黄 斌，张庭玮，傅 程，付思强，贺世博，黄立凯

(1.东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2.大庆油田博士后科研工作站，黑龙江 大庆 163413；3.大庆油田 第二采油厂，黑龙江 大庆 163414)

在天然气田的生产开发过程中，天然气井的积液现象十分普遍，这种现象使得气井产量下降甚至造成气井不能正常生产。对于已经投产的气藏，大概有80%的有水气藏，中石油四大气区出水井约有6 000口，产量占总产量的60%。因此，研究气井积液的诊断方法和临界携液模型的梳理与发展趋势意义重大。

要解决气井积液问题，需要对气井积液进行准确判断，如今水平气井积液诊断方法主要包括生产数据分析法、生产测试法、理论分析法，本文对这些方法进行整理分析，同时针对不同的井段建立了不同的气井携液模型，解决了不同井段的临界携液流量计算问题，增强了模型计算的准确性。

1 气井积液机理

在天然气井的生产早期，井筒内的各种流体以环状流形式流动，这时井筒内的气体都以较高的流速运行[1]。随着石油资源开发年限的逐步延长，气体携液量逐渐下降，当气体的流速低于临界携液的流速时，液体就开始快速地聚集，产量也随之开始大幅度地降低，井筒中的流态由环状流转变成了段塞流。这时由于气体的产量继续减少，气流不再把液体直接携带到井口，最终形成了井底的积液[2]。气井积液过程如图1所示。

图1 气井积液过程Fig.1 Gas well liquid accumulation process

2 气井积液诊断方法

2.1 生产数据分析法

该方法是将产液量、产气量等气田常规数据与生产数据进行比较，若出现以下几种情况：产量急剧减小、气井出液量急剧下降、井口油压或套压急剧下降、油套压差增加、井底压力或其压力梯度快速增加、气井间喷等，则可判断为积液。

油套压差法[3]是没有节流器的生产井进行井筒积液判断最常用的一种方法，井筒是否积液可以通过油套压差大小直观判断，并能初步估算气井积液量。

油管内液面的深度：

(1)

套管环形空间的液面深度：

(2)

式中，Hlt为油管液面深度；Hlc为套管液面深度；ρ为液体密度；Pc1、Pc2分别为井筒积液前后套压；Pt1、Pt2分别为井筒积液前后油压。

对于正常气井，当油套压差增大，说明油管中的流动损失很大，携液能力不足，举升不正常，积液较多，液体不能完全被气体携带出来，或者短时间内油压和套压急剧降低也是井筒积液的表现特征[4]。

但是该方法对于有封隔器的气井并不适用，而且油套压差下降的原因不止气井积液一种，可能造成对于气井积液情况的误判。

2.2 生产测试法

在生产或关井状态下，在井筒内进行压力剖面试验或采用其他仪器对气液界面进行探测，以判断井内是否有积液[5]。这种方法的优势是能精确诊断，缺点是无法长期持续监测，不能对即将积液的气井起到预警作用，发现时气井已经积液。另外，该方法需要进行作业和配备有关仪器，增加了开发费用。

实测压力梯度曲线法[6]是生产测试法的主要方法，目前现场使用的压力测试过程比较简单，是在关井以及在生产过程中，对深度不同位置的压力进行测试。压力梯度曲线随着井身以及密度等因素会发生显著的变化，以此来判断气井中的积液情况。气体的重率计算公式如下：

(3)

式中，γ为气体在井底状况下的重率；γSC为气体在地面标准状况下的重率；P为井底压力；PSC为地面标况下的压力；Z为地面标况下的压缩因子；ZSC为在井底条件下的压缩因子；T为地面标况下的温度；TSC为井底温度。

