（石油与天然气工程专业论文）液氮伴注排液技术的研究.pdf

液氮伴注排液技术的研究 周丰( 石油与天然气工程) 指导教师：林英松( 副教授) 孙虎( 高工) 摘要 长庆气田经过多年的生产实践已总结出了一整套适合长庆气田低 压、低孔、低渗透气层的压裂酸化改造模式，但是如何在低压气层改造 工作完成后快速有效地排出入井液体，最大限度地减少入井液体对气层 产生的伤害，仍然是一个需要亟待解决的难题。液氮伴注工艺技术就是 针对措施后的排液这一难题而提出的一种气层改造技术。 由于多层气藏渗流的复杂性，过去往往将多层孔隙介质简单的当作 单层介质处理，这样必然造成预测单井产量及气田生产动态的误差。经 过增产改造技术后的多层气藏表皮系数通常表现为负值，此时气体在气 藏内渗流问题的l a p l a c e 空间解不收敛，因此需要深入研究多层气藏中的 渗流机理、流动特性及层l 日j 越流的影响，作为丌发的理论基础。 本文综合利用流体动力学、热力学、传热学的理论，建立了液氮伴 注工艺过程的双流体数学模型，确立计算伴注工艺过程中计算液氮伴注 比的两种方法；编制伴注工艺过程中的数值模拟软件，计算最小液氮比， 为动力设各的选择提供了必要的依据；讨论了液氮伴注工艺过程的影响 因素和现场施工中此工艺过程对设备和现场的要求：给出了液氮伴注工 艺过程的施工参数；并对现场实验效果和经济效益进行了评价。为液氮 伴注工艺技术、连续油管排液技术的优化设计提供了一定的理论基础， 对提高经济效益，更好的增产改造低渗气藏具有重要的工程实际意义。 关键词：低压气层，压裂酸化改造，表皮系数，液氮伴注工艺，数值模 拟 s t u d y o nf l o w i n gt e c h n o l o g yb y l i q u i dn i t r o g e n i n j e c t i o n z h o u f e n g ( o i l & g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl i n y i n g - s o n g s e n i o re n g i n e e rs u nh u a b s t r a c t a f t e ry e a r so fp r o d u c i n gp r a c t i c e ，c h a n g q i n gg a sf i e l dh a sc o n c l u d e da c o m p l e t es e to ff r a c t u r i n ga n da c i d i z i n gr e f o r mp a t t e m ，s u i tt h el o wp r e s s u r e ， l o wp o r o s i t ya n dl o wp e r m e a b i l i t yg a sb e a r i n gf o r m a t i o n h o w e v e r , h o wt o e f f e c t i v e l yb l o wo u tt h ew e l lf l u i d sa n df u r t h e s tr e d u c et h ed a m a g et og a s b e a r i n gf o r m a t i o na f t e rt h er e f o r mt ot h el o wp r e s s u r eg a sf o r m a t i o ni s s t i l l a nu r g e n tp r o b l e m l i q u i dn i t r o g e ni n j e c t i o nt e c h n o l o g yi st h er e f o r m t e c h n o l o g yi nv i e wo f t h ef l o w i n gp r o b l e ma f t e rt h er e f o r mm e a s u r e a st ot h e c o m p l e x i t yo ft h em u l t i l a y e rg a s r e s e r v o i rs e e p a g e ，w e s o m e t i m e sl o o k e dt h em u l t i l a y e rp o r em e d i u ms i m p l ya sm o n o l a y e rm e d i u m ， w h i c hw i l ln e c e s s a r i l yr e s u l ti ne r r o ri nt h ec o u r s eo ff o r e c a s t i n gs i n g l ew e l l p r o d u c t i o na n dg a sf i e l dp r o