CN107630684A - 连续油管气举排水采气动态过程模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种连续油管气举排水采气动态过程模拟方法及装置，该方法包括：建立指定阶段的连续油管气举排采动态模型；根据预设的时间步长及对应的连续油管气举排采动态模型，动态模拟对应指定阶段内连续油管气举排水采气过程，获得对应指定阶段内各变量在不同时刻的变量值。本申请实施例可实现连续油管气举排采的动态模拟，而动态模拟结果则可为后续连续油管气举排采变量的动态研究提供切实可靠的依据，从而有利于后续优化连续油管气举排采变量。
Description
技术领域
本申请涉及技术领域，尤其是涉及一种连续油管气举排水采气动态过程模拟方法及装置。
背景技术
积液是气井普遍存在的一个问题。由于地层产液，而气体举升液体的能量不足，液体会在井筒中聚集，给地层增加额外的静压力，引起举升能量的进一步降低；严重时，积液甚至可能会完全压死气井。因此，为恢复气井生产需要进行排液。连续油管气举排水采气是指，将连续油管下入到井筒中，气体通过连续油管注入，进入环空的液柱中，降低环空静液柱压力，降低井底压力，从而进一步恢复气井生产。
目前，连续油管气举排水采气技术因其诸多优势，包括：连续油管下放和提起方便，对井型适应性强，注气点深度调节方便等，而在现场应用广泛。自20世纪70年代，我国开始引进连续油管技术应用于现场。1972年，我国开始使用波恩公司的连续油管作业机。现如今，连续油管作业机主要应用于四川、大庆、吉林、吐哈、塔里木等油田。连续油管气举排水采气，因其作业特点，无论是连续油管下放过程，还是注气排液过程都是动态过程。目前由于对连续油管气举排水采气的动态过程研究较少且主要偏向于静态研究，导致连续油管气举排水采气技术缺乏理论指导，现场作业多凭经验，从而容易导致注气量和注气时间等关键参数设计不合理，影响排采效果。
因此，目前亟需一种可模拟连续油管气举排水采气动态过程的技术方案，以指导连续油管气举排水采气。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种连续油管气举排水采气动态过程模拟方法及装置，以实现模拟连续油管气举排水采气动态过程。
为达到上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种连续油管气举排水采气动态过程模拟方法，包括：
建立指定阶段的连续油管气举排采动态模型；
根据预设的时间步长及对应的连续油管气举排采动态模型，动态模拟对应指定阶段内连续油管气举排水采气过程，获得对应指定阶段内各变量在不同时刻的变量值。
优选的，所述指定阶段包括：
油管中液体段塞上行阶段、地面产出液体段塞阶段和雾沫夹带产液阶段。
优选的，所述油管中液体段塞上行阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
连续油管的质量守恒方程：
连续油管的压力关系曲线：
气泡的质量守恒方程：
气泡的动量守恒方程：
液体膜的质量守恒方程：
液体段塞的动量守恒方程：
液体段塞的动量守恒方程：
气泡速度和液体段塞速度之间的关系曲线：
其中，Vct为连续油管体积，ρct1为连续油管顶端气体密度，ρct2为连续油管底端气体密度，mct为连续油管内气体质量，Pct2为连续油管底端气体压力，zv为连续油管底端深度，γg为注入气体比重，为连续油管中的平均温度，为平均气体压缩因子，Pct1为气嘴下游的连续油管气体压力，AB为气泡的横截面积，ρB为气泡中平均气体密度，zB为气泡长度，dt-in为油管内径，dct-out为连续油管外径，y为管壁上液体膜厚度，为通过单流阀的气体的质量流量，q为地层进气流量，fB为气体摩擦系数，vB为气泡速度，g为重力加速度，d为连续油管-油管环空等效半径，PB1为气泡底部的压力，PB2为气泡顶部的压力，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，vf为液体膜速度，ρl为液体密度，vl为液体段塞速度，zl为液体段塞顶端到连续油管底端的高度，Pl为液体段塞顶部的压力，fl为液体摩擦系数，a为气泡速度因子。
优选的，所述地面产出液体段塞阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
液体段塞的动量守恒方程：
其中，zp为连续油管的长度，zB为气泡长度，vl为液体段塞速度，AB为气泡的横截面积，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，vf为液体膜速度，vB为气泡速度，PB2为气泡顶部的压力，Pl为液体段塞顶部的压力，ρl为液体密度，g为重力加速度，fl为液体摩擦系数，d为连续油管-油管环空等效半径。
优选的，所述雾沫夹带产液阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
液相质量守恒方程：
气相质量守恒方程：
气相动量守恒方程：