式(3)对井筒内任何位置的气体重率都可以进行计算。气液混合的压力越大，表明井中含水的量越大，反映到压力梯度图中时，梯度曲线越陡。

在判断气井积液的几种方法中，实测压力梯度曲线法是最直观的方法。每一气井没有发生积液时的压力梯度不同，不能单独看曲线中的梯度值，也需要关心曲线的波动和拐点[7]。

2.3 理论分析计算法

理论分析计算法包括临界流量计算法、凝析水量计算法。临界流量计算法将在下一节详述。凝析水量计算法适合生产初期无自由水产出的井。根据井口与井底的条件，分别计算凝析水量，再与理论计算凝析水量进行比较就可以判断气井是否积液[8]。

凝析水量计算公式[9]是井底条件下的天然气饱和含水量和井口条件下天然气饱和含水量的差值。

Qw=Qg×W

(4)

W=1.601 9×10-4A[0.32(0.056 25T+1)]BC

A=3.4+418.027 8/P

B=3.214 7+3.853 7×10-2P-4.775 2×

10-4×P2

C=1-0.489 3S-1.757S2

式中，Qw为气井凝析水量；Qg为气井产气量，104m3/d；W为水气比；P为压力；S为氯化钠含量；C为矿化度校正系数。

这种判断方法的假设是地层无自由水产出且地层自然条件下天然气完全被水蒸气饱和，不适用于有边/底水产出的气井，因此该方法的适用性较差。气井积液判断方法分析见表1。

表1 气井积液判断方法分析Tab.1 Analysis of judgment method of gas well liquid-loading

3 水平井气井携液模型

临界携液模型是预测气井积液的重要手段，因此临界携液模型的建立对于天然气井的生产具有重要意义。本文对于水平井三段的临界携液模型分别进行了梳理与总结。

3.1 直井段

(1)液滴模型。Turner[10]最先提出液滴和液膜两种解释气井积液的理论，然后比较了两种物理模型，结果表明，液滴模型能更加准确的反应液体在井筒内的运动情况，并上调20%的安全系数。Turner模型认为井筒内随气流运动的液滴是圆球型的，是后来许多学者研究气井携液理论的基础，已成为预测临界携液流量的经典算法。李闽等[11]认为井筒内气流携带的液滴是椭球型的，相比于Turner模型，更加符合现场数据。根据以上研究可以发现，很多学者认为井筒内运动的液滴形状不变，曳力系数和关系式系数都是定值，这就导致计算模型具有一定的局限性。

目前，有学者认为气流携带的液滴会发生变形，曳力系数也不是一个定值，液滴变形也是携液模型需要考虑的因素[12]。细化了临界携液模型的影响因素，弥补了现有的直井液滴模型曳力系数为定值的缺陷，适用条件更广。

(2)液膜模型。也有部分学者认为直井内液相还是以液膜形式存在，潘杰等[13]基于液膜理论，认为液膜模型中也会夹带液滴，液滴夹带判据为临界液膜流量和临界气相流速。李金潮等[14]根据液膜在不同气速范围内的速度分布规律，将液膜与管壁剪切应力为零时对应的气速作为气井积液临界气速，并考虑管径、液相流速、气芯中液滴夹带等因素的影响，构建了适用于垂直气井积液预测的零剪切应力模型。

(3)积液位置研究。Sutton等[15]认为临界携液流速的计算条件是位于井口或井底。一般情况下，如果井口压力大于1 000 psia，则应使用井口条件来计算临界速度。低于100 psia的低压作业应根据井底条件来计算临界速度。王毅忠等[16]提出最小携液临界流量的变化与产液气井的类型相关，而且产水天然气井的计算条件一般都是以井底的情况为准，而产凝析油的气井则应以井口最小临界携液流量情况为准。积液位置的研究为临界携液模型的计算提供了确切的计算条件。

(4)可视化实验。魏纳[17]对液滴模型、液膜模型进行可视化研究。实验结果表明，液滴与液膜在管流中是不断交替出现的，液膜模型虽然在垂直管流中不占主导地位，但也对气井积液影响巨大。可视化实验能够了解气井积液过程中气液两相流的变化过程，以及液滴在管流中的形状变化情况。