d u c ep e r f o r m a n c e a f t e rt h es t i m u l a t i o nr e f o r m ， t h es k i nf a c t o ri sm i n u so r d i n a r i l y h e r e ，t h el a p l a c es p a c ek e yo ft h eg a s s e e p a g ei ng a sr e s e r v o i ri sn o tc o n v e r g e n t s o ，i ti sn e c e s s a r yt of u r t h e rs t u d y t h ei n f l u e n c eo f t h es e e p a g em e c h a n i s m ，f l o w i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dc r o s sf l o w , w h i c hm a y b el o o k e da st h ee x p l o i t a t i o nt h e o r e t i cb a s i s t h i sp a p e rm a k e su s eo fh y d r o k i n e t i c s ，t h e r m o d y n a m i c sa n dc a l o r i f i c s t h e o r y , b u i l d su pl i q u i dn i t r o g e ni n j e c t i o nt e c h n o l o g yt w o f l u i dm a t h e m a t i c a l m o d e l ，e s t a b l i s h e st w oc a l c u l a t em e t h o d so fc a l c u l a t i n gi n j e c t i o nr a t i o ；d r a w s u pi n j e c t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t o rs o f t w a r et oc a l c u l a t et h em i n i m u ml i q u i d n i t r o g e nr a t i o ，w h i c hs u p p l i e sn e c e s s a r yc r i t e r i o nf o rt h es e l e c t i o no ft h e e q u i p m e n t ；d i s c u s s e st h ei n f l u e n c ef a c t o r si nt h ei n j e c t i o np r o c e s sa n dt h e r e q u i r ef o rt h ee q u i p m e n t a n dw o r k i n gs i t e ；g i v e st h el i q u i dn i t r o g e ni n j e c t i o n c o n s t r u c tp a r a m e t e r ；a l s oe s t i m a t e st h ei n s i t ut e s t se f f e c ta n de c o n o m i c b e n e f i t t h i sp r o v i d e st h e o r e t i cb a s i st oo p t i m i z ed e s i g no f t h el i q u i dn i t r o g e n i n j e c t i o nt e c h n o l o g ya n dc o i l e dt u b i n gu n l o a d i n gt e c h n o l o g y i ti so fg r e a t e n g i n e e r i n gp r a c t i c em e a n i n g t oi n c r e a s i n ge c o n o m i cb e n e f i ta n db e t t e r r e f o r m i n gl o wp e r m e a b i l i t yg a sr e s e r v o i r k e yw o r d s ：l o wp r e s s u r eg a sb e a r i n gf o r m a t i o n ，a c i df r a c t u r i n gr e f o r m ， s k i nf a c t o ll i q u i dn i t r o g e ni n j e c t i o nt e c h n o l o g y , n u m e r i c a lm o d e l 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，也不包含为获得中国 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。 