CN110878688B - 一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气田采气工艺技术领域，特别涉及一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法，通过计算垂直井段临界携液流速、斜井段临界携液流速和水平井段临界携液流速，选择三者中的最大值作为水平井的临界携液流速，根据流速流量计算公式得到水平井临界携液流量，使得计算得到的临界携液流量能够大于或等于高气液比水平井的实际临界携液流量，使得工作人员可根据计算值在井底出现积液之前或初期作出相应的处理措施，最大程度的避免在井底产生影响采气井正常工作的地层水积液，保证采气井的稳定正常的工作，该计算方法原理简单，计算简单，计算值较准确，能够为油气田高气液比水平井开采工艺提供准确重要的指导依据。

Description

一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法

技术领域

本发明涉及油气田采气工艺技术领域，特别涉及一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法。

背景技术

油气田采气井在生产过程中，地层水一般会随天然气一起从采气井井口输出，但是，当采气井产量降低时，气流速度不足以将地层水携带至地面，导致地层水在井底聚积，降低了产气量，严重时将导致气井无法生产，气井开始积液时，井筒内气体的最低流速称为临界携液流速，对应的流量称为临界携液流量，为保证井内气流有足够的能量将地层水携带至地面，采气井的实际产量必须大于临界携液流量，而当采气井的实际产量接近或低于临界携液流量时，则需采取例如加注泡排剂等采气工艺，使井底积液起泡，使井底积液以泡沫的形式随气流输出，减少井底积液量，保证采气井的正常生产，因此，准确地计算采气井的临界携液流量对采气井工艺优化具有重要的指导意义。

目前，国内大量气田采用水平井开采，采气井井筒中线与地球铅垂线的夹角井斜角由0°逐渐变化至90°，具有井斜角不超过10°的直井段，井斜角介于10°至85°的斜井段，井斜角大于85°的水平井段，形状较复杂，且其产出天然气的体积流量与地层水的体积流量之比气液比较高，而目前已有的临界携液流量的计算模型主要是针对的单纯的直井段或斜井段或水平段，不能适用于形状复杂的水平井的临界携液流量的计算，且由于气液比的大小影响了水平井内流体的流态，进而改变了临界携液流量的大小，所以导致了现有的计算模型难以适用于高气液比水平井的临界携液流量的计算。

综上所述，目前亟需要一种技术方案，解决现有的临界携液流量的计算模型难以适用于高气液比水平井的临界携液流量的计算，导致不能准确得到高气液比水平井的临界携液流量，影响高气液比水平井的正常采气的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有的临界携液流量的计算模型难以适用于高气液比水平井的临界携液流量的计算，导致不能准确得到高气液比水平井的临界携液流量，影响高气液比水平井的正常采气的技术问题，提供了一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法，通过计算垂直井段临界携液流速、斜井段临界携液流速和水平井段临界携液流速，并采用三者中的最大值作为水平井的临界携液流速，采用流速流量计算公式计算，得到水平井临界携液流量。

本发明的一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法，根据分析高气液比水平井特点，由于井内流体在从井底流动至井口的过程中，依次经过了水平井段、斜井段和垂直井段，在任意井段内，井内流体流速必须超过该井段的临界携液流速，才能达到携液目的，因此，为了确保水平井内流体整体的携液能力足够将地层水携带至井口外，本发明的计算方法通过依次计算垂直井段临界携液流速、斜井段临界携液流速和水平井段临界携液流速，选择三者中的最大值作为水平井的临界携液流速，通过流速流量计算公式计算得到水平井临界携液流量，使得计算得到的临界携液流量能够大于或等于高气液比水平井的实际临界携液流量，能够让工作人员根据计算值在井底出现积液之前或初期作出相应的处理措施，最大程度的避免在井底产生影响采气井正常工作的地层水积液，保证采气井的稳定正常的工作，该计算方法原理简单，计算便捷，计算值较准确，能够为油气田高气液比水平井开采工艺提供准确重要的指导依据。

