（油气田开发工程专业论文）裂缝性气藏排水采气优选管柱研究.pdf

r e s e a r c ho no p t i m i z i n gt u b i n g t e c h n o l o g yo fd e w a t e r i n g m e t h o di nf r a c t u r e dg a sr e s e r v o i r t i a n b o ( d e v e l o p m e n te n g i n e e r i n go fo i l & g a sf i e l d ) d 哦t e db yv i c ep r o f e s s o rf a n l i n g a b s t r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a taw a t e rd r i v i n gg a sr e s e r v o i rw i l lh a p p e nt ow a t e r p r o d u c i n gi nm o s to f a r e aa l o n gw i t hi tb e i n ge x p l o i t e dd e e p l y t h eo u t p u to f g a s w e l li sa f f e c t e db a d l ya n dt h eu l t i m a t eg a sr e s e r v o i rr e c o v e r yr a t i ow i l lb e d e c l i n e dg r e a t l y s ot oi n c r e a s et h eo u t p u t so f g a sw e l l sa n dg a sf i e l d s ，i ti su r g e n t t ot a k ep r o j e c t so fd r a i n a g eg a sr e c o v e r y o p t i m i z i n gt u b i n gt e c h n o l o g yi sj u s t a p p l i e di nt h eg a sw e l l st h a tp r o d u c eal i t t l ew a t e ra n dt h i st e c h n o l o g yg a l l p r o l o n gt h ef l o w i n ga n dt h r o u # l p n t i n gw a t e rt i m eo fg a sw e l l s t h i sp a p e r d e s c r i b e dt h ed i s c o n t i n u o u sf i l t e r i n gf l o wp h e n o m e n o no fg a sa n dw a t e rp h a s e s i nt h ef r a c t u r e dg a sr e s e r v o i r s ，e x p l a i n e dt h er e a s o nw h yt h e g a sw e l l si n f r a c t u r e dr e s e r v o i r su n s t e a d yp r o d u c ew a t e ra n dg a s i te s t a b l i s h e dt h eg a sa n d w a t e ri n f l o wp e r f o r m a n c er e l a t i o n s h i po fv e r t i c a lw e l li nt h ef r a c t u r e dg a s r e s e r v o i r s o nt h eb a s i so f p r e d e c e s s o r sf i - u i t ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ec o h e r e n t c a l c u l a t i n gm e t h o do fp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h eg a sw e l l i t t r a n s f o r m e dt h ec h a r t so fh a g e d o m b r o w nm e t h o dt of u n c t i o n si no r d e rt o p r o g r a m m i n g t h es o f t w a r e i td e s c r i b e dt h er e a s o n a n dm e c h a n i s mo f e n g e n d e r i n gg a sh y d r a t ea n de s t a b l i s h e dt h es t a t i s t i ct h e r m o d y n a