低气液比气井持液率及井底压力计算

低气液比气井持液率及井底压力计算

如果在气井中积聚水井，气井的产量和气藏采收率将降低，井管柱的腐蚀和其他损害将增加。为保证气井平稳生产,避免井筒积液,气井产气量必须大于携液临界流量,因此确定携液临界流量是非常值得研究的问题。在气井实际生产过程中,气液两相流的流态一般可以分为雾状流、过渡流、段塞流和气泡流。文献针对高气液比(气液比高于1400m3(标)/m3)的雾状流条件下携液临界流量进行了研究。气液比较低情况下气液两相流的流态为过渡流、段塞流和气泡流,一些学者对井筒压力计算进行了研究,但没有研究携液临界流量。本文以HagedornBrown井筒压力计算方法为基础,定义了理论持液率和实际持液率,并通过对其进行比较来确定气井的携液临界流量,还讨论了携液临界流量的影响因素,经生产实践证实,本方法是可行的。1充压降预测模型当气井在低气液比的状态下生产时,井筒内气液两相可能存在着各种不同的流态,流体的非均质性相当强。因此,在确定携液临界流量时,难以求得类似雾状流条件下两相实用的、严格的数学解析解。一般是从物理概念和基本方程出发,采用实验和无因次分析方法得到描述某一特定两相管流过程的一些无因次参数,然后根据试验数据得到经验关系式。文献基于所假设的压力梯度模型,根据大量的现场试验数据计算持液率,提出了适用于各种流型条件下的两相垂直上升管流的压降关系式,该关系式不需要判别流型。文献分析结果认为:对大直径铅直管中的气液两相流的压降预测,采用Hagedorn-Brown方法最为准确。因此,本文以Hagedorn-Brown井筒压力计算方法为基础,对携液临界流量进行研究。理论持液率是指在一定气体流速条件下一定井段内气流能够携带的最大液相体积与总的井筒体积之比,可利用Hagedorn-Brown方法计算其值;实际持液率是指在一口实际生产气井中一定井段内液相体积与总的井筒体积之比。根据理论和实际持液率的定义,可以得出低气液比携液临界流量的确定原则为:利用Hagedorn-Brown井筒压力计算方法计算井筒各段的理论持液率和压力,然后根据井筒压力和气液比计算全井筒各段的实际持液率,并将各个井段的理论持液率和实际持液率绘制在同一图上进行比较;如果各段的理论持液率都大于实际持液率(见图1),则认为在该产气量条件下气井能够正常携液生产;通过计算不同产气量条件下气井携液生产情况,找出的能够保证气井正常携液的最小产气量,就是低气液比的携液临界流量。2计算固液体吸收的临界流量的方法2.1持液率的计算Hagedorn-Brown实验研究认为,理论持液率与4个无因次参数有关:液体速度数、气体速度数、管子直径数和液体黏度数,计算公式如(1)～(4)式,利用计算值通过查图可以得到理论持液率(H1)。液体速度数N1v:气体速度数Ngv:管子直径数Nd:液体黏度数Nμ:在求出理论持液率之后,分别利用(5)式和(6)式(气液两相流的压力基本方程)就可以计算气液混合物密度和井筒各段压力。2.2实际固定率的计算在计算得到理论持液率和井筒各段的压力后,根据实际持液率的定义可推导出它的计算式:2.3携带液临界流量计算计算出理论和实际持液率后,分别绘出二者与井深的关系曲线(见图1),比较它们的大小,当井筒各段的理论持液率都大于实际持液率时,表明气井能够正常携液;然后逐渐减少气井产气量,计算并比较井筒各段的理论和实际持液率,直到找出能够保证气井正常携液的最低产气量,就是携液临界流量。由于低气液比携液临界流量的确定需要计算不同流量下井筒各段的理论和实际持液率,计算工作量非常大,手工计算无法完成,必须编程序来进行计算。3携带液临界流量的计算式由持液率与井深关系曲线(见图1)可以得到以下认识:①理论和实际持液率都随着井深的增加而增加,这主要是由于气流在井筒中上升时受到的压力逐步减少,而气体体积和气体流速有所增加,但两者增加的幅度不同。②在产气量较低的情况下,随着井深的增加,实际持液率的上升幅度大于理论持液率上升幅度;在以某些产气量生产时,井筒上半段能够正常携液,而下半段不能正常携液(见图1产气量为5000m3/d的曲线);由此可见井底附近是确定携液临界流量的关键点。③随着产气量的增加,理论和实际持液率都增加,只有当产气量达到一定值后,沿井筒各段的理论持液率都大于实际持液率,此时气井才能正常携液。因此,可以通过逐步增加产气量的方法来找出携液临界流量。