作为优选，本发明的一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法具体包括如下步骤：步骤1：收集计算参数：所述计算参数包括生产参数和管柱参数，所述生产参数包括井口压力、温度、气液比、井内流体的物性参数，所述管柱参数包括斜井段平均井斜角、油管截面积；步骤2：判断采气井气液比条件：根据水平井气液比GLR参数，判断采气井是否满足高气液比的条件，当GLR＞4000时，符合高气液比条件。所述气液比为水平井当前产出天然气的体积流量与产出地层水的体积流量之比，而气液比大于4000是高气液比水平井的重要特征，当符合高气液比条件时，可继续采用本发明的计算方法进行计算，反之，采用本发明的计算方法计算得到的临界携液流量误差较大。

作为优选，还包括步骤3：计算天然气密度ρ_g：根据井口压力p和井口温度T计算天然气密度ρ_g，计算公式为：

式中：ρ_g—井口压力、温度条件下的天然气密度，kg/m³；

γ_g—天然气的相对密度，无因次量；

p—井口压力，MPa；

T—井口温度，K；

Z—井口压力、温度条件下的气体偏差系数，无因次量。

作为优选，还包括步骤4：计算水平井临界携液流速v_cr：根据天然气密度ρ_g，分别计算垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2、水平井段临界携液流速v_cr3，并选择三者中的最大值作为水平井临界携液流速v_cr，其中，所述步骤4具体包括如下步骤：步骤4.1：计算垂直井段临界携液流速v_cr1：根据气液表面张力σ、液相密度ρ_l和井口压力、温度条件下的天然气密度ρ_g，计算得到垂直井段临界携液流速v_cr1；步骤4.2：计算斜井段临界携液流速v_cr2：根据气液表面张力σ、液相密度ρ_l、井口压力、温度条件下的天然气密度ρ_g和斜井段平均井斜角α，计算得到斜井段临界携液流速v_cr2；步骤4.3：计算水平井段临界携液流速v_cr3：根据气液表面张力σ、液相密度ρ_l、井口压力、温度条件下的天然气密度ρ_g和重力加速度g，计算得到水平井段临界携液流速v_cr3；步骤4.4：计算水平井临界携液流速v_cr：采用取最大值函数max{ }，取垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2、水平井段临界携液流速v_cr3三者中的最大值作为水平井临界携液流速v_cr。

作为优选，还包括步骤5：计算水平井临界携液流量q_cr：根据水平井临界携液流速v_cr和水平井油管的横截面积A，采用流速流量计算公式，计算得到水平井临界携液流量q_cr，所述流速流量计算公式为：

式中：q_cr—标准状况下的水平井临界携液流量，10⁴m³/d；

A—水平井油管的横截面积，m²；

p—井口压力，MPa；

v_cr—水平井的临界携液流速，m/s；

Z—井口压力、温度条件下的气体偏差系数，无因次量；

T—井口温度，K。

作为优选，用于分别计算垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2、水平井段临界携液流速v_cr3的计算公式由现有针对不同井段的流型特点提出的临界携液流速的计算公式修正得到。由于水平井由垂直井到斜井段再到水平井段，井斜角不断的变化，井内流体流动时的受力状态也随之改变，导致气液两相流型在不同井段内发生明显变化。直井段中，液膜厚度及自身重力在管柱内均匀分布，管柱内液体主要以液滴为主；斜井段中，由于液体重力与气流作用力方向的差异，在管柱底部形成较厚的液膜；在水平井段中，管柱底部液膜厚度相比远大于井管柱顶部的液膜厚度，分层流是主导流型。所以，针对不同井段的流型特点，需要采用不同的用于计算临界携液流速的计算公式，而目前国内外学者提出的不同井段临界携液流速的计算公式，并没有针对高气液这一生产特点，所以，本发明的技术方案采用在现有的针对不同井段的流型特点提出的临界携液流速的计算公式的基础上，进行针对性的修正，使得到的计算公式适用于高气液比水平井的临界携液流速的计算。

目前，国内外学者针对不同井段的流型特点提出了多种临界携液流速的计算方法，如下：

国内外不同井段临界携液流速的计算公式

式中：Q_F—单位周长下的进液流量，m2/s；

f_i—气液界面摩阻系数，无因次；

μ_l—液相动力粘度，Pa·s；

θ—水平井油管和水平面夹角，rad；

D—水力半径，m。

发明人在现有针对不同井段的流型特点提出的临界携液流速的计算方法的基础上，根据50组临界携液流速实际实验测试结果，对原有公式进行修正，得到水平井在高气液比的生产条件下，各井段临界携液流速的计算公式，具体修正过程如下：首先，优选出对于高气液比水平井不同井段准确度最高的临界携液流速计算公式，然后，根据50组临界携液流速实际实验测试结果对原有公式进行修正，得到了水平井在高气液比的生产条件下，各井段临界携液流速的计算公式，经过检验测试，修正后的计算公式曲面拟合度为0.91-1，具体修正如下：