其中，WE为气芯中夹带液体质量流量，vc为气芯中气体表观速度，z为垂向距离，dt-in为油管内径，dct-out为连续油管外径，ρl为液体密度，y为管壁上液体膜厚度，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，zp为连续油管的长度，为平均气体密度，为通过单流阀的气体的质量流量，ρgd为连续油管底端气体密度，q为地层进气流量，ρgs为井口处气体密度，vgs为井口处气体速度，且vgd为连续油管底端气体速度，且Pgd为连续油管底端气体压力，Zd为当温度为Td，压力为Pgd时，气体压缩因子，R为气体常数，Td为连续油管底端的温度，M为气体的相对分子质量，Pwh为井口压力，Zs为温度为Ts，压力为Pwh时的气体压缩因子，Ts为地面温度。
优选的，所述油管中液体段塞上行阶段内连续油管气举排水采气的模拟过程，包括：
将初始变量输入所述油管中液体段塞上行阶段的连续油管气举排采动态模型；
获得所述连续油管气举排采动态模型在当前时刻的系数矩阵及右端向量；
对所述系数矩阵进行LU分解，获得所述油管中液体段塞上行阶段内各变量对时间的导数；
将预设的时间步长及所述油管中液体段塞上行阶段内各变量对时间的导数代入欧拉方程，获得所述油管中液体段塞上行阶段内各变量在下一时刻的变量值，并形成新的系数矩阵和右端向量；
依此递推，直至所述油管中液体段塞上行阶段结束为止。
优选的，所述地面产出液体段塞阶段内连续油管气举排水采气的模拟过程，包括：
将所述油管中液体段塞上行阶段末获得的变量值输入所述地面产出液体段塞阶段的连续油管气举排采动态模型；
获得所述连续油管气举排采动态模型在当前时刻的系数矩阵及右端向量；
对所述系数矩阵进行LU分解，获得所述地面产出液体段塞阶段内各变量对时间的导数；
将预设的时间步长及所述地面产出液体段塞阶段内各变量对时间的导数代入欧拉方程，获得所述地面产出液体段塞阶段内各变量在下一时刻的变量值，并形成新的系数矩阵和右端向量；
依此递推，直至所述地面产出液体段塞阶段结束为止。
优选的，所述雾沫夹带产液阶段内连续油管气举排水采气的模拟过程，包括：
将所述地面产出液体段塞阶段末获得的变量值输入所述雾沫夹带产液阶段的连续油管气举排采动态模型；
根据所述雾沫夹带产液阶段的气相质量守恒方程及气相动量守恒方程，获得前若干时刻的井口和连续油管底端的气体压力、气体密度及气体速度；并结合连续油管下入深度，建立气体压力、气体密度及气体速度剖面，以确定所述前若干时刻井口至连续油管底端之间各位置处气体压力、气体密度及气体速度；
将所述前若干时刻各位置处气体压力、密度、速度代入所述雾沫夹带产液阶段的液相质量守恒方程，获得液相各变量对时间和位置的偏导；
根据预设的时间步长及液相各变量对时间和位置的偏导，获得下一时刻液相各变量的变量值；
依此递推，直到连续油管底端以上环空内液量等于零。
另一方面，本申请实施例还提供了一种连续油管气举排水采气动态过程模拟装置，包括：
模型建立模块，用于建立指定阶段的连续油管气举排采动态模型；
动态模拟模块，用于根据预设的时间步长及对应的连续油管气举排采动态模型，动态模拟对应指定阶段内连续油管气举排水采气过程，获得对应指定阶段内各变量在不同时刻的变量值。
优选的，所述指定阶段包括：
油管中液体段塞上行阶段、地面产出液体段塞阶段和雾沫夹带产液阶段。
优选的，所述油管中液体段塞上行阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
连续油管的质量守恒方程：
连续油管的压力关系曲线：
气泡的质量守恒方程：
气泡的动量守恒方程：
液体膜的质量守恒方程：
液体段塞的动量守恒方程：
液体段塞的动量守恒方程：
气泡速度和液体段塞速度之间的关系曲线：
其中，Vct为连续油管体积，ρct1为连续油管顶端气体密度，ρct2为连续油管底端气体密度，mct为连续油管内气体质量，Pct2为连续油管底端气体压力，zv为连续油管底端深度，γg为注入气体比重，为连续油管中的平均温度，为平均气体压缩因子，Pct1为气嘴下游的连续油管气体压力，AB为气泡的横截面积，ρB为气泡中平均气体密度，zB为气泡长度，dt-in为油管内径，dct-out为连续油管外径，y为管壁上液体膜厚度，为通过单流阀的气体的质量流量，q为地层进气流量，fB为气体摩擦系数，vB为气泡速度，g为重力加速度，d为连续油管-油管环空等效半径，PB1为气泡底部的压力，PB2为气泡顶部的压力，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，vf为液体膜速度，ρl为液体密度，vl为液体段塞速度，zl为液体段塞顶端到连续油管底端的高度，Pl为液体段塞顶部的压力，fl为液体摩擦系数，a为气泡速度因子。
优选的，所述地面产出液体段塞阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
液体段塞的动量守恒方程：