签名： 2 虱牟 扣6 年。5 具ob 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、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： 2 蜀圭劫6 年岁月乡。日 导师签名： 猁塑：砌年厂 月岁。 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究的目的及意义 天然气作为一种清洁能源和优质化工原料，在我国国民经济持续 快速发展过程中，起着举足轻重的作用。我国陆上盆地蕴藏着丰富的 天然气资源，截止到2 0 0 2 年底，已累计探明天然气地质储量 3 4 3 x 1 0 1 2 m 3 ，其中，约有4 0 的储量为低渗储量，特别是近年来勘探 发现的鄂尔多斯上古与塔里木库车凹陷低渗砂岩气藏，地质储量达到 近1 0 1 0 1 2 m 3 ，它们多为陆相沉积，储气层特征十分复杂，总体表现 为储气层埋藏深( 3 0 0 0 7 0 0 0 r e ) ，多套气层叠合发育、层多、层薄，地 层温度高( 1 0 0 1 4 0 。c ) ，物性非均质性强、地层闭合压力高 ( 5 0 i o o m p a ) ，水力裂缝延伸梯度变化大、压力系统和地应力场各异。 生产中表现出自然产能低或无自然产能，难以直接获得商业性上的开 发利用。增产改造技术是低渗气藏提高单井产量的有效手段，在低渗 气藏的勘探开发中发挥了重要作用。 由于多层气藏渗流的复杂性，过去往往将多层孔隙介质简单的当 作单层介质处理，这样必然造成预测单井产量及气田生产动态的误差。 经过增产改造技术后的多层气藏表皮系数通常表现为负值，此时气体 在气藏内渗流问题的l a p l a c e 空间解不收敛，因此需要深入研究多层 气藏中的渗流机理、流动特性及层间越流的影响，作为开发的理论基 础。 如何在低压气层改造工作完成后快速有效地排出入井液体，最大 限度地减少入井液体对气层产生的伤害，仍然是一个需要亟待解决的 难题。液氮伴注工艺技术、连续油管排液技术就是针对措施后的排液 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 这一难题而提出的一种气层改造技术。连续油管排液技术还可用于新 井诱喷、老井排液。液氮伴注工艺技术分为注入和反排两个过程：注 入过程是高粘气液两相流体沿垂直井简向下的流动；反排过程是气液 两相流体沿井筒向上的流动。连续油管排液技术在连续油管以下部分 是气液两相流体沿井筒向上的流动，在连续油管以上部分是气液两相 流体沿环空管向上的流动。这两种技术的优点是经济方便，而且在气 层改造工作完成后即能及时、快速、高效地排出施工过程中的入井液 体，大大减小入井液体对气层的伤害，也真实反映了气层产能。 因此，综合运用渗流力学和多相流体力学的知识，计算井筒内两 相流体的瞬态压力和温度分布，对于液氮伴注工艺技术、连续油管排 液技术的优化设计，提高经济效益，更好的增产改造低渗气藏具有重 要的工程应用价值，而且具有重要的学术意义。 1 2 国内外研究现状 长庆气田已总结出了一整套适合长庆气田低压、低孔、低渗透气 层的压裂酸化改造模式。但是，如何在低压气层改造工作完成后快速 有效地排出入井液体，最大限度地减少入井液体对气层产生的伤害， 仍然是一个需要亟待解决的难题。液氮伴注工艺技术就是针对措施后 的排液这一难题而提出的一种气层改造技术。长庆气田从1 9 9 6 年开始 采用液氮伴注压裂酸化工艺技术施工，并获得成功。从1 9 9 9 年开始大 规模推广，目前在长庆气田该技术已成为一项常规工艺技术。仅1 9 9 9 年共应用液氮伴注工艺技术施工3 9 井次，有8 8 的井在施工后一次 喷通，且一次放喷的排出程度平均达到6 6 以上；单井平均排液周期 4 天，从而大大缩短平均试气周期。尤其是对低压低产气并的措施后 排液，该技术具有明显的促进作用。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 如何确定注入过程中氮气与改造液的比例关系到施工的成败。已 有的文献只是简单介绍一下返排施工效果，并没有涉及到如何确定氮 气与改造液的比例。 在压裂改造低渗透油层的过程中，一般都因其埋藏深、温度高、 地层压力系数低等因素造成压裂液返排不彻底、滤失严重，导致地层 严重伤害，压裂效果不明显，这个问题在全国各油田都普遍存在。 