3.2 斜井段

(1)液膜模型。Belfroid等[18]考虑了倾角对于气井积液预测的影响，将传统Turner模型和Fiedler形状函数[19]相结合，提出了适用于带有倾角的井筒的临界携液模型，该模型在预测水平井斜井段积液方面优于Turner模型。Chen Dechun等[20]将井筒内的流体划分为筒心的气芯和管壁附近的液膜，建立了斜井井筒的液膜模型，分析了修正项对井斜度、油管直径等不同井参数的敏感性。相比Belfroid模型，陈德春模型考虑了管壁对液滴的影响。利用Belfroid的数据对模型进行验证，在与数据的匹配方面甚至优于Belfroid模型。

(2)液滴模型。Shi Juntai等[21]通过实验研究发现，井筒内的较大液滴呈半汉堡形，在斜井井筒中，半汉堡液滴的形态用半汉堡液滴的平面与垂直于流动方向的横截面之间的夹角来描述，它随液滴的倾斜角度而变化。这一研究将临界携液流速与液滴宽度联系到一起，适用于多裂缝水平井的积液判断。

(3)可视化实验。刘永辉等[22]建立了一套可视化气水两相流动模拟实验装置，利用高速摄像机观察液膜反转现象，与之对应的流速便是临界携液流速。将实验与理论模型相结合，能够更准确地预测气井积液的发生，更加贴合现场实际情况。

3.3 水平段

对于水平段来说，管内气液两相流型一般为分层流[23]，此时的管底液膜厚度远大于管顶。通过实验，肖高棉等[24]发现水平段对于水平井携液影响并不大，但在之后的研究中又发现，由于水平段流型是分层流，因此管底液膜厚度远大于管顶液膜厚度，这会导致水平段积液，此时，界面不稳定波动在水平段是主要的影响因素。水平段对应的携液模型有携带沉降模型和K-H波动模型[25]等。水平管分层流模型如图2所示。

图2 水平管分层流模型示意Fig.2 Diagram of horizontal pipe layered flow model

Lin等[25]利用线性稳定理论，发现K-H波动理论在非黏条件下能正确预测分层流的稳定流动，建立K-H波动不稳定发生的水平管连续携液模型。Andritsos等[26]研究发现，液滴雾化大概是在气速形成K-H不稳定波动的两倍时，建立的连续携液模型是基于K-H不稳定波动理论。

携带沉降机理[27]是井筒内的高速气流将液体以液滴的形式夹带到管顶，从而引起液膜厚度的变化，而管顶液膜又由于重力沿管壁回流至管底。管中液滴的形成和携带与气液界面的波动密切相关，气液界面波动将气泡卷入到液膜中，而浮力会使气泡上升并向周围的液膜聚集。此时的液膜由于受到重力作用、气液界面的剪切力与气泡破裂而变得非常薄，最终导致液泡破裂，形成一些小液滴。其中一部分液滴被气流直接带走，从而引起液滴携带；另一部分液滴沉降在管壁四周形成液膜，如图3所示。

图3 携带沉降机理示意Fig.3 Carrying sedimentation mechanism diagram

4 结论与展望

(1)几种气井积液的诊断方法都有各自的适用性，只使用一种方法并不能完全准确地预测气井积液，而且每种方法都有一定的局限性。

(2)携液模型目前存在的问题是对于液滴尺寸无法准确测量，液膜模型存在的问题则是无法准确测量气液界面的剪切力及液膜和管壁面的剪切力共同作用下的液膜所受的实际剪切力。

(3)许多对于临界携液模型的改进，都是以Turner模型为基础进行改进，他们之间的差别需要进一步分析。尽管临界携液模型有很多，但是没有能够完全使用于大部分气井的模型，模型的合理性和具体适用条件还需要进一步确定。需要将理论模型与实验结合起来，通过实验进一步了解携液机理，提出适用范围更广的携液模型。