其中，zp为连续油管的长度，zB为气泡长度，vl为液体段塞速度，AB为气泡的横截面积，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，vf为液体膜速度，vB为气泡速度，PB2为气泡顶部的压力，Pl为液体段塞顶部的压力，ρl为液体密度，g为重力加速度，fl为液体摩擦系数，d为连续油管-油管环空等效半径。
优选的，所述雾沫夹带产液阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
液相质量守恒方程：
气相质量守恒方程：
气相动量守恒方程：
其中，WE为气芯中夹带液体质量流量，vc为气芯中气体表观速度，z为垂向距离，dt-in为油管内径，dct-out为连续油管外径，ρl为液体密度，y为管壁上液体膜厚度，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，zp为连续油管的长度，为平均气体密度，为通过单流阀的气体的质量流量，ρgd为连续油管底端气体密度，q为地层进气流量，ρgs为井口处气体密度，vgs为井口处气体速度，且vgd为连续油管底端气体速度，且Pgd为连续油管底端气体压力，Zd为当温度为Td，压力为Pgd时，气体压缩因子，R为气体常数，Td为连续油管底端的温度，M为气体的相对分子质量，Pwh为井口压力，Zs为温度为Ts，压力为Pwh时的气体压缩因子，Ts为地面温度。
由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例在建立指定阶段的连续油管气举排采动态模型的基础上，根据预设的时间步长及对应的连续油管气举排采动态模型，动态模拟对应指定阶段内连续油管气举排水采气过程，获得对应指定阶段内各变量在不同时刻的变量值，从而实现了连续油管气举排采的动态模拟，而动态模拟结果则可为后续连续油管气举排采变量的动态研究提供切实可靠的依据，从而有利于后续优化连续油管气举排采变量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本申请一实施例的连续油管气举排水采气动态过程模拟方法的流程图；
图2a～图2c为本申请一实施例的连续油管气举排水采气动态过程阶段划分示意图；
图3为本申请一实施例的连续油管气举排水采气动态模型的求解流程图；
图4为本申请一实施例的分析动态结果中，连续油管下深1700m时压力动态模拟图；
图5为本申请一实施例的分析动态结果中，连续油管下深1700m时位移动态模拟图；
图6为本申请一实施例的分析动态结果中，连续油管下深1700m时速度动态模拟图；
图7为本申请一实施例的分析动态结果中，连续油管下深1700m时产气量及井底流压动态模拟图；
图8为本申请一实施例的分析动态结果中，连续油管下深1700m时注气量动态模拟图；
图9为本申请一实施例的优化设计中，定深度方案的不同下入深度时的静液柱压力和总能耗；
图10为本申请一实施例的优化设计中，定深度方案的不同下入深度时的单位压差所需能耗值；
图11为本申请一实施例的优化设计中，分级下入不同方案的注气时间对比图；
图12为本申请一实施例的优化设计中，分级下入不同方案的累积注气量对比图；
图13为本申请一实施例的优化设计中，分级下入不同方案的总能耗对比图；
图14为本申请一实施例的连续油管气举排水采气动态过程模拟装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
参考图1所示，本申请实施例的连续油管气举排水采气动态过程模拟方法，可以包括：
S101、建立指定阶段的连续油管气举排采动态模型。
本申请实施例中，根据连续油管气举排水采气排采过程中气井井口产物，可将排采过程分为三个阶段：油管中液体段塞上升阶段、地面产出液体段塞阶段、雾沫夹带产液阶段。其中：
油管中液体段塞上升阶段为第一阶段，如图2a所示，气体从连续油管进入油管，在环空中形成气泡并持续膨胀，推动液体段塞上行，同时在管壁形成液体膜，段塞上行过程中，井底压力降低，当井底压力低于地层压力时，地层开始产气，液体段塞到达井口时，该阶段结束。
地面产出液体段塞阶段为第二阶段，如图2b所示，液体段塞从在井口产出，液体压头减小，气体和液体段塞快速上升，该持续时间很短，当气体的前缘到达井口时，该阶段结束，另外，井底压力继续降低，地层继续产气。
雾沫夹带产液阶段为第三阶段，如图2c所示，气泡在井口处突破液体，高速运动的气体冲刷管壁面的液体膜，夹带液体在气芯中，随着气体离开井口，同理，地层持续产气，当环空的液体全部产出时第三阶段结束。
本申请实施例中，假设所有过程皆是等温过程；注入气体是实际气体而不是理想气体；气嘴和连续油管单流阀采用孔板公式处理；液体是不可压缩的；气藏流入动态是已知的。在这些前提下，各阶段的连续油管气举排采动态模型可以包括：
1)、第一阶段
①连续油管：
质量守恒方程：
压力关系曲线：
②气泡：
质量守恒方程：
动量守恒方程：
③液体膜
质量守恒方程：
④液体段塞：
质量守恒方程：
动量守恒方程：
⑤封闭方程：
气泡速度和液体段塞速度关系曲线：
2)、第二阶段
在第一阶段模型的基础上，段塞动量守恒方程变为：