m i cm o d e l w h i c hc a np r e d i c tt h ee n g e n d e r i n gp r e s s u r eo rt e m p e r a t u r eo fg a sh y d r a t e i n o r d e rt oc a l c u l a t i n gt h e s e ，i tr e s e a r c h e dt h em e t h o do f c a l c u l a t i n gt h ec o m p o n e n t f n g a c i t y t h r o u g hc o m b i n i n gc r i t i c a lg a sf l o wr a t ef o rg a sw e l l su n l o a d i n ga n d n o d a ls y s t e ma n a l y s i s ，i td e v e l o p e dam e t h o dt h a tc a nb eu s e df o ro p t i m i z i n gt h e t u b i n ga n dp r e d i c t i n gt h er e s e r v o i rp r e s s u r eo f u n d e w a t e r i n g ，b e c a u s ew a t e rw i l l b eb r e a kt of l u i dd r o po f d i f f e r e n td i a m e t e r , t h eg a sw e l lc a na l s or e m o v ep a r to f w a t e r o nt h eb a s i so f t h i sp r i n c i p l e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h em o d e lo f g a sw e l l d y n a m i cl i q u i dl o a d i n gp r o c e s s i te s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c a lm o d e lw h i c hc a n b e u s e df o rc a l c u l a t i n gt h ea x i a lf o r c e ，f r i c t i o na n dc o n t a c tf o r c eo f c u i l e dt u b i n g a c c o r d i n gt ow e l l b o r et r a c k o nt h eb a s i so f a l lt h ea b o v e ，a no p t i m i z i n gt u b i n g t e c h n o l o g yo f d e w a t e r i n gm e t h o ds o f t w a r eh a sb e e na c c o m p l i s h e d k e yw o r d s ：f r a c t u r e dg a sr e s e r v o i r s ，o p t i m i z i n gt u b i n g ，g a sw e l ll i q u i d l o a d i n g ，n o d a la n a l y s i s ，c o i l e dt u b i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 月 1 1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 田遽山d 年 溯年 4 月 厶月 f f 日 ， 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 优选管柱研究的意义 目前我国天然气已经形成的年生产能力达2 3 0 1 0 8 m 3 ，其中四川盆地 是我国较大的已开发天然气产区。四川盆地东部地区于1 9 7 7 年发现石炭系 水驱气藏，石炭系气藏是川东至今发现的所有产层中，唯一具有大面积连 片分布的裂缝一孔隙型储层。四川气藏大都属于封闭性的弹性水驱气藏， 国内外气田开发的实践证明，有水气藏的一次开采的采收率只能达到4 0 左右。裂缝性水驱气藏的开发，一般都采用排水采气开采方式来提高气藏 的采收率“。 随着开采的进行，气田在经历了产能上升、相对稳定、产能递减等开 发阶段后，不可避免的进入中后期开发阶段，气水同产井日益增多，水淹 井已占较大的比例。实践证明，气井的积液对气井的生产和寿命影响极大， 只有气井的工作制度和地层的制度方式相匹配，气井才能把地层的产出液 完全连续排出井口，使气田在依靠自身能量进行一次开采中，能获得较高 的采气速度和最终采收率“”。反之，气井的工作方式与地层的工作方式不 相匹配，不仅将导致气井积液严重、生产不正常，而且会迫使气井关井复 压、间歇生产，甚至因关井后气井也难于复压而早期被水淹死“”。 