对此，国内外大多数油田采用在压裂液的前置液中加入经液氮蒸 发而形成的高压氮气的方法，以增加地层的能量，当压后井口泄压时， 地层内的高压氮气的体积迅速膨胀，反推破胶水化液排出裂缝，从而 提高压裂液的返排率，该技术简称液氮助排。另外，液氮助排还有以 下几个优点： ( 1 ) 氮气本身不污染油气层，适合低渗透油层的改造； ( 2 ) 氮气泡沫本身不仅具有良好的防滤失作用，而且还可以减少 压裂液对地层造成的伤害： ( 3 ) 氮气泡沫含水量低，更适合干敏感性地层。 1 2 1液氮伴注工艺技术原理 液氮伴注工艺技术1 】就是在酸化、压裂的工作液体中先加入一定 量的助排剂和发泡剂以降低液体的表面张力，伴注的氮气与工作液混 合形成泡沫状液体进入地层，如图1 1 所示。液氮伴注工艺技术分为注 入和反排两个过程：注入过程是气液两相流体沿垂直井筒向下的流动： 反排过程是气液两相流体沿井筒向上的流动。 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第l 章前言 图1 1液氮伴注施工工艺示意图 伴注的氮气减少了工作液的滤失量和用量，提高了液体效率。因 泡沫状液体密度较低，相应地静液柱压力也较低，从而减少了举升液 体的能量要求，有利于施工结束后的自喷返排。同时由于进入地层和 井筒的氮气储存了大量的压缩能，为混合液提供了返排的动力。放喷 时，井底压力降低，压缩的氮气迅速膨胀，体积增大，进一步降低了 液体密度，减小回压。同时氮气的膨胀能作用在气层内形成局部高压， 使气井能够连续自喷，从而大大提高入井液体的返排速度，将入井液 体大量排出地面，达到助排的目的。 1 2 2 天然气、氮气高压物性 ( 1 ) 天然气高压物性 天然气在各种压力和温度下的物性参数是气藏工程和采气工艺所 必需的基本数据。本节首先介绍在后面章节中所要用到的天然气性质 的计算方法。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第l 章前言 天然气偏差系数： z = l + ( 1 + 爿，+ ；j + 参 p r + ( 爿t + 等) 。， + 丁a 5 a 6 p ；+ 等) 唧卜爿。) 一 所2 警胪瓦p z 2 专 2 ， 础+ 1 ) 鸹m 矧 m s ) 删= a s a 6 p 州锕她船卜m + 刳 4 ， + t ，p r + 等( 1 + 爿。p ；) e x p ( _ 一。尸；) 一o - 2 7 p ， c g2 l 一生丝 z8 p p f p 。c 5 ( 1 6 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 其中： 天然气粘度： 一n ( 等 = a o + a t p ，+ a z p 系数a 依次为 其中 + t - 。+ 爿，p ，+ 爿。p ；+ 爿，p ：) ( 1 8 ) + 巧0 。+ 4 ，p ，+ 4 。p ；+ 爿。p ；) + 巧- ，。+ 彳。，p ，+ 4 ，。p ；+ 以。，p ；) 2 4 6 2 1 1 8 2 ，2 9 7 0 5 4 7 1 4 ，o 2 8 6 2 6 4 0 5 4 ，o 0 0 8 0 5 4 2 0 5 2 2 ， 2 8 0 8 6 0 9 4 6 ，一3 4 9 8 0 3 3 0 5 ，o 3 6 0 3 7 3 0 2 ，o 0 1 0 4 4 3 2 4 1 3 ， o 7 9 3 3 8 5 6 8 4 ，1 3 9 6 4 3 3 0 6 ，一0 1 4 9 1 4 4 9 2 5 ，0 0 0 4 4 1 0 1 5 5 1 2 ， o 0 8 3 9 3 8 7 1 7 8 ，o 1 8 6 4 0 8 8 4 6 ，o 0 2 0 3 3 6 7 8 8 1 ，一0 0 0 0 6 0 9 5 7 9 2 6 3 ， ，= l + 2 + 2 + u 2 s ( 1 - 9 ) “= ( 1 7 0 9 1 0 一2 - 0 6 2 1 0 “，。x 1 8 t + 3 2 ) + 8 1 8 8 1 0 。( 1 - 1 0 ) 一6 1 5 x 1 0 1 9 7 9 。2 = n 2 8 4 8 1 0 1 9 7 9 十9 5 9 1 0 。】 , t t c o z ：c o z 【9 0 8 1 0 1 9 7 。+ 6 2 4 1 0 + 叫 f l u 2 s ：h 2 s 【8 4 9 1 0 3 l g y g + 3 7 3 1 0 1 】 6 ( 1 一1 1 ) ( i 1 2 ) ( 1 1 3 ) 0 所 4 一祀。 以，r ， 枷 一 4 t _ 印 丫弋唧 谚 w 硝 名 疋 群 4 十 o 房 纠丝巧 趾 铊 上啦堕识 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第l 章前言 天然气体积系数： 耻s 粥，枷“等 ( 1 1 4 ) ( 2 ) 氮气高压物性 氮气的分子量为m l q 2 = o 0 2 8 0 1 6k g m o l ，临界压力为 p 。