3)、第三阶段
液相质量守恒方程：
气相质量守恒方程：
气相动量守恒方程：
上述方程中各符号的物理意义如下表1所示：
表1
其中，
S102、根据预设的时间步长及对应的连续油管气举排采动态模型，动态模拟对应指定阶段内连续油管气举排水采气过程，获得对应指定阶段内各变量在不同时刻的变量值。本申请实施例中，各阶段的连续油管气举排采动态模型可采用数值求解。例如在本申请一些实施例中，可选用LU分解和欧拉方程求解各阶段的连续油管气举排采动态模型，从而便于突出排采过程的动态变化。每个阶段的连续油管气举排采动态模型(即常微分方程组)都构成了一个导数未知的线性代数方程组的系统。其中，系数矩阵和右端向量用当前时刻的因变量的值求得，因变量的导数通过LU分解求得，则欧拉方程中的因变量就更新为下一时刻的值。其中，欧拉方程可以表示为：
其中，为在下一时刻tn+1时，因变量的向量；为在当前时刻tn时，因变量的向量；为当前时刻因变量导数的向量；tn为当前时刻；h为时间步长。
(一)、第一阶段求解：
阶段一方程构成14个变量mct、ρct2、Pct2、PB1、ρB、vB、zB、y、vl、vf、zl、PB2、ρct1、Pct1的系统方程组，写成以下形式：
系数矩阵如下：
其中，a1,1＝1；Zct2为压力Pct2，温度Tct2时连续油管底端的气体压缩因子，Tct2为连续油管底端的温度；a2,3＝1；a3,1＝1；a4,7＝1；a5,5＝ABzB；a5,7＝ABρB；a5,8＝-π(dt-in+dct-out)ρBzB；a6,4＝1；Z为压力P，温度T时气体的压缩因子，T为温度；a7,8＝π(dt-in+dct-out)zB；a8,6＝-AB；a8,8＝π(dt-in+dct-out)(vB-vf)；a8,9＝(Ati-Acto)；a8,10＝(AB-Ati+Acto)；a9,9＝(zl-zB)；a10,11＝1；a11,6＝1；a11,9＝-a；a12,4＝-1；
Zct1为压力Pct1，温度Tct1时连续油管顶端的气体压缩因子，Tct1为连续油管顶端的温度；a13,14＝1；a14,3＝1；
右端向量为：
其中，为通过地面气嘴的注气量；b7＝-(Ati-AB-Acto)vf；
b10＝vl。
在本申请一些实施例中，所述油管中液体段塞上行阶段内连续油管气举排水采气的模拟过程，可以包括以下步骤：
(11)、将初始变量输入所述油管中液体段塞上行阶段的连续油管气举排采动态模型；初始变量可以通过设置得到。
(12)、获得所述连续油管气举排采动态模型在当前时刻的系数矩阵及右端向量；
(13)、对所述系数矩阵进行LU分解，分解为上三角矩阵和下三角矩阵，获得所述油管中液体段塞上行阶段内各变量对时间的导数。
(14)、将预设的时间步长及所述油管中液体段塞上行阶段内各变量对时间的导数代入欧拉方程，获得所述油管中液体段塞上行阶段内各变量在下一时刻的变量值，并形成新的系数矩阵和右端向量，并形成新的矩阵A和右端向量。
(15)、循环上述步骤(12)～(14)，直至所述油管中液体段塞上行阶段结束为止。
(二)、第二阶段求解：
在本申请一些实施例中，所述地面产出液体段塞阶段内连续油管气举排水采气的模拟过程，可以包括以下步骤：
(21)、将所述油管中液体段塞上行阶段末获得的变量值输入所述地面产出液体段塞阶段的连续油管气举排采动态模型；
(22)、获得所述连续油管气举排采动态模型在当前时刻的系数矩阵及右端向量；
(23)、对所述系数矩阵进行LU分解，获得所述地面产出液体段塞阶段内各变量对时间的导数；
(24)、将预设的时间步长及所述地面产出液体段塞阶段内各变量对时间的导数代入欧拉方程，获得所述地面产出液体段塞阶段内各变量在下一时刻的变量值，并形成新的系数矩阵和右端向量；
(25)、循环上述步骤(22)～(24)，直至所述地面产出液体段塞阶段结束为止。
由此可见，第二阶段的求解过程与第一阶段相同，具体求解时，将系数a9,9和右端向量第9项替换为：
a9,9＝(zp-zB)
(三)、第三阶段求解：
在第三阶段求解过程中：
①连续油管
连续油管内，五个变量mct、ρct2、Pct2、ρct1、Pct1的方程构成方程组，系数矩阵和右端向量如下：
其中，a1,1＝1；a2,3＝1；a3,1＝1；a4,5＝1；a5,3＝1；
其中，
②连续油管-油管环空中气相：
该子系统和连续油管子系统之间的联系是通过连续油管底端的气体的质量流量实现。上式(12)是一个常微分方程，气体通过单流阀的质量流量可以由第二阶段求得，从而能够首先解出这一方程，然后计算井口和连续油管底端的气体压力、密度和速度，用它们来构建压力、密度和速度剖面。而气体的质量流量是根据气体密度、速度、连续油管-油管环空(在分析气相时假设液膜厚度相当薄)求得的。因此，通过内插法可以求得连续油管-油管环空中任意位置的气体压力、密度、速度和质量流量的值，进一步导入液相质量守恒方程。
③连续油管-油管环空中的液相：