为了油气田的生存和发展，必须设法使其保持稳产，力求增产，要达 到这一目的首先要优选合理生产管柱；其次要切实加强对产水气井的管理， 分配合理产量；再次要严密监视产水气井的动态变化特征，对它的生产动 态特征进行研究和预测。做到这些，才能延长气井一次开采的带水开采期， 增加带水自喷期的产量，达到提高采收率的目的。 因此气井出水对生产带来了不利影响，为有效控制气井出水对生产的 影响，需了解决定气井工作制度和导致气井水淹最主要的影响因素、诊断 气井积液的方法、产水井的连续排液能力、恢复产水气井自身排液能力最 经济的工艺措施以及如何进行设计计算等，这些问题都是产水气井开发工 艺中必须解决的问题。所有这些问题都涉及到气井连续排液理论合理选择 自喷管柱的工艺技术。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 国内外研究现状 目前，国内外学者发表的有关有水气藏的文章不多，而研究气水两相 裂缝流动特征及流动机理的文章更少。g r k i n g 提出用物质平衡法预测煤 层及泥页岩的出水特征。a k m o l t e 认为最初的井简积液是山于天然气中所 含的水蒸气在流动过程中的冷凝形成的，提出用节点分析方法预测气井的 井筒积液特征1 。在实验方面，英国曾利用岩心进行水驱气试验，采用均 质砂岩模型，其结果比较令人满意，但没有进行裂缝模型气水两相渗流的 实验研究。前苏联人采用有机玻璃制作试验模型，但制作的裂缝是纯裂缝， 因此，其实验现象比较简单，并不能真实地反映实际气藏中气水两相的微 观渗流特征。 卢德唐等在有界地层垂直裂缝井的井底瞬时压力中利用迭加原理， 研究有界地层中垂直裂缝并的井底瞬时压力特征，给出了有井筒存储和表 皮效应时无限大地层中垂直裂缝井的样板曲线，研究了定压边界对井底瞬 时压力的影响。冯异勇等在裂缝性底水气藏气井水侵动态研究中以成 远气田震旦系气藏为例，利用锥进模型对裂缝性底水气藏气井水侵动态进 行了模拟研究；根据气井不同水侵特征归纳出4 种主要的水侵模式，即水 锥型、纵窜型、横侵型和复合型；分析了各种水侵模式的动态特征和地质 基础，为改善裂缝性底水气藏开发效果提供了理论依据“。杨宇等在裂 缝性边水油气藏水侵量计算方法中根据不稳定渗流模型，提出裂缝性边 水水侵量的新计算方法。王允诚等对裂缝性致密储集层中裂缝的分布特征， 即裂缝的宽度、间距、密度、产状和裂缝的充填情况进行了研究，并且分 析了致密砂岩储集层的成岩作用，以及数理统计方法在裂缝性储集层中的 应用，讨论了裂缝性油气藏的储量计算。国内所作实验方面的研究主要集 中在提高采收率方面，并开始开展裂缝性地层气水两相流动的实验研究。 早在五十年代，苏联著名学者a a 布里斯克曼就提出了气井连续排 液的临界流速概念，却苦于当时尚未找到一个决定临界流速值的方法，只 能依照已有的实验资料，取临界流速的计算值为5 r i g s 来确定气井的合理管 柱直径尺寸。1 9 6 9 年，t u r n e r 比较了气井携液的液滴模型和液膜模型，并 在液滴模型的基础上导出了气井携液所需的最小气体流速和最小产量计算 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 公式m 1 。1 9 8 1 年第5 6 届石油工程师学会年会上，s g 威克斯( w e e k s ) 发表了壳牌公司在爱德华高含水、含硫气田上采用小油管排水以延长气井 自喷期的文章。同年，m i 伊路比等人利用t u r n e r 等人的研究成果，进 一步讨论了气体举液的临界速度和产量参数。 连续油管是相对于用螺纹连接下井的常规油管而言的，是卷绕在卷筒 上拉直后直接下井的长油管。到本世纪七十年代，约有2 0 0 多台连续油管 作业机在世界各地进行洗井和氮气举升作业。这期间是连续油管作业快速 发展阶段，但也是探索前进阶段。1 。在七十年代，连续油管焊口损坏、落井 事故逐步上升、作业机械事故也很频繁，连续油管可靠性差的名声几乎宣 告了这种独特设备的灭亡。八十年代是连续油管制造工艺的转折点，1 9 8 0 年美围s o u t h w e s t e r np i p ei n c 首先引入7 0 千磅英寸2 ( 4 8 2 5 8 兆帕) 屈服强 度的高强度低合金钢滚轧连续油管，1 9 8 3 年q u a l i t yt u b i n gi n c 开始采用日 本的3 0 0 0 英尺( 9 1 4 4 米) 长的卷钢板、把连续油管的对焊焊缝减少了一 半。八十年代连续油管管材和制造工艺的改善使得制造和使用更大管径的 连续油管成为可能，连续油管技术进入了更多的作业领域。至今，连续油 管工艺作为省钱、省时、安全的先进技术己用于：所有种类的油井泵送循 环作业；不压井作业；井下工具传输作业；用于油气井生产管柱；作集输 管道；在一些特殊地区和海上用于钻井；在勘探和采油所有阶段的应用都 在增长。文载w o r l do i d ) 1 9 9 2 年9 月，论述了对因原油脱气而停止自喷 的可行、经济、安全和有效的方法。讨论了这种“虹吸”管柱的设计、安 装和维护”“。 对连续油管工作寿命可靠性的研究，直到9 0 年代才真正开始。