分析低气液比携液临界流量的计算式,可知携液临界流量与气体类型、气体密度、液体密度、气液比、气层中部深度、地热梯度和气液表面张力以及油管横截面积、井底温度、井口油压、油管直径、管壁粗糙度和液体黏度有关。但是,对于一口具体气井而言,前7项参数基本可以认为是定值;而管壁粗糙度与管材质量有关,一般情况下粗糙度变化不大。在这些参数一定的情况下,气体的井底密度和井底压力只与井口油压和油管直径有关。因此,只需要分析井口油压、油管直径、液体黏度和气液比对携液临界流量的影响。由于低气液比的变化范围较大,且其大小决定着液量的多少,所以它对携液流量的影响较大。3.1降低井底流动压力表1中数据表明:随着气液比增高,携液临界流量降低,井底流动压力也降低。主要是由于气液比增高使含气量增高,而含水量降低使携带水量减少,携液更加容易,且水在井筒中产生的液柱压力也减少。3.2井底流动压力表2中数据说明:随着井口压力的增加,携液临界流量和井底流动压力都增加;这主要是随着井口压力的增加,整个井筒压力相应增加,相同产量下气体的体积要减少,假设携带液体要求气流速度不变,携液临界流量也需要增加。3.3同的气液比情况下,各井底流动压力变化不大由表3数据可知,随着油管内径的减小,在相同的气液比情况下,携液临界流量减少,而井底流动压力变化不大;在满足携液的临界流量情况下,影响井底压力的主要因素是气液比。3.4井底流动压力随水流量的变化水的黏度随着温度的上升而下降,井筒中温度随着井深的增加而上升。前已述及,在井底附近实际持液率最有可能大于理论持液率,它是决定携液临界流量的关键;但井底附近温度最高,水的黏度最低。由表4可见,随着水的黏度上升,携液临界流量下降,而井底流动压力只有很小幅度的降低。因此,为保证能准确地计算携液临界流量,必须考虑使用井底温度条件下的水的黏度。在使用低气液比临界流量时,由于气流所含的液相较多,所以与高气液比相比井筒气柱形成压力高。表5是高、低气液比的井底流动压力对比表,由表看出:在其它条件相同的情况下,由于气液比不同,井底流动压力相差相当大,且井底流动压力随着气液比降低而增加。这样,对于低气液比的气井而言,为了实现气井正常携液,要求气层具有相当高的压力。4井底压力和井底积液利用计算携液临界流量的方法,检验了两口低气液比生产气井,生产参数和相关计算结果列于表6,其它实际生产参数为:井口温度20℃,油管内径62mm,管壁粗造度0.5mm,水的黏度0.789mPa·s,气的黏度0.02mPa·s,水的表面张力52mN/m,水的密度1080kg/m3,气体相对密度0.65。对于一口气井而言,井底压力只有一个值,不论是利用油压按照井筒流动压力方程计算,还是利用套压按照井筒静止气柱压力方程计算,在没有积液的情况下二者计算结果差别应该很小;如果相差较大,说明井筒存在积液。表6中气井1产气量低于携液临界流量,分别利用油、套压计算了井底压力,它们值相差大,可以判定井底有积液,说明气井不能够正常携液。该井的油压和产量随时间的推移下降幅度较大,表明井筒积液在增加。相反,气井2的产气量高于携液临界流量,分别利用油、套压计算的井底压力相差很小,可以判定井底没有积液,表明气井能够正常携液;该井呈现平稳的生产状态。这两口气井的实例计算表明:低气液比携液临界流量的确定方法与实际生产数据相吻合。5低气液比气井影响低气液比携液临界流量的因素有:气液比、井口油压、油管内径和水的黏度,其中气液比为主要影响因素。与高气液比正常携液不同的是:在相同产气量情况下,低气液比气井的井底流动压力相当高;因此要求低气液比的气井不仅需要一定的产气量,而且必须具备相当高的气层能量。现场实例分析表明该方法是可行性的,计算结果与实际生产情况相吻合。u3000定长剂群落气、水系统水质好,实行分区联动,明确井Nv——液体速度数,无因次;Ngv——气体速度数,无因次;Nd——管子直径数,无因次;Nμ——液体黏度数,无因次;σ——气液表面张力,N/m;ρg——气体密度,kg/m3;ρ1——液相密度,kg/m3;ρm——气液混合物密度,kg/m3;μ1——液相黏度,Pa·s;usl——液相表观速度,m/s;usg——气相表观速度,m/s;um——气液混合物速度,m/s;d——油管内径,m;H1——理论持液率,无因次;Hactual——实际持液率,无因次;△H——垂直管深度增量,m;△p——垂直管压力增量,MPa;