上式(10)中涉及偏微分方程，在计算的开始阶段，首先在若干个(例如两个)时间步长上求解连续油管部分方程(即上式(1)和上式(2))以及环空中气相的方程(即上式(11)和上式(12))。利用这些方程求得的值来求导数。然后，在下一个时刻上求解液体膜和夹带液体的方程(即上式(10))(这一时间步长是求导的若干个(例如两个)时间步长的和)。接下来，根据当前时刻和上一时刻的变量值求得导数。并采用欧拉积分方法循环计算到该阶段结束。
在本申请一些实施例中，所述雾沫夹带产液阶段内连续油管气举排水采气的模拟过程，具体可以包括以下步骤：
(31)、将所述地面产出液体段塞阶段末获得的变量值输入所述雾沫夹带产液阶段的连续油管气举排采动态模型；
(32)、根据所述雾沫夹带产液阶段的气相质量守恒方程及气相动量守恒方程，获得前若干时刻的井口和连续油管底端的气体压力、气体密度及气体速度；并结合连续油管下入深度，建立气体压力、气体密度及气体速度剖面，以确定所述前若干时刻井口至连续油管底端之间各位置处气体压力、气体密度及气体速度；
(33)、将所述前若干时刻各位置处气体压力、密度、速度代入所述雾沫夹带产液阶段的液相质量守恒方程，获得液相各变量对时间和位置的偏导；
(34)、根据预设的时间步长及液相各变量对时间和位置的偏导，获得下一时刻液相各变量的变量值；
(35)、循环上述步骤(32)～(34)，直到连续油管底端以上环空内液量等于零。
本申请实施例中，上述各阶段的求解流程可如图3所示。
由此可见，本申请实施例具有如下特点：
(1)将连续油管气举排水采气过程进行细化，详细阐述排采过程各阶段各部分的组成及特征，使排采过程的模拟更加全面可靠；
(2)对于每一阶段，依据质量和动量守恒方程，考虑连续油管内部、连续油管-油管环空、液体段塞、气泡、液体膜等各组成部分特点，结合气藏流入动态计算式等相关经验公式，建立连续油管气举排水采气动态模型，利用LU分解求变量对时间的导数，欧拉积分求下一时刻值，循环计算求解模型，实现了各变量动态变化的模拟，不同于传统的静态计算方法，关注点由静态计算结果转移到动态变化过程，为排采变量的动态研究提供切实可靠地依据；
(3)在模型求解的基础上，可以分析连续油管气举排水采气动态过程中的连续油管及油管内部压力、油管内气泡中的气体密度、液体段塞和气泡位移、液体段塞、气泡和液膜速度、注气量等变量的动态变化，从而实现了对连续油管气举排水采气过程的动态模拟，能够更加深入的理解了连续油管排水采气的动态过程及特征；
(4)应用动态模型，可优化设计连续油管下入深度及分级下入次数，获得最佳的作业时间及注气量，有利于现场作业趋于完善。
虽然上文描述的过程流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是，应当清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操作，这些操作可以顺序执行或并行执行(例如使用并行处理器或多线程环境)。
为了便于理解本申请，下面介绍本申请一示例性实施例：
1、计算变量
一口积液气井，井深3231m，井底温度121℃，井口温度27℃，地层压力24.723MPa，井口压力1MPa，井筒积液为2255.5m，油管内径73mm，单流阀直径12.7mm，连续油管外径38.1mm，积液相对密度1.07，注入气相对密度0.967，地层产气相对密度0.967，管壁粗糙度4.6mm，气嘴直径12.7mm，采气指数0.12(104m3/d)/(MPa)2n，连续油管下入深度1700m，注气压力7.6MPa。
2、求解模型
由已知变量代入模型进行求解，结合图3所示流程图详细讲解求解过程：
(1)将已知变量输入模型；
(2)计算第一阶段模型系统方程组的系数矩阵和右端向量；
(3)将系数矩阵和右端向量的值代入程序LU分解计算模块，计算获得14个变量mct、ρct2、Pct2、PB1、ρB、vB、zB、y、vl、vf、zl、PB2、ρct1、Pct1对时间的导数；
(4)设置时间步长如下，
根据排采的进行阶段，不同时刻时间步长取值不同；
(5)将14个变量对时间的导数，和时间步长代入欧拉方程，计算下一时刻的变量值；
(6)循环步骤(2)～(5)，直至液体段塞高度zl等于连续油管下入深度时，即液体段塞到达井口时，第一阶段计算结束；
(7)将第一阶段末变量值代入第二阶段模型；
(8)计算第二阶段系统方程组的系数矩阵和右端向量；
(9)将系数矩阵和右端向量的值代入程序LU分解计算模块，计算获得14个变量mct、ρct2、Pct2、PB1、ρB、vB、zB、y、vl、vf、zl、PB2、ρct1、Pct1对时间的导数；
(10)将变量对时间的导数和时间步长代入欧拉方程，计算下一时刻的变量值；
(11)循环步骤(8)～(10)，直至气泡高度zB等于连续油管下入深度时，即气泡到达井口时，第二阶段计算结束；
(12)将第二阶段末变量值代入第三阶段模型；
(13)由第三阶段气相方程，计算前两个时刻的井口和连续油管底端的气体压力、密度、速度，结合连续油管下入深度，建立气体压力、密度、速度剖面，以确定前两个时刻井口至连续油管底端之间各位置处气体压力、气体密度及气体速度；
(14)将前两个时刻各位置处气体压力、密度、速度代入液相偏微分方程，计算液相各变量对时间和位置的偏导；