，= 3 3 9 6 m p a 。氮气的状态方程为： p = r r f l 一喜1 l订 v + 岛( 一軎) 一争( 一詈) ( 1 - 1 5 ) 上式中常数n o 、口、b o 、b 、c 分别为 a o = 1 7 3 5 7 1 x 1 0 。2 j m 3 瓜2 。 n = 9 3 4 1 0 9 x 1 0 。m 二| k ； b o = 1 7 7 5 1 l 1 0 4 m 3 坛： b = - 2 4 6 6 4 5 1 0 。m 3 妇； c = 1 4 9 9 1 4 x 1 0 3 m 3 k 3 | k g ； 氮气的密度根据( 1 - 1 2 ) 用迭代的方法计算。在通常状况下氮气 的粘度用下式计算： 胪4 枷。形( ，+ 丁1 0 7 0 ) ( 1 - 1 6 ) 高压下的粘度为： 。e l + , , s x , o3 p 一 ( 剐 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 z ：上上 r tp ( 1 1 8 ) 计算出氮气的密度之后，代入上式，即可得到氮气的偏差因子。 氮气在压力为零p a 时的比热只是温度的函数。0 p a 时的定压和定 容比热表示为 4 锄p ) = r 6 r ( 1 - 1 9 ) ，= o c v 0 仃) = c p 0 仃) 一r ( 1 2 0 ) 常数反依次为：3 7 7 1 0 7 8 ，1 9 3 9 0 5 4 1 0 一，4 2 8 7 6 6 4 1 0 6 2 8 1 0 9 5 6 4 x1 0 一，6 2 6 0 2 6 5 1 0 。1 3 在高压下氮气比热表示为： q c o , t ) q + 等愕( 吉一绷 z ， ，丁) = c ，0 ，丁) + 1 2 3 井筒热传导研究 2 c1 1 2 + 而j 2 一b b n + 一a o a ”r t ( 1 2 2 ) 地层内流体从气藏流入井筒，然后经过井筒进入地面装置或气层 改造工作过程中流体的注入与反排过程温度不断的发生变化，井筒中 流体的物性参数和热力学参数也在不断的随压力、温度的变化而变化 2 - 5 。上述过程实质为井筒内的热损失过程。r a m e y 提出了预测井简内 流体温度分布的经典方法，随后w i l l h i t e 、r a y m o n d 、c h a r l e s 、k e l l e r 、 8 书一韵巍 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 b e l r u t e 、h a n s a n 、a m o l d 、毛伟、冉新权等，在此基础针上对石油工 程中的注蒸汽热采、水泥循环、气举、气井生产等t 艺过程中的热传 导问题进行了研究。这些模型都是将井简内的热传导问题分为两个部 分：从井筒到水泥环的稳态传热过程和从水泥环外界和地层之问的瞬 态传热过程。井筒和周围地层热损失是径向的，忽略了垂直方向上的 热传导。r a m e y 、h a s a n 、a m o l d 给出了瞬态传热过程的函数表达式。 r a m e y 几) = 山l 意卜2 9 “- 2 3 ) ( f ) = 1 1 2 8 1 压0 0 3 届) f d 1 5 “乏4 a r n o l d 如) = ( 1 2 5 ) r a m e y 的表达式只能应用于大时间段情形，h a s a n 的表达式还可 以应用n d , 时间段情形。 1 2 3 流型研究 两相流的主要特点是两楣之间存在一个受流动影响的界面，由于 气液界面的变化，会在两相流中形成不同的流型。对流型的研究可以 从实验观察和流型转变机理两方面进行研究。 对于垂直上升管来说，最常见的流型一般划分为泡状流、弹状流、 块状流和环状流。在实验研究方面，西安交通大学动力工程多相流国 家重点实验室做了许多有意义的工作1 6 - 1 2 1 。陈宣政详细研究了气液两 相流的流型转换过程。王跃社将流型过渡区概念引入到垂直上升管中 来划分流型。何安定利用差压传感器和光纤探针对垂直上升管内的气 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 液两相流在全流型范围内进行了测量，并从统计学角度进行了分析， 为流型的识别提供了一种新方法。鹿院卫利用电导探针和光纤探针对 小长径比倒u 型管内气水两相及油气水三相的流动进行了测量，提出 了倒u 型管内的流型转变界限，建立了相应的流型图。胡志华首次利 用高速摄像系统拍摄到的流型照片对垂直上升管内气水两相流横掠时 的流型进行了实验和理论研究，分析了各种流型的转变机理。在理论 模化方面，t a i t e l & d u k l e r 最早提出了一套合理的物理模型，推导出了 运用于垂直上升管内气液两相流型转的准则关系式，取得了很好的效 果。