临界携液流速修正结果

式中：v_cr1—垂直井段临界携液流速，m/s；

v_cr2—斜井段临界携液流速，m/s；

v_cr3—水平井段临界携液流速，m/s；

σ—气液表面张力，N/m；

ρ_l—液相密度，kg/m³；

ρ_g—井口压力、温度条件下的天然气密度，kg/m³；

θ—水平井油管和水平面夹角，rad；

α—斜井段平均井斜角，rad；

g—重力加速度，m/s²。

更优选的，为了检验修正后的临界携液流速的计算公式的准确性，发明人采用上述修正后的高气液比水平井临界携液流速，通过流速流量计算公式，计算得到了现有川西地区37口高气液比水平井的临界携液流量，对比这37口高气液比水平井的实际生产情况，检验修正后的临界携液流速公式。具体检验结果如下：

临界携液流量计算结果与实际生产情况对比

结合以上表格，根据37口高气液比水平井的实际生产情况与计算得到的临界携液流量的对比结果可知，修正后的临界携液流速公式的计算结果的准确率达到97.3％，由此说明修正后的临界携液流速公式的准确性符合高气液比水平井临界携液流量的计算，准确性较高，能真实反映高气液比水平井的积液情况，能够为油气田水平井开采工艺优化提供重要的指导依据。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法的有益效果是：

通过计算垂直井段临界携液流速、斜井段临界携液流速和水平井段临界携液流速，选择三者中的最大值作为水平井的临界携液流速，进而利用流速流量计算公式计算临界携液流量，使得计算得到的临界携液流量大于或等于高气液比水平井的实际临界携液流量，能够让工作人员根据计算值在井底出现积液之前或初期作出相应的处理措施，最大程度的避免在井底产生影响采气井正常工作的地层水积液，保证采气井的稳定正常的工作，该计算方法原理简单，计算便捷，计算值较准确，能够为油气田高气液比水平井开采工艺提供准确重要的指导依据。

附图说明

图1是本发明的一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法，通过计算垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2和水平井段临界携液流速v_cr3，选择三者中的最大值作为水平井的临界携液流速v_cr，采用流速流量计算公式计算，得到水平井临界携液流量，其具体包括如下步骤：步骤1：收集计算参数：所述计算参数包括生产参数和管柱参数，所述生产参数包括井口压力、温度、气液比、井内流体的物性参数，所述管柱参数包括斜井段平均井斜角、油管截面积；步骤2：判断采气井气液比条件：根据水平井气液比GLR参数，判断采气井是否满足高气液比的条件，当GLR＞4000时，符合高气液比条件；步骤3：计算天然气密度ρ_g：根据井口压力p和井口温度T计算天然气密度ρ_g；步骤4：计算水平井临界携液流速v_cr：根据天然气密度ρ_g，分别计算垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2、水平井段临界携液流速v_cr3，并取三者中的最大值作为水平井临界携液流速v_cr；步骤5：计算水平井临界携液流量q_cr：根据水平井临界携液流速v_cr和水平井油管的横截面积A，采用流速流量计算公式，计算得到水平井临界携液流量q_cr。

本实施例的一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法，通过计算垂直井段临界携液流速、斜井段临界携液流速和水平井段临界携液流速，选择三者中的最大值作为水平井的临界携液流速，进而利用流速流量计算公式计算得到临界携液流量，使得计算得到的临界携液流量能够大于或等于高气液比水平井的实际临界携液流量，能够让工作人员根据计算值在井底出现积液之前或初期作出相应的处理措施，最大程度的避免在井底产生影响采气井正常工作的地层水积液，保证采气井的稳定正常的工作，该计算方法原理简单，计算便捷，计算值较准确，能够为油气田高气液比水平井开采工艺提供准确重要的指导依据。