(15)由偏导和时间步长，计算下一时刻液相各变量的变量值；
(16)循环步骤(13)～(15)，直到连续油管以上环空内液量等于零，计算结束。
在本申请示例性实施例中，还可以进一步分析动态模拟结果。通过求解模型，获得从排采开始到结束各时间的变量值，然后通过绘图可得到整个排采过程中，变量随时间的变化。由计算知，排采第三阶段，即雾沫夹带产液阶段，液体段塞已经完全从井口排出，气体作为连续相，携带液滴向井口运动，雾状流，各变量随时间的变化保持第二阶段末的趋势不变，因此，对变量的动态分析，可重点放在排采过程的前两个阶段。假设前767s为第一阶段，注气开始到液体段塞到达井口；768-906s为第二阶段，段塞排出井口。
其中，图4展示了系统压力随时间的变化情况。连续油管内压力和油管内连续油管底端压力随时间推移，保持稳定，第二阶段略有下降；气泡顶端在液体段塞中突进，随时间推移压力逐渐下降，第二阶段由于液体段塞排出，压力快速下降。图5展示了液体段塞和气泡位移随时间的变化情况。液体段塞和气泡位置随时间推移逐渐升高，第一阶段末，段塞到达井口；第二阶段末，气泡到达井口；两者位移之差即为举升的液体段塞的长度。图6展示了液体段塞、气泡和液膜速度随时间的变化情况。液体段塞和气泡速度随时间推移逐渐增大，第二阶段由于液体段塞排出，速度快速增加；液膜速度基本保持稳定，在排采初期和第二阶段末，在气泡速度升高的影响下略有增加。图7展示了地层产气量和井底流压随时间的变化情况。由于耦合实时变化的地层流入动态，井底流压随时间推移逐渐减低，低于地层压力时，地层开始产气；井底流压越低产气量越高。图8展示了注气量随时间的变化情况。注气量随时间推移逐渐增加，第二阶段由于液体段塞排出，注气量快速增加；在排采初期，由于单流阀上下游压差大，单流阀注气量突增，随后趋于稳定增长。
此外，在本申请示例性实施例中，在上述分析的基础上，还可以优化连续油管气举排采气。即通过改变连续油管下入深度和分级下入次数，进行方案优化设计。
1)、定深度
连续油管一次性下入一定深度注气，设计九种下入深度：1200m、1300m、1400m、1500m、1600m、1700m、1800m、1900m和2000m；对应的注气压力分别是：3.5MPa、4.3MPa、5.2MPa、6MPa、6.8MPa、7.6MPa、8.4MPa、9.2MPa、10MPa。
每一深度分别用模型进行动态计算，获得注气时间、注气量等排采变量，并计算各方案总能耗。
总能耗：
W＝M×t×60/1000 (15)
其中，M为泵的总能耗，KJ；t为注气时间，min。各方案计算结果可如下表2所示。
表2各方案计算结果及能耗计算结果汇总表
定义单位压差所需能耗值：
总能耗/(原始静液柱压力-当前静液柱压力)＝总能耗/静液柱压力减小值。该值表示连续油管排液采气降低单位静液柱压力时所需要的作业能耗，其值越小表明相同排采效果下，所需作业能耗越小，故该值越小越好。
分析图9和图10，可知连续油管下入深度为1500m、1600m和1700m时，单位压差所需能耗值最小。为取得更好的排采效果，优选连续油管下入深度为1700m。
2)、分级下入
在连续油管下深1700m的基础上，设计连续油管的下入次数与每一级的下入深度，优化设计连续油管下入方式。
设计三级下入方案，连续油管下深：1200m、1440m、1700m；注气压力：3.5MPa。设计四级下入方案，连续油管下深：1200m、1367m、1534m、1700m；注气压力：3.5MPa。
利用动态模型，分别计算不同方案的累积注气量、注气时间和总能耗。具体如下表3、表4和表5所示。
表3三级下入方案计算结果汇总表
表4四级下入方案计算结果汇总表
表5连续油管排水采气方案计算结果汇总表
通过图11、图12和图13的对比分析可知三级下入方案为最佳排采方案。
参考图14所示，本申请实施例的连续油管气举排水采气动态过程模拟装置可以包括：
模型建立模块141，可以用于建立指定阶段的连续油管气举排采动态模型；
动态模拟模块142，可以用于根据预设的时间步长及对应的连续油管气举排采动态模型，动态模拟对应指定阶段内连续油管气举排水采气过程，获得对应指定阶段内各变量在不同时刻的变量值。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (13)
1.一种连续油管气举排水采气动态过程模拟方法，其特征在于，包括：
建立指定阶段的连续油管气举排采动态模型；
根据预设的时间步长及对应的连续油管气举排采动态模型，动态模拟对应指定阶段内连续油管气举排水采气过程，获得对应指定阶段内各变量在不同时刻的变量值。
2.如权利要求1所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟方法，其特征在于，所述指定阶段包括：
油管中液体段塞上行阶段、地面产出液体段塞阶段和雾沫夹带产液阶段。