t a i t e l 等人的工作起到了承前启后的作用。随后，m c q u i l l a n 、 m i s h i m a 、b i l i c k i 、h a s a n 、陈宣政等人也进行了这方面的研究。 对于垂直下降管来说，最常见的流型一般划分为泡状流、弹状流、 环流和液膜流。对于垂直下降管的流型转变，研究的较少。c r a w f o r d 、 b a m e a 提出了低粘度情形下全范围倾角的两相流流型转变的统一模 型。h a s a n 在对垂直上升管内的转变界限进行了一些修正，用于下降 管的流型预测。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室在这方 面也做了一些有意义的工作。鹿院卫对倒u 型管内下降段的流型进行 了详细的研究。王树众对垂直下降管内高粘液体两相流的流型转变进 行了深入的理论研究，提出了预测高粘液体两相流在垂直下降管中流 型转变的方法，该方法具有较高的计算精度。 c a e t a n o 、h a s a n 、k e l e s s i d i s 、l a g e 、张军认为垂直环空管的流型 划分与垂直上升管相同，也划分为泡状流、弹状流、块状流和环状流， 将t a i t e l & d u k l e r 对于垂直上升管的流型转变模型进行修正后来描述 环空管内的流型转换。 l o 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 1 2 4 垂直并筒中气液两相流模拟研究 早期的气液两相流理论是建立在实验基础上的，随着计算技术的 发展，人们逐渐从两相流机理方面入手进行研究，最早提出了均相模 型，随后又发展了漂移流模型和双流体模型。均相模型完全没有考虑 两相的差异，漂移流模型在一定程度上引入了气液两相间的相互作用， 但仍过于简单而无法精确描述两相的运动与空问分布。目前一致公认 最为完善可靠的模型是双流体模型 1 3 - 1 6 】。 均相模型把两相介质看成均匀介质，介质的参数取两相的平均参 数，然后根据单项的均匀介质建立两相流基本方程。早期计算井筒压 力分布的各类多相流关系式最初就是由均相模型发展而来的。1 9 5 2 年， p o e t t m a n n 提出了一个计算井简压力的经验关系式，他将油气水混合物 在井简中的流动处理为均相流动。假设混合物的密度在流动过程中不 发生变化：忽略流体粘度的影响；温度梯度是线性的。此方法适合于 大流量和低气液比情形，在小流量和低密度情形下误差较大。b a x e n d e l l 对p o e t t m a n n 经验关系式进行了修正，使关系式的应用范围有所扩大。 1 9 6 4 年，h o g e d o w n 根据均相流动的能量方程推导出一个计算垂直上 升管内压降的新公式，该方法较p o e t t m a n n 、b a x e n d e l l 方法计算精度 有所提高。这些建立在实验基础上的经验关系式，由于误差较大现在 已经停止使用。 漂移流模型是在热力学平衡的条件下，建立在两相平均速度场基 础上的一种模型。漂移模型提出了一个漂移速度的概念，当两相流以 某一混合速度流动的时候，气相相对于这个混合速度有一个漂移速度， 液体则有一个反向的漂移速度以保持流动的连续性。在守恒方程组中 将相问相对速度以漂移速度来考虑，通过附加的气相连续性方程来描 述气液两相流动。1 9 6 5 年，h o g e d o w n 以漂移模型为基础推导出一个 1 1 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 计算垂直上升管内压降的新公式，两相流动的摩擦系数由m o o d y 图表 获得。在大流量情况下，能量损失主要由摩擦造成；在小流量情形下， 能量损失主要是重位压降引起的。尽管关系式是经验性的，但在应用 中有较高的计算精度。以漂移模型为基础的适用于井筒内气液两相流 动的代表性的数值模拟软件是t a c i t e 。t a c i t e 模型包括二个连续性 方程：气相、液相；一个混合动量方程；一个混合能量方程。t a c i t e 中流型划分为分离流和弥散流两大类。两相间相对漂移的关系由与流 型有关的闭合关系式得到。由于在t a c i t e 模型采用了比较好的封闭 方程，在计算过程中适应性较强。 双流体模型是将每一种流体都看作是充满整个流场的连续介质，针 对两相分别写出质量、动量和能量守恒方程，通过界面的相互作用将两 组方程耦合在一起。对控制方程中的一些项要进行简化处理，需要引入 一些经验关系式才能使方程闭合，这些方程式可以从基于流型的机理性 模型得到。1 9 6 1 年，d u n s 在应用流型的机理方法，研究了压降计算方法。 1 9 6 7 年，o r k i s z e w s k i 建立了覆盖所有流型的垂直管内两相流压降计算方 法，该方法目前还在广泛的应用。