)即為理論預(yù)測(cè)流型，將其與表3 中水平（0°）、傾斜（45°）、垂直（90°）管段下實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。因此，根據(jù)表4 準(zhǔn)確度高低，彭水區(qū)塊水平井流型推薦為：垂直管AZIZ 流型圖+傾斜管GOULD 流型圖+水平管GOIVER 流型圖，圖中各點(diǎn)為理論計(jì)算值，圖例即為同氣液速條件下表3中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，各角度下對(duì)比結(jié)果見圖6。

表4 流型圖版準(zhǔn)確率比較Table 4 Accuracy comparison of flow patterns

圖6 流型圖評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.6 Evaluation results of flow pattern

4 結(jié)論

1）流型影響因素分析表明：氣量對(duì)垂直、傾斜管段流型影響較大，隨氣量的降低，流型依次表現(xiàn)為環(huán)狀流、攪動(dòng)流、段塞流；而液流速對(duì)各管段流型影響較小。

2）基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，以及分段評(píng)價(jià)工程常用的氣液兩相流型圖，推薦彭水區(qū)塊為水平井組合流型圖：垂直管AZIZ 流型圖+傾斜管GOULD 流型圖+水平管GOIVER 流型圖，其中傾斜段流型預(yù)測(cè)正確率最低，正確率為76.67%。

實(shí)際條件中，由于水平井的水平管段是由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井形成，因而其帶有起伏和蛇曲形狀，該實(shí)驗(yàn)中水平段使用直管進(jìn)行模擬，兩者之間存在一定差異，后續(xù)研究及在實(shí)際應(yīng)用中可適當(dāng)考慮此差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。