3.如权利要求2所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟方法，其特征在于，所述油管中液体段塞上行阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
连续油管的质量守恒方程：
连续油管的压力关系曲线：
气泡的质量守恒方程：
气泡的动量守恒方程：
液体膜的质量守恒方程：
液体段塞的动量守恒方程：
液体段塞的动量守恒方程：
气泡速度和液体段塞速度之间的关系曲线：
其中，Vct为连续油管体积，ρct1为连续油管顶端气体密度，ρct2为连续油管底端气体密度，mct为连续油管内气体质量，Pct2为连续油管底端气体压力，zv为连续油管底端深度，γg为注入气体比重，为连续油管中的平均温度，为平均气体压缩因子，Pct1为气嘴下游的连续油管气体压力，AB为气泡的横截面积，ρB为气泡中平均气体密度，zB为气泡长度，dt-in为油管内径，dct-out为连续油管外径，y为管壁上液体膜厚度，为通过单流阀的气体的质量流量，q为地层进气流量，fB为气体摩擦系数，vB为气泡速度，g为重力加速度，d为连续油管-油管环空等效半径，PB1为气泡底部的压力，PB2为气泡顶部的压力，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，vf为液体膜速度，ρl为液体密度，vl为液体段塞速度，zl为液体段塞顶端到连续油管底端的高度，Pl为液体段塞顶部的压力，fl为液体摩擦系数，a为气泡速度因子。
4.如权利要求2所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟方法，其特征在于，所述地面产出液体段塞阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
液体段塞的动量守恒方程：
其中，zp为连续油管的长度，zB为气泡长度，vl为液体段塞速度，AB为气泡的横截面积，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，vf为液体膜速度，vB为气泡速度，PB2为气泡顶部的压力，Pl为液体段塞顶部的压力，ρl为液体密度，g为重力加速度，fl为液体摩擦系数，d为连续油管-油管环空等效半径。
5.如权利要求2所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟方法，其特征在于，所述雾沫夹带产液阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
液相质量守恒方程：
气相质量守恒方程：
气相动量守恒方程：
其中，WE为气芯中夹带液体质量流量，vc为气芯中气体表观速度，z为垂向距离，dt-in为油管内径，dct-out为连续油管外径，ρl为液体密度，y为管壁上液体膜厚度，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，zp为连续油管的长度，为平均气体密度，为通过单流阀的气体的质量流量，ρgd为连续油管底端气体密度，q为地层进气流量，ρgs为井口处气体密度，vgs为井口处气体速度，且vgd为连续油管底端气体速度，且Pgd为连续油管底端气体压力，Zd为当温度为Td，压力为Pgd时，气体压缩因子，R为气体常数，Td为连续油管底端的温度，M为气体的相对分子质量，Pwh为井口压力，Zs为温度为Ts，压力为Pwh时的气体压缩因子，Ts为地面温度。
6.如权利要求3所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟方法，其特征在于，所述油管中液体段塞上行阶段内连续油管气举排水采气的模拟过程，包括：
将初始变量输入所述油管中液体段塞上行阶段的连续油管气举排采动态模型；
获得所述连续油管气举排采动态模型在当前时刻的系数矩阵及右端向量；
对所述系数矩阵进行LU分解，获得所述油管中液体段塞上行阶段内各变量对时间的导数；
将预设的时间步长及所述油管中液体段塞上行阶段内各变量对时间的导数代入欧拉方程，获得所述油管中液体段塞上行阶段内各变量在下一时刻的变量值，并形成新的系数矩阵和右端向量；
依此递推，直至所述油管中液体段塞上行阶段结束为止。
7.如权利要求4所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟方法，其特征在于，所述地面产出液体段塞阶段内连续油管气举排水采气的模拟过程，包括：
将所述油管中液体段塞上行阶段末获得的变量值输入所述地面产出液体段塞阶段的连续油管气举排采动态模型；
获得所述连续油管气举排采动态模型在当前时刻的系数矩阵及右端向量；
对所述系数矩阵进行LU分解，获得所述地面产出液体段塞阶段内各变量对时间的导数；
将预设的时间步长及所述地面产出液体段塞阶段内各变量对时间的导数代入欧拉方程，获得所述地面产出液体段塞阶段内各变量在下一时刻的变量值，并形成新的系数矩阵和右端向量；
依此递推，直至所述地面产出液体段塞阶段结束为止。