随后a z i z 、b e g g s & b r i l l 也进行了这 方面的研究。进入上世纪八十年代之后，井筒压降计算中最具代表性的 是h a s a n 模型和a n s a f i 模型。h a s a n 充分采用了t a i t e l & d u k l e r 等人在 气液两相流动转变机理方面的研究成果，给出了各种流型下油井压力梯 度的计算方法。1 9 9 4 年，a n s a r i 把近年来流型的研究成果结合起来，对 一些关系式进行修正，形成了一套详细的综合机理性的压力降预测方法。 其中流型预测来自t a i t e l & d u k l e r ，泡状流来自g a e t a n o ，已发展的弹状 流来自s y l v e s t e r ，发展中的弹状流来自m c q u i l l a n ，环状流来自h e w i t t 。 2 0 0 0 年，毛伟在此基础上研究了井筒中气液两相瞬态压力、温度分布， 其模型由两个质量守恒方程，一个混合动量方程和一个混合能量方程组 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 成。由于采用了混合动量方程避开了相间的相互作用。何安定利用双流 体模型对垂直井中气液两相流尤其是弹状流的流动特性进行了稳态和瞬 态模拟，但他没有考虑能量方程。基于双流体模型的代表性数值模拟软 件主要有o l g a 。o l g a 采用的是修正的双流体模型。包括三个连续性 方程：气相、液相和卷入气相中的液滴：两个动量方程：气相和液相， 其中在气相动量方程中考虑了卷入其中液滴的影响；一个混合能量方程。 o l g a 中流型划分为两大类：分离流和弥散流。其中的闭合关系式由实 验确定或人为假定，但该模型的求解方法和其中的一些经验关系式等重 要内容没有公开。 1 3 本文研究的主要内容 本文将在前人的研究基础上，综合运用渗流力学和多相流体力学 的知识，进行气藏渗流、井筒压力分布及增产改造的优化设计等方面 的研究。主要的研究内容包括以下几个方面： ( i ) 建立液氮伴注工艺过程的双流体数学模型，确立计算伴注工艺 过程中计算液氮伴注比的两种方法： ( 2 ) 编制伴注工艺过程中的数值模拟软件( 计算最小液氮比，为动 力设备的选择提供了必要的依据) ； ( 3 ) 讨论了液氮伴注工艺过程的因素； ( 4 ) 讨论现场施工中此工艺过程对设备和现场的要求： ( 5 ) 现场实验效果和经济效益评价。 1 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章液氮伴注排液模型的建立 第2 章液氮伴注排液模型的建立 在低压气层改造工作完成后，如何能快速有效地排出入井液体， 最大限度地减少入井液体对气层产生的伤害，仍然是一个需要亟待解 决的难题。液氮伴注工艺技术就是针对措施后的排液这一难题而提出 的一种气层改造技术。它特别适用于低压、低渗地层的压裂改造。它 的优点是经济方便，而且在气层改造工作完成后即能及时、快速、高 效地排出施工过程中的入井液体，大大减小入井液体对气层的伤害， 也真实反映了气层产能。长庆气田从1 9 9 6 年开始采用液氮伴注压裂酸 化工艺技术施工，并获得成功。从1 9 9 9 年开始大规模推广，仅1 9 9 9 年共应用液氮伴注工艺技术施工3 9 井次，有8 8 的井在施工后一次 喷通，且一次放喷的排出程度平均达到6 6 以上：单井平均排液周期 4 天，从而大大缩短平均试气周期。 如何确定注入过程中氮气与压裂液的比例，关系到施工的成败。 本章首先建立液氮伴注工艺技术的一维两相流数学模型，然后运用数 值计算的方法对井筒内的流动进行瞬态模拟，从而确定氮气与压裂液 的最优注入比例。 2 1 液氮伴注工艺排液简化数学模型 2 1 1 简化数学模型的基本方程 液氮伴注排液简化模型示意图如2 - l 所示，假设气液两相流体混 合均匀。要使压裂后的井能够自喷，井简内混合流体的液柱压力p 。加 上井筒摩阻压降p f 再加上井口回压p 。h 必须小于井底流动压力p w f ： 只+ 0 十 ( 2 1 ) 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章液氮伴注排液模型的建立 图2 - 1液氮伴注排液简化模型示意图 2 1 2 混合流体井简液柱压力 井筒中混合流体任意一点处的液柱压力p 可以用下式来表示 p 只= 1 0 。p 【p 仍l 丁o ) 】g d h ( 2 2 ) 在井口处h = h ，可求得整个井筒中混合流体的液柱压力p h ，即： 只= 1 0 。p b ) ，丁) 】鲫 ( 2 3 ) 2 1 3 混合流体在井简中流动时的摩阻 混合流体在井筒中流动时的摩阻与混合流体的气液比、油管的内 1 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章液氮伴注排液模型的建立 径、返排排量等有关