1 9 8 8 年1 2 月，美国的m c b r i d e 根据在现场应用的经验提出了通过观察连续油管 在使用过程中的直径增大来确定其使用寿命极限的观点。同年1 1 月，s m i 也 提出了一种确定连续油管工作寿命的简单方法1 。1 9 9 0 年， l i p t o n 和 n e w b u r n 对重载条件下的连续油管的塑性变形和疲劳损伤进行了简单的模 拟研究。1 9 9 1 年1 0 月d o w e l ls c h l u m b e r g e r ( d s ) 公司的n e w m a n 和n e w b u m 通过进一步研究认为连续油管在使用过程中存在三个性能极限，即寿命极 限、拉压极限及直径和椭圆度极限o 。1 9 9 4 年，s i s a k 和c r a w f o r d 两人在 总结上述几个疲劳模型的基础上，进行了有限元分析和实尺模型试验，试 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 验油管的屈服强度4 8 3 m p a ，外径3 1 7 5 m m ，壁厚2 2 m m 。试验认为在高内 压下的疲劳失效应该以净累积轴向塑性应变达到临界失效应变为准则来预 估，而临界失效应变可用在单轴拉伸试验中的局部断裂应变来表示o ”。在 低内压下的疲劳破坏可以根据标准的低周疲劳方法来估计。 国内外目前关于优选管柱工艺的研究，都是基于临界流速的概念，没 有考虑当气井积液后的排水量，气井积液后对生产参数变化的跟踪是很重 要的，对优选排水采气工艺提供重要的数据支持，本文在前人t 陆界流速研 究的基础上，对积液后生产参数的计算模型做了研究。另外，优选管柱工 艺应该考虑水合物的影响，实际的生产已经证明了井筒内会生成水合物。 1 3 本文的主要研究内容 ( 1 ) 裂缝性地层气水流入动态和气井产能的研究 包括对裂缝性地层气水两相渗流微观机理和渗流现象的研究，对气水 同产井产能方程和流入动态关系曲线的探讨。 ( 2 ) 气水两相垂直管流的压力和温度分布计算 气水两相垂直管流的压力和温度分布计算是优选管柱排水采气的重 要组成部分。这部分的计算准确与否，直接影响着最后的结果。在计算压 力和温度分布时，同时研究了压力和温度分布的耦合计算方法。 ( 3 ) 优选管柱排水采气理论模型的研究 主要进行了井筒携液临界流速和临界流量的研究；分析了影响井筒中 液滴尺寸的分布的原因并引入了计算方法来对尺寸分布进行计算；分析了 液滴在并筒中的形状，并以此计算了曳力系数：建立了气并积液后动态跟 踪模型，导出了气井产气量、产水量、排出水量、积液高度、井底流压随 着时间的变化关系。对满足产水气井连续排液的合理油管尺寸计算方法进 行研究，并研究了如何用节点分析法综合分析管柱的适应情况。 ( 4 ) 天然气水合物生成条件预测的研究 应用化工热力学的知识，研究了形成天然气水合物的条件和机制，在 此基础上，建立了预测天然气水合物生成条件的统计热力学模型，并研究 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 了计算此模型最重要参数组分逸度的计算方法。 ( 5 ) 连续油管强度校核和下入深度计算 建立了连续油管在井筒内的综合受力模型，并以此分析了如何计算连 续油管的最大下入深度；进行连续油管的应力要素的分析计算，以校核连 续油管的强度。 ( 6 ) 相应软件的编制 在理论研究的基础上，编制了相应的软件。并在理论分析的基础上进 行了实例计算，检验模型的准确性和实用性。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 第2 章裂缝性地层气水不连续流动机理和气井产能研究 2 1 双重介质结构特征 双重介质具有以下特征： ( 1 ) 裂缝性气藏具有双重结构，即基质孔隙结构和裂缝结构。基质孔隙 空间( 包括原生孑l 隙和次生孔隙) 是流体主要储集空间，裂缝是流体主要流 动通道，孔隙和裂缝之间互相连通并且具有各自的孔隙度和渗透率，二者 形成彼此独立而又相互联系的水动力学系统。一般来说，裂缝系统孔隙度 远小于基质孔隙度，而裂缝渗透率比基质渗透率高得多，裂缝性气藏可以 理解为单纯孔隙介质和单纯裂缝介质在空间上的叠合，也就是说，空间上 存在两套孔隙度场、渗透率场、饱和度场、流体压力场和流体流速场等物 理场。微观上，空间某一点处物理量的值( 如孔隙度) 不能理解为这两个场 在该点的叠加，而应理解为在裂缝点厂处孔隙度为，与之相距无穷小的 基质点m 处孔隙度为丸。其它物理量依此类推。 ( 2 ) 裂缝介质和孔隙介质具有不同的压缩性：双重介质不仅具有不同的 孔隙度和渗透率，而且二者的压缩性也有明显的差别。与它们渗透率的差 异相类似，压缩性的差异也是由结构的双重性决定的。由于裂缝尺寸大于 基质孔隙尺寸，故裂缝压缩系数比孑l 隙压缩系数要大得多。当裂缝中流体 的压力降低时，裂缝在有效应力的作用下产生弹一塑性变形，裂缝孔隙度 和渗透率显著降低，相比之下，基质孔隙度和渗透率变化不大。该特征在 油气开发过程中表现为：气藏的初期产量主要受裂缝控制，裂缝中流体动 用程度比较大；而基质是流体主要储集空间，产量递减规律主要受基质中 毛管力渗吸作用的控制，基质中流体动用程度比较小。 ( 3 ) 各向异性：与砂岩储层不同，裂缝性储层的各向异性很明显，不仅 水平方向渗透率与垂直方向渗透率不同，而且在平面上渗透率存在明显的 方向性。 2 2 裂缝性气藏几何模型 裂缝性储层由于在同一储层中存在两种明显不同的孔隙系统，在整个 储层中就存在差异和不连续性。含有细小孔隙并具有高存储能力但渗透率 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 低的基质部分与具有低存储能力，但渗透率很高的裂缝网络部分相互连通， 如图2 1 所示。 为了研究裂缝性储层渗流规律，需要对裂缝性储层几何模型进行简化， 其最经典的模型为w a r r e n r o o t 模型。w a r r e n r o o t 模型对基质系统和裂缝 系统理想化的简化过程如图2 - 2 所示。 袈缝蒸获累统基质蒸统袭缝系统 图2 - 1 基质和裂缝网络系统示意图 裂缝性双重介质渗流模型主要分为两大类：双孔双渗模型( 简称双渗模 型) 和双孔单渗模型( 简称双孔模型) 。 双渗模型考虑了流体在裂缝和基质两套系统中的渗流，流体通过基质 和裂缝流入井底，基质和裂缝系统之间存在流体交换。 对于低渗透裂缝性气藏，基质渗透率很低( 1 1 0 _ 3um ) ，流体在基质 与井筒之间的流动能力很弱，采用双渗模型计算将产生很大的误差。双孔 模型是双渗模型的简化。该模型最早由b a r e n b l a t t 等在1 9 6 0 年提出，此后 不少学者也提出了类似的模型，其中应用最广泛的是w a r r e n r o o t s 模型， 如图2 - 2 所示。在双孔模型中，流体仅在裂缝系统中进行渗流，而基质系统 仅起储集流体以及与裂缝系统进行流体交换的作用，流体不能通过基质流 入井底。双孔模型可理解为由连续且互相垂直的裂缝系统和被裂缝系统所 切害开的基质岩块系统所组成。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 图2 - 2 基质和裂缝f 目络系统示意图 2 3 裂缝性气藏水锁机理 非均质裂缝一孔隙( 洞) 型储层天然气的渗流也需经历三个阶段，即基质 岩块内孔隙一孔隙间的渗流；基质岩块孔隙一裂缝的渗流及裂缝一井底的 渗流。在气藏水侵过程中，天然气渗流的每个环节都可以产生水锁。如孔 隙与孔隙间、岩块与岩块之间、区块与区块之间都可能被水封隔。气井井 筒内及周围裂缝的积液造成气井水淹是另一种形式的水封。具体表现如下： ( 1 ) 孔隙中的水封( 水锁) 当相对高渗孔道或裂缝首先水侵后( 选择性水侵) ，低孔低渗的砂体或被 裂缝切割的基质孔隙中的天然气被水包围，在毛细管效应作用下，水全方 位的向被包围的砂体或基质岩块孔隙侵入，在孔隙喉道介质表面形成水膜、 喉道内气、水两相接触面处的毛管阻力增大，孔隙中的气被水封隔，国内 称之为“水锁”，国外有人称之为“毛细管捕集”见图2 3 。这种水封形式 己被国内外大量岩心水驱气试验所证实。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 圈 承瘫裂缝 图2 - 3 孔隙中的水封示意图 ( 2 ) 低渗岩块( 层) 的水封( 水包气) 低渗岩块中的孔隙层、小裂缝中的气是通过大裂缝或高渗孔道产出的， 而选择性水侵水最先进入大裂缝或高渗孑l 道，由于水体能量高于气层压力， 堵塞了孔隙、微细裂缝中天然气产出的通道，被封隔在低渗岩块和孔隙层 中，即所谓的“水包气”( 见图2 4 ) 。 图2 - 4 低渗岩块水封示意图 大量生产测井资料证明气井、裂缝发育的主要产气层段也就是出水层 段，而不是自下而上逐层水侵，因而在出水层下面或出水层段之间仍有含 气的低渗层段，直接证明了裂缝水侵后对低渗岩块中气的封隔。 ( 3 ) 气藏的封隔 具有统一水动力系统的裂缝性非均质水驱气藏，由于裂缝平面分布变 化很大，造成渗透性横向展布极不规则，区、块之间的连通主要靠裂缝， 当气藏水侵，裂缝首先被水充填后，高渗区内部连通性变差，但仍能保持 内部的压力传递。两个高渗区之间的中低渗带及高渗区与低渗区之间的过 9 骊霜口 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 渡带，裂缝变小，水的侵入或因气藏压力下降后岩石弹性膨胀使裂缝闭合， 使区块间连通性变得更差，甚至被水切断了相互间的联系，产生气藏的封 隔，出现了多个独立的水动力系统。 ( 4 ) 气井的水封( 水淹) 气藏开采是通过气井来实现的，气井出水后，气相渗透率变小，气产 量递减增快，同时井筒内流体密度不断增大，回压上升，生产压差变小， 水气比上升，并筒积液不断增加，当井筒回压上升至与地层压力相平衡时 气井水淹而停产，虽然气井仍有较高的地层压力，但气井控制范围的剩余 储量靠自然能量已不能采出，而被井筒及井筒周围裂缝中的水( 水墙) 封隔 在地下，通常称为“水淹”，也是天然气产出过程中的一种水封形式。直 接影响了气藏的废弃压力和采收率。 2 4 裂缝性气藏气水渗流现象 ( 1 ) 水窜现象 幽2 5 水窜现象 在裂缝一孔隙模型当中，裂缝是主要的渗流通道，并且裂缝具有较高 的导流能力，所以在裂缝一孔隙模型中，水进入模型入口处后，便以极快 的速度在模型中沿裂缝发生水窜现象。