8.如权利要求5所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟方法，其特征在于，所述雾沫夹带产液阶段内连续油管气举排水采气的模拟过程，包括：
将所述地面产出液体段塞阶段末获得的变量值输入所述雾沫夹带产液阶段的连续油管气举排采动态模型；
根据所述雾沫夹带产液阶段的气相质量守恒方程及气相动量守恒方程，获得前若干时刻的井口和连续油管底端的气体压力、气体密度及气体速度；并结合连续油管下入深度，建立气体压力、气体密度及气体速度剖面，以确定所述前若干时刻井口至连续油管底端之间各位置处气体压力、气体密度及气体速度；
将所述前若干时刻各位置处气体压力、密度、速度代入所述雾沫夹带产液阶段的液相质量守恒方程，获得液相各变量对时间和位置的偏导；
根据预设的时间步长及液相各变量对时间和位置的偏导，获得下一时刻液相各变量的变量值；
依此递推，直到连续油管底端以上环空内液量等于零。
9.一种连续油管气举排水采气动态过程模拟装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立指定阶段的连续油管气举排采动态模型；
动态模拟模块，用于根据预设的时间步长及对应的连续油管气举排采动态模型，动态模拟对应指定阶段内连续油管气举排水采气过程，获得对应指定阶段内各变量在不同时刻的变量值。
10.如权利要求9所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟装置，其特征在于，所述指定阶段包括：
油管中液体段塞上行阶段、地面产出液体段塞阶段和雾沫夹带产液阶段。
11.如权利要求10所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟装置，其特征在于，所述油管中液体段塞上行阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
连续油管的质量守恒方程：
连续油管的压力关系曲线：
气泡的质量守恒方程：
气泡的动量守恒方程：
液体膜的质量守恒方程：
液体段塞的动量守恒方程：
液体段塞的动量守恒方程：
气泡速度和液体段塞速度之间的关系曲线：
其中，Vct为连续油管体积，ρct1为连续油管顶端气体密度，ρct2为连续油管底端气体密度，mct为连续油管内气体质量，Pct2为连续油管底端气体压力，zv为连续油管底端深度，γg为注入气体比重，为连续油管中的平均温度，为平均气体压缩因子，Pct1为气嘴下游的连续油管气体压力，AB为气泡的横截面积，ρB为气泡中平均气体密度，zB为气泡长度，dt-in为油管内径，dct-out为连续油管外径，y为管壁上液体膜厚度，为通过单流阀的气体的质量流量，q为地层进气流量，fB为气体摩擦系数，vB为气泡速度，g为重力加速度，d为连续油管-油管环空等效半径，PB1为气泡底部的压力，PB2为气泡顶部的压力，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，vf为液体膜速度，ρl为液体密度，vl为液体段塞速度，zl为液体段塞顶端到连续油管底端的高度，Pl为液体段塞顶部的压力，fl为液体摩擦系数，a为气泡速度因子。
12.如权利要求10所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟装置，其特征在于，所述地面产出液体段塞阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
液体段塞的动量守恒方程：
其中，zp为连续油管的长度，zB为气泡长度，vl为液体段塞速度，AB为气泡的横截面积，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，vf为液体膜速度，vB为气泡速度，PB2为气泡顶部的压力，Pl为液体段塞顶部的压力，ρl为液体密度，g为重力加速度，fl为液体摩擦系数，d为连续油管-油管环空等效半径。
13.如权利要求10所述的连续油管气举排水采气动态过程模拟装置，其特征在于，
所述雾沫夹带产液阶段的连续油管气举排采动态模型包括：
液相质量守恒方程：
气相质量守恒方程：
气相动量守恒方程：
其中，WE为气芯中夹带液体质量流量，vc为气芯中气体表观速度，z为垂向距离，dt-in为油管内径，dct-out为连续油管外径，ρl为液体密度，y为管壁上液体膜厚度，Ati为油管内径对应的面积，Acto为连续油管外径对应的面积，zp为连续油管的长度，为平均气体密度，为通过单流阀的气体的质量流量，ρgd为连续油管底端气体密度，q为地层进气流量，ρgs为井口处气体密度，vgs为井口处气体速度，且vgd为连续油管底端气体速度，且Pgd为连续油管底端气体压力，Zd为当温度为Td，压力为Pgd时，气体压缩因子，R为气体常数，Td为连续油管底端的温度，M为气体的相对分子质量，Pwh为井口压力，Zs为温度为Ts，压力为Pwh时的气体压缩因子，Ts为地面温度。
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