优选的，步骤3中计算天然气密度ρ_g的计算公式为：

式中：ρ_g—井口压力、温度条件下的天然气密度，kg/m³；

γ_g—天然气的相对密度，无因次量；

p—井口压力，MPa；

T—井口温度，K；

Z—井口压力、温度条件下的气体偏差系数，无因次量。

优选的，所述步骤4具体包括如下步骤：步骤4.1：计算垂直井段临界携液流速v_cr1：根据气液表面张力σ、液相密度ρ_l和井口压力、温度条件下的天然气密度ρ_g，计算得到垂直井段临界携液流速v_cr1；步骤4.2：计算斜井段临界携液流速v_cr2：根据气液表面张力σ、液相密度ρ_l、井口压力、温度条件下的天然气密度ρ_g和斜井段平均井斜角α，计算得到斜井段临界携液流速v_cr2；步骤4.3：计算水平井段临界携液流速v_cr3：根据气液表面张力σ、液相密度ρ_l、井口压力、温度条件下的天然气密度ρ_g和重力加速度g，计算得到水平井段临界携液流速v_cr3；步骤4.4：计算水平井临界携液流速v_cr：采用取最大值函数max{}，选择垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2、水平井段临界携液流速v_cr3三者中的最大值作为水平井临界携液流速v_cr。

优选的，用于分别计算垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2、水平井段临界携液流速v_cr3的计算公式由现有针对不同井段的流型特点提出的临界携液流速的计算公式修正得到。在现有针对不同井段的流型特点提出的临界携液流速的计算公式的基础上，根据高气液比水平井的流型特征，经过修正得到适用于计算高气液比水平的临界携液流速的计算公式。

优选的，步骤4.1中计算垂直井段临界携液流速v_cr1的计算公式为：

式中：v_cr1—垂直井段临界携液流速，m/s；

σ—气液表面张力，N/m；

ρ_l—液相密度，kg/m³；

ρ_g—井口压力、温度条件下的天然气密度，kg/m³。

优选的，步骤4.2中计算斜井段临界携液流速v_cr2的计算公式为：

式中：v_cr2—斜井段临界携液流速，m/s；

σ—气液表面张力，N/m；

ρ_l—液相密度，kg/m³；

ρ_g—井口压力、温度条件下的天然气密度，kg/m³；

α—斜井段平均井斜角，rad。

优选的，步骤4.3中计算水平井段临界携液流速v_cr3的计算公式为：

式中：v_cr3—水平井段临界携液流速，m/s；

g—重力加速度，m/s²；

σ—气液表面张力，N/m；

ρ_l—液相密度，kg/m³；

ρ_g—井口压力、温度条件下的天然气密度，kg/m³。

优选的，所述流速流量计算公式为：

式中：q_cr—标准状况下的水平井临界携液流量，10⁴m³/d；

A—水平井油管的横截面积，m²；

p—井口压力，MPa；

v_cr—水平井的临界携液流速，m/s；

Z—井口压力、温度条件下的气体偏差系数，无因次量；

T—井口温度，K。

实施例2

本实施例的一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法，以某水平井X井的实际参数为例，对本实施例的计算方法进行说明，其中，X井结构参数及生产数据表如下：

X井结构参数及生产数据表

根据本实施例的一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法，对该X井进行临界携液流量计算具体依次包括如下步骤：步骤2：判断采气井气液比条件：由于该X井的气液比参数为26710，大于4000，符合高气液比的条件；步骤3：计算天然气密度ρ_g：根据计算公式

计算得到，在进口压力5.5MPa，井口温度323K的条件下，天然气密度为39.12kg/m³；步骤4：计算水平井临界携液流速v_cr：根据天然气密度ρ_g，根据计算公式，计算得到X井不同井段临界携液流速如下表：

X井不同井段临界携液流速计算结果

井段类型	临界携液流速(m/s)
		直井段	1.12
斜井段	1.16
		水平井段	1.36

由于水平井段临界携液流速最大，所以，选择水平井段临界携液流速1.36作为水平井的临界携液流速v_cr；步骤5：计算水平井临界携液流量q_cr：根据计算公式

计算，得到该X井的临界携液流量为1.91×10⁴m³/d。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换，而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (5)