其主要原因是：一、气层岩石都是 具有亲水性；二、驱替压差相对较高；三、裂缝的渗流阻力太小。在裂缝 一孔隙模型中，裂缝是产生水窜的客观条件，压差是产生水窜的真正动力9 。 由于裂缝- j y l , 隙模型具有亲水性，当水窜入模型后，水总是沿裂缝壁 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 流动。在水窜没有达到模型出口时，水可以将裂缝中的大量气体驱出，同 时在裂缝曲折和缩颈部位发生卡断现象，将部分气体滞留下来。当水窜到 达模型出口时，气水宏观分布具有如下特征：在大裂缝中，水有可能占据 全部渗流通道，使得微小裂缝中的气体无法经过大裂缝流动；在中小裂缝 中，水往往沿裂缝壁流动，气体在裂缝中央形成气体心子或气体段塞和珠 泡，水成连续相，气成不连续相；在微细裂缝和孔隙中，水仍然分布在孔 隙和裂缝表面，且以连续相的形式存在，而且气体只能通过卡断的形式以 珠泡状留存下来，比较孤立。流动过程中，气相是不连续相，而水的流动 速度和流动通道在不断的发生变化，所以，模型出口的气量和水量不断发 生变化，即波动产水产气。 ( 2 ) 绕流现象 图2 - 6 绕流现象 在裂缝一孔隙模型中，绕流现象也是气水两相的主要渗流特征。实验 中我们观察到，当模型入口处见水后，由于裂缝具有很高的导流能力，在 较低的驱替压差下，水就会以较快的速度进入较大的裂缝，其结果会将许 多孔隙和微细裂缝中的气体封闭起来，这样，气相就成为不连续相。当微 细裂缝中的气泡与后续流动的小气泡聚并，逐步积聚能量，内压逐步增高， 在水动力的带动下，有可能重新开始流动，这样，气泡就会占据部分渗流 通道，水的渗流通道就会减小。因此，在气水两相的裂缝流动过程中，气 水两相争夺渗流通道，所以水的流动通道在不断地变化，同时，由于裂缝 形态不一，裂缝两端的压差大小不等，所以，气水两相流动速度也在时刻 发生变化，这样模型出口水量就会不断地变化，即波动产水产气。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 ( 3 ) 卡断现象 例2 7 卡断现象 卡断也会使得气相成为不连续相。裂缝孔隙模型具有亲水性，水进入 裂缝后，总是沿裂缝和孔隙壁面流动，气体占据孔道中央流动。在比较粗 糙的裂缝表面和狭窄裂缝处形成水膜，使水的流动通道进一步缩小和贾敏 效应进一步加剧，造成流动阻力进一步加大。由于贾敏效应，气泡流经狭 窄裂缝时形状发生改变，即“收缩一变形一膨胀”，使得连续流动的气泡在 狭窄裂缝处发生卡断，成为不连续相。由于气体占据部分渗流通道及气泡 体积的变化，水的流动通道也就不断的发生变化，同时，其流动速度也不 断的发生变化，因此，模型出口的水量也就不断的变化。 综上所述，裂缝形态的复杂性以及气水两相争夺渗流通道引起的水窜 现象、绕流现象和卡断现象使得裂缝性模型中气相的流动通道及流动速度 不断发生变化，而且水在流动中的绕流现象和气体的被卡断现象，使得气 体的流动称为不连续流动，因此，模型出1 ：3 的气量在不断发生变化；同时 由于水的流动通道及流动速度不断发生变化，所以产水量也在不断发生变 化。这样，裂缝性地层中气水向井底的流动具有波动性，表现为波动产水 产气。 2 5 裂缝性气藏直井产能预测数学模型 2 5 1 裂缝气藏产能模型求取方法 对于裂缝性气藏产能模型解析求解通常采用两种方法，一是通过引入n 个裂缝条数进行裂缝气藏产能求取，另外一种是可以采用平均概念上的渗 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 透率进行裂缝系统产能研究“。前者处理上较为复杂，而且产能大小依赖 于裂缝条数，在实际应用中裂缝条数不容易确定，该方法具有很大局限性。 后者处理起来容易，在很多应用实践中能说明问题。因此本文采用后者方 法进行产能评价分析。 2 5 2 裂缝气藏直井产能预测数学模型 ( 1 ) 天然气产能预测数学模型 在裂缝存在的情况下，由于气体膨胀作用使得气体在井底附近的渗流 速度比同条件下液体渗流速度要大得多，气体在近井区的渗流更容易出现 非达西情况，表现为非线性渗流特征“”。 天然气在较高流速下，由于惯性力作用和湍流效应，气体平面径向流 的二项式渗流运动方程为： 軎2 褂愧v 2 ( 2 _ - ) 式中b 非达西流b 因子，描述紊流影响的系数，i n 。 对( 2 - 1 ) 式进行整体积分方法处理。在稳定流动情况下，尽管为非线性 渗流，但井的地面体积产量保持为常数，利用地面产量代换： 由于气体体积系数为：b 。：笔丝。 ，力 v = 轰= 去嚣g 。 仁z ， 式( 2 - 2 ) 代入到( 2 - 1 ) 得到： 軎= 告 去嚣g 。+ 励，! z t p ”吼 2 c ：甸 进一步化简： 薏勿= 南警g 。譬+ 舞骞g 三窘 口4 ， 引入拟压力妒( p ) = 2 篡孟印对上式积分为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 和= 赤百t p , c 譬。l f 了d r + 孬p p s 丽z t 2 p , z e 垡。