彭水区块水平井简化全井段流态模拟及流型图版优选

2020-02-11魏瑞玲王光彪魏风玲段承琏吴小丁

油气藏评价与开发 2020年1期

魏瑞玲，王光彪，魏风玲，段承琏，刘静，吴小丁

（1.中国石化中原油田石油工程技术研究院，河南濮阳457000；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500）

水平井井筒中流体流动属于气液两相管流的研究范畴，其两相界面变化性较强，流动现象较单相管流复杂得多，因而通常需借助实验手段进行观测和定义[1-3]。针对水平井两相流问题，国内外学者采取各种方法来开展流态模拟实验，从而推进两相管流模拟实验的发展[4-5]。黄建勇[6]建立了国内第一套小曲率半径水平井井筒多相流流动规律模拟实验装置；谢宾[7]研制出水平井井筒连续油管沉砂携带与孔眼分流室内模拟实验装置；肖高棉[8]观测到“L”型水平气井连续携液模拟实验装置管段中的连续携液与积液过程；高升[9]研制了可调节造斜段任意角度定向井连续携液模拟实验装置；王琦等[10]建立了水平井井筒流动模拟实验装置以研究水平井各井段的携液能力。预测方法即流型图板，水平井井筒流动涉及垂直管、倾斜管和水平管的上升流动，其中比较典型的研究：垂直管方面，DUNS 和ROS[11]在常压条件下开展了约4 000次气液两相流动实验，且采用无因次气相、液相速度准数绘制了垂直管两相流流型图；ORKISZEWSKI[12]基于148 口油井实测数据，对比分析了多个垂直管气液两相管流模型，分不同流型择其优者，给出了垂直管泡状流、段塞流、过渡流、雾状流流型形成界限关系式；AZIZ[13]引入修正系数X、Y，绘制了油-气两相混合流动时的垂直管流型图，流型分别为泡状流、段塞流、过渡流、环状流与雾状流；TAITEL[14]基于各流型转变的物理机理，综合考虑流体物性、管径等影响，建立了垂直管气液两相流流型预测模型；高庆华等[15]根据雷诺相似原理，以井筒两相流室内模拟试验为基础，研究了垂直管流型和两相流流动特性，并分别以两相混合物雷诺数和气液相表观速度比为横纵坐标绘制了垂直管流型图。同时，GOULD、BARNEA、DIAZ 等的研究发现为倾斜管的两相流型界定提供了参考。GOULD[16]采用空气和水作为流动介质在管径25 mm、管斜角45°的倾斜上升管中进行了气液两相流动实验，得出了一幅倾斜管流型图；BARNEA等[17]在常压下采用空气和水作为流动介质，分别在管径为19.5 mm 和25.5 mm 的倾斜管段内开展了流型实验，得出了倾角在-10°～10°范围内的倾斜管中的气液两相流流型和流型图；DIAZ等[18]以空气—水为流动介质，开展倾角为14.6°和25°、内径60 mm、管长16 m的两相流流型实验，重点研究了段塞流的段塞频率和分布长度。水平管方面，GOIVER[19]根据26 mm 水平管内空气—水混合物流动实验绘制了水平管两相流流型图；MANDHANE等[20]基于空气—水小管径实验，以气、液表观流速为横、纵坐标绘制了水平管流型图；邵奇[21]基于TAITEL和DUKLER[22]提出的流型判别准则，利用Java语言开发了流型边界计算软件，绘制了相应流型图。综上可以看出，水平井井筒流动涉及垂直管、倾斜管和水平管的上升流动，而3 种管段由于角度不同，流型现象差异较大，尤其是倾斜管流型规律复杂，目前其相关研究较少。现有流型预测方法多是针对低气液比油井条件提出的，不适用于高气液比水平气井条件，尤其各流型图对彭水区块水平井的适用性尚待验证。

本文基于彭水区块水平井生产参数，开展室内两相管流模拟实验，分析各因素的影响规律，并与工程常用的两项流型图版进行拟合，优选出适用于彭水区块水平井的两相流型图板，为彭水区块水平井井筒流态判断与预测提供依据，也给后续工艺措施的选择和实施提供参考。