1.一种高气液比水平井临界携液流量的计算方法，其特征在于：通过计算垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2和水平井段临界携液流速v_cr3，选择三者中的最大值作为水平井的临界携液流速v_cr，采用流速流量计算公式计算，得到水平井临界携液流量q_cr；

根据50组临界携液流速实际试验测试结果，由现有针对不同井段的流型特点提出的临界携液流速的计算公式修正得到用于分别计算垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2、水平井段临界携液流速v_cr3的计算公式；

计算垂直井段临界携液流速v_cr1的计算公式为：

式中：v_cr1—垂直井段临界携液流速，m/s；

σ—气液表面张力，N/m；

ρ_l—液相密度，kg/m³；

ρ_g—井口压力、温度条件下的天然气密度，kg/m³；

计算斜井段临界携液流速v_cr2的计算公式为：

式中：v_cr2—斜井段临界携液流速，m/s；

σ—气液表面张力，N/m；

ρ_l—液相密度，kg/m³；

ρ_g—井口压力、温度条件下的天然气密度，kg/m³；

α—斜井段平均井斜角，rad；

计算水平井段临界携液流速v_cr3的计算公式为：

式中：v_cr3—水平井段临界携液流速，m/s；

g—重力加速度，m/s²；

σ—气液表面张力，N/m；

ρ_l—液相密度，kg/m³；

ρ_g—井口压力、温度条件下的天然气密度，kg/m³。

2.如权利要求1所述的高气液比水平井临界携液流量的计算方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1：收集计算参数：所述计算参数包括生产参数和管柱参数，所述生产参数包括井口压力、温度、气液比、井内流体的物性参数，所述管柱参数包括斜井段平均井斜角、油管截面积；

步骤2：判断采气井气液比条件：根据水平井气液比GLR参数，判断采气井是否满足高气液比的条件，当GLR＞4000时，符合高气液比条件；

步骤3：计算天然气密度ρ_g：根据井口压力p和井口温度T计算天然气密度ρ_g；

步骤4：计算水平井临界携液流速v_cr：根据天然气密度ρ_g，分别计算垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2、水平井段临界携液流速v_cr3，并取最大值得到水平井临界携液流速v_cr；

步骤5：计算水平井临界携液流量q_cr：根据水平井临界携液流速v_cr和水平井油管的横截面积A，采用流速流量计算公式，计算得到水平井临界携液流量q_cr。

3.如权利要求2所述的高气液比水平井临界携液流量的计算方法，其特征在于：步骤3中天然气密度ρ_g的计算公式为：

式中：ρ_g—井口压力、温度条件下的天然气密度，kg/m³；

γ_g—天然气的相对密度，无因次量；

p—井口压力，MPa；

T—井口温度，K；

Z—井口压力、温度条件下的气体偏差系数，无因次量。

4.如权利要求2所述的高气液比水平井临界携液流量的计算方法，其特征在于：所述步骤4具体包括如下步骤：

步骤4.1：计算垂直井段临界携液流速v_cr1：根据气液表面张力σ、液相密度ρ_l和井口压力、温度条件下的天然气密度ρ_g，计算得到垂直井段临界携液流速v_cr1；

步骤4.2：计算斜井段临界携液流速v_cr2：根据气液表面张力σ、液相密度ρ_l、井口压力、温度条件下的天然气密度ρ_g和斜井段平均井斜角α，计算得到斜井段临界携液流速v_cr2；

步骤4.3：计算水平井段临界携液流速v_cr3：根据气液表面张力σ、液相密度ρ_l、井口压力、温度条件下的天然气密度ρ_g和重力加速度g，计算得到水平井段临界携液流速v_cr3；

步骤4.4：计算水平井临界携液流速v_cr：采用取最大值函数max{ }，取垂直井段临界携液流速v_cr1、斜井段临界携液流速v_cr2、水平井段临界携液流速v_cr3三者中的最大值作为水平井临界携液流速v_cr。

5.如权利要求1所述的高气液比水平井临界携液流量的计算方法，其特征在于：所述流速流量计算公式为：

式中：q_cr—标准状况下的水平井临界携液流量，10⁴m³/d；

A—水平井油管的横截面积，m²；

p—井口压力，MPa；

v_cr—水平井的临界携液流速，m/s；

Z—井口压力、温度条件下的气体偏差系数，无因次量；

T—井口温度，K。

Images