2l f , 7 d r ( 2 - 5 ) 对上式积分化简得到： 旷驴南警咖号+ 舞器孽三皓一书， 在低压范围内，气体的i 历乘积近似看成常数。 则有纯一2 寿( 矿2 朗 ( 2 7 ) 将上式关系代入到( 2 - 6 ) 式中，整理得到： p 。2 礓2 = 筹警咖号+ 舞气2 铲2 2 q 三 爿p 8 ， 天然气的密度；凡= m 芴a i r i y ；e - , p ( 2 9 ) 将式( 2 - 9 ) 代入到式( 2 - 8 ) 中得： 矿2 驴2 面p s z 警咖号+ 笋篆g 三( 专一书协 考率到裂缝性气藏气水不连续渗流的水窜、绕流、卡断现象，因此气 水的相对渗透率不稳定，是不断变化的，因此井底的产气量产水量具有波 动性。因此天然气的渗透率也不稳定，随时间的变化而变化： p ：= 毛警咖号+ 铬嚣g 三 爿 ( 2 ) 水的产能预测数学模型 由于地层的产水量相对较少，水的渗流速度较低，因此水在裂缝性地 层中的渗流可看成是服从达西定律的平面径向流： g 。：_ _ 2 r e k f w h 委( 2 - 1 2 ) 对上式分离变量积分可得下式： 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 旷型冬( p , - p 可) u 。b 。1 n ! 2 5 3 考虑裂缝性地层变形的产能方程 ( 1 ) 天然气产能预测数学模型 生：i 告1 ：z ，t p , cg 。dr i 七gj 2 砌乙p 实验证明裂缝渗透率与压力为指数关系“”，即： 七= _ j ；p 4 9 ，一 虬d r 竺! k g k j e 一。p t p 1 去等g 。 分离燹量化简得刽： 丝兰塾坠一1 办：盯咖训 2 r c h k k j s 。r 对上式积分： 婴r 三办：f n ，a p 2 n h k r g k ；t s c3 3 p q 1 得到： 糍h号=北一1-e-a(p-p。r)2nhk( 驴劫 ，譬七；l o口队。l 1 ”口j ( 2 ) 水的产能预测数学模型 铲面2 n r k h 軎 2 矶。，七；e 一8 ( n p 面 q w2 荔：一言 分离蛮营并对r 式积分： ( 2 1 3 ) f 2 1 4 ) ( 2 q 5 ) ( 2 1 6 ) f 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) f 2 1 9 ) f 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章气水不连续流动机理研究和产能研究 毫娑畚 毋= p f ，e - a ( p - p ) 勿 2 疵，j ； j 。， ， 。 积分后整理得： 舻掣1 7 叫 。b 。口i l l 二兰。 o 1 6 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章井筒压力、温度梯度计算 第3 章井筒压力、温度梯度计算 3 1 井筒压力梯度计算模型 产水气井井筒内的流动属于气液两相垂直管流，目前预测两相垂直管 流的方法有很多，其中h a g e d o m - - b r o w n 方法最适合气井的气水两相流动 嘲，本文采用h a g e d o m - - b r o w n 方法来计算井筒内的压力梯度分布。 h a g e d o m - - b r o w n 方法的基本压降方程： 鲁= 成g + 端+ 掣 p ， 利用上式求解压力最主要的在于准确计算气水两相混合流体的密度 成和摩阻系数厂m ，计算p 。的关键在于计算持液率h l ，h a g e d o m - - b r o w n 方法在计算持液率日，和摩阻系数厶时不需要判别流型。 3 1 1 持液翠的计算 h a g e d o m 和b r o w n 在试验井中进行两相流实验，得出了持液率的三条 相关曲线( 图3 - 1 、图3 - 2 、图3 - 3 ) ，在使用这三条曲线时，需要计算下面 四个无因次量。 液相速度数( l i q u i dv e l o c i t yn u m b e r ) ： m ，魄f 旦 ( 3 - 2 ) 气相速度数( g a sv e l o c i t yn u m b e r ) ： 驴( p s ， 油管直径数( p i p ed i a m e t e rn u m b e r ) ： 虬= j ( 等) c s q 液相粘度数( l i q u i dv i s c o s i t yn u m b e r ) ： 虬啦b p s ， 1 7 ”攀攀 暑缀h 椭c 卧她慨龇蛐：( 3 - 6 ) ”警 嚣畿夫孙图。溉根据经蛳值； 纪。胁 1 8 ( 3 一鼢 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章井筒压力、温度梯度计算 lo 仉l o 6 争 oo 4 o ，2 o 2 0 1 # i 1 4 i2 10 i 。 ， 1 0 1 0 4 1 0 1 0 4 电 图3 - 2 吼矿一仍关系图 一一 - _ 一 乒 i? 。 