1 实验方案

1.1 实验参数确定

彭水区块生产井数据见表1。

采用弗劳德数（Fr）对实际高压气井的气液两相流动与实验条件下低压的流动进行转换。

式中：ρ为气、液密度，kg/m3；u为流速，m/s；g 为重力加速度，m/s2；D为管径，m；Δρ为气液密度差，kg/m3。

基于弗劳德数相似理论，本文以井口、井底的压力、温度数据对气液流速进行折算，以涵盖生产过程中参数的最大、最小值，力图含纳全井筒生产动态变化。实验条件（压力0.1 MPa，温度20 ℃，实验管段内径40 mm）下的气液相表观流速分布范围如图1。

由相似准则折算出气相表观流速范围分别为0.03～20.4 m/s、0.18～9.4 m/s。结合液流速计算和倾斜角度对流动型态的影响，以微元体方法选取典型气液速作为流态模拟参数，气水两相实验参数范围如表2。

表1 彭水区块水平井生产参数Table 1 Production parameters of horizontal wells in Pengshui Block

图1 实验气相表观流速计算Fig.1 Calculation of apparent velocity for experimental gas phase

表2 气水两相实验参数Table 2 Experimental parameters of gas-water two-phase

1.2 水平井模拟实验装置

整个实验流程为一闭合回路，采用空气和水作为实验介质（图2）。水由柱塞计量泵自水箱抽出，经流量调节阀调控，通过液体流量计测定水量；空气则通过空气压缩机加压后，经气体流量计计量，然后进入T型管与水混合，一同流入水平井模拟实验装置，观察水平井垂直段、斜井段、水平段内气液两相流流型，利用高速摄像机捕捉典型流型现象，探索相同参数条件下井斜角对流型的影响规律，并实时测试入口气/水流量、压力温度等参数。

图2 水平井井筒气液两相流动模拟实验装置Fig.2 Experimental device for simulating gas-liquid two-phase flow of horizontal wellbore

2 实验结果与分析

开展150组水平井井筒流动模拟实验，分别捕捉了垂直管段、倾斜管段、水平管段的典型流型现象，详见表3。

2.1 管斜角

定流速（气速vsg=1 m/s，液速vsl=0.01 m/s）变管斜角时观察到的流型现象见图3。随着管斜角的增加，分层流逐渐变为段塞流，如图3a～3e，表明水平管段气液在重力分异作用下更容易分层，角度增大导致气液混合更加充分，容易出现气液交替上升的段塞流。

图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 实验结果Table 3 Experimental results

同时，分层流仅存在于0°条件下（图3a），管斜角略微增加，造成液膜回流堆积，分层结构被破坏；搅动流仅出现在管斜角大于15°条件下（图3c），原因在于当管斜角小于15°时，气液重力分异作用使得气体趋向于聚集在管子上部，难以出现气液混杂、搅动、震荡上升的搅动流型，且随着管斜角的增大，搅动流形成的临界气量变低；环状流在各管斜角条件下均存在。

2.2 气量

管斜角75°、液流速0.1 m/s 时，不同气流速下观察到的流型现象（图4）。气流量足够高时，液体沿管壁形成一个流动的液环，气流占据主要空间，在实验管中心汇合形成气柱，支撑管壁四周液膜向上运动，并将气液界面上部分液体撕裂成液滴夹带在中心气流中，呈现环状流流型特征（图4a）。含气率减小时，气相从连续相逐渐过渡到分散相，液相则相反，气体连续向上流动并举升液体，部分液体下落、聚集，而后又被气体举升，呈现混杂、振荡式的搅动流流型特征（图4b）。气速进一步减小，气泡的趋中效应导致管内众多小气泡聚集，以大气泡形式分布在连续液相内（图4c）。随着气量增大，大气泡直径增大，栓塞状气泡几乎充满实验管段过流断面，较长的2个大气泡间由塞状液相隔开，形成一段气一段液的交替结构，呈现段塞流流型特征。

2.3 液量

管斜角75°、气流速1 m/s时，不同液流速下观察到的流型现象如图5，液相表观速度在0.01～0.4 m/s之间变化时，倾斜管段井筒均呈现一段气一段液的交替上升的段塞流流型特征。液量对井筒流型类型影响较小。

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

3 流型图评价

基于上述实验数据，在工程常用气液两相流型图版的理论计算值中，各流型界限范围内即为理论预测流型，将其与表3 中水平（0°）、倾斜（45°）、垂直（90°）管段下实测结果进行比较，结果见表4。因此，根据表4 准确度高低，彭水区块水平井流型推荐为：垂直管AZIZ 流型图+倾斜管GOULD 流型图+水平管GOIVER 流型图，图中各点为理论计算值，图例即为同气液速条件下表3中实验观测结果，各角度下对比结果见图6。