l 手 一 ubc 控 i 0 40 d 60c l sc 1 1 0 也 图3 - 3 9 一妒2 关系图 为了方便h a g e d o m - - b r o w 方法的计算机编程应用，上述三个图版分别 利用切比雪夫曲线拟合出三个多项式来方便编程。三个图版的拟和过程如 下： ( 1 ) 图3 1 。一c n u 关系曲线 对图3 - 1 中的曲线，利用曲线拟合应该只有一个多项式，但考虑到其 精度，分别拟合了该图的三次、四次和五次多项式，然后求其平均值来确 定参数，这样所求得的参数比利用单个多项式所求得的参数精度更高。 y 1 = 1 6 9 x 1 0 - 3 + 5 5 2 7 x 1 0 - 2 - 1 1 1 x 1 0 - 1 p 2 + 7 3 6 9 x 1 0 - 2 ；( 3 9 ) y 2 = 1 6 5 2 1 0 。3 + 5 6 7 4 x 1 0 4 n 。一1 2 4 2 x 1 0 1 。2 + 1 1 3 7 x 1 0 。三一3 8 8 2 x 1 0 2 。4 ( 3 1 0 ) 1 9 旦里查垫奎堂! 坐銮! 堡主丝皇 箜! 童茎笪墨垄：塑鏖竖鏖盐苎 y s2 1 7 0 7 x 1 0 4 + 5 1 1 9 x l o 。2 以一4 2 7 6 1 0 。3 孵： 一7 9 1 4 x 1 0 一n + 2 5 7 3 2 、r 一2 5 0 2 孵( 3 1 1 ) c n u = ( 乃+ y 2 + y 3 ) 3 ( 3 1 2 ) ( 2 ) 图3 - 2 巩v 一吼关系曲线 对图3 - 2 中的曲线，同样先求得三次、四次、五次多项式，然后求平 均值。 如果仍 1 0 。： 乃= - 4 2 8 6 x 1 0 4 + 3 2 0 2 x 1 0 4 仍一2 8 5 7 x 1 0 9 卯+ i 1 9 x i o2 4 i 疗( 3 1 3 ) y 2 = 1 9 8 8 x 1 0 - 2 + 1 4 3 1 x 1 0 4 妒l + 2 4 6 9 x 1 0 9 p ； 一5 6 2 5 x 1 0 ”刃+ 3 1 2 5 x 1 0 ”贫( 3 1 4 ) y 3 = 2 2 0 3 x 1 0 - 1 1 8 5 6 x 1 0 5 妒l + 7 8 1 3 x 1 0 ”衍1 4 3 8 x 1 0 ”衍 + l ，2 5 x 1 0 “群- 4 ，1 6 7 x 1 0 2 5 妒? ( 3 ，】5 ) 如果1 0 4 仍 1 0 4 ： y l = 1 2 1 7 x 1 0 - 1 + 3 6 2 5 x 1 0 3 奶一3 5 4 2 x 1 0 7 刃+ 2 0 8 3 x 1 0 “p ? ( 3 1 6 ) y 2 = 1 3 3 8 x 1 0 。1 + 2 4 2 x 1 0 3 纯+ 4 7 3 5 x 1 0 6 衍 一3 4 0 9 x 1 0 “伊? + 2 6 5 2 x 1 0 ”妒? ( 3 1 7 ) _ ) ，3 = 1 3 1 2 x 1 0 - 1 + 2 8 9 9 x 1 0 3 伊i - 2 4 3 4 x 1 0 7 妒? + 4 3 2 7 x 1 0 1 1 妒? 一6 6 3 9 1 0 ”衍+ 4 1 2 1 x l o ”衍 ( 3 1 8 ) 如果1 0 - 4 纠 1 0 4 ： y l1 1 7 3 3 x 1 0 - 1 + 1 0 0 2 x 1 0 3 9 l - 3 8 0 3 x 1 0 5 妒? + 4 3 2 6 x 1 0 7 妒? ( 3 ，2 2 ) 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章井筒压力、温度梯度计算 y 2 = 1 3 2 7 x l o 。1 + 1 5 1 9 x 1 0 3 妒i 一1 0 1 8 x 1 0 6 妒? + 2 7 2 4 x i 0 8 衍一2 4 6 7 x 1 0 ”衍( 3 2 3 ) y ，= 1 1 1 2 x 1 0 。+ 1 9 0 8 x 1 0 3 纯一1 8 9 6 x 1 0 6 衍+ 8 7 7 8 x 1 0 8 衍 一1 8 3 8 x 1 0 “衍+ 1 4 0 5 x 1 0 ”妒?( 3 - 2 4 ) 吼y = + y 2 + y 3 ) 3( 3 - 2 5 ) ( 3 ) 图3 - 3y 一仍关系曲线 对于图3 3 的曲线有： y l = 6 1 0 1 x 1 0 一+ 3 1 1 印2 - 1 9 7 8 x 1 0 2 p ；一5 0 0 2 x 1 印；( 3 2 6 ) y 2 = 8 3 2 9 x 1 0 - 0 3 1 0 4 妒2 + 1 1 8 7 x 1 0 3 妒； 一2 2 9 6 x 1 0 4 妒；+ 1 2 4 6 x 1 0 5 妒；( 3 - 2 7 ) y 3 = 1 3 0 3 7 8 2 1 妒2 + 5 6 3 7 1 0 3 妒；一1 3 5 7 x 1 0 5 妒； + 1 4 1 4 1 0 6 妒；一5 4 1 4 1 0 6 伊；( 3 - 2 8 ) 3 1 2 犀阻系数的计算 。 为了确定摩阻系数厶，h a g e d o m 和b r o w n 首先定义两相雷诺数。： 儿。：! 坠 ( 3 2 9 ) t