CN115012925A - 一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法，属于气井排采工艺技术领域。所述方法包括：收集目标区块参数；开展物理模拟实验，测量垂直井筒持液率；构建了表达气体密度以及随着持液率变化的相似准数来表征不同气流速（持液率）在不同压力下（气体密度）的流动相似性；利用持液率相等来表征流动相似，拟合相似准数的系数，将不同压力条件下的流动归一到同一相似准数，实现常压与中压的持液率随相似准数的变化曲线重合；利用高压气井生产数据计算该相似准数数值并折算到常压条件对应气流速，该气流速下的常压两相流动实验流型即为对应的高压气井井筒流型。因此，该计算方法简单适用，为排采工艺优化设计提供理论依据。

Description

一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法
技术领域
本发明属于气藏排水采气领域，尤其涉及一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法。
技术背景
气井的生产总伴随着液体产出，随着气藏能量的降低，气井产气量会逐渐降低，部分气井可能会出水，使得产水量增大，导致井筒流动复杂。不同气液流速下井筒会呈现不同的流动型态。由于气井井筒很深，沿程温度与压力变化大，导致井筒会出现不同流型，准确预测井筒流型是气井井下工况诊断和排水采气设计的基础和前提。
气液两相流流型研究发展至今，仍以实验研究为主，主要通过观察或者某些技术对流动特性测量，由此得到经验图版或转变公式。尽管存在一些理论分析和对应的半经验关系式，目前的研究趋势也正朝模型化及数值化发展，但由于两相流动高度复杂性，流型及其转变与流动特性密切相关，机理模型尚不完善，反而由于极其简化的界面结构和复杂的参数关系式，导致模型预测精度整体上低于经验模型。
受限于实验范围，经验预测方法的运用会受到一定限制。采用基于相似性原理的无因次准数坐标轴能够扩宽其运用范围。影响两相流动型态的参数众多，不同研究者所考虑影响流型的参数并不一样。尽管实验数据大量重叠，但目前仍未有统一的标准。总地来讲，采用简单二维坐标系几乎不可能全面揭示流型变化规律。因此，在特定两相流动研究时，考虑最主要的影响因素进行分析，研究其变化规律，建立合理无因次准数，才能准确扩宽其运用范围。
气井井筒压力非常高，最高可达几十甚至上百兆帕，现有可视化的实验条件难以达到如此高压条件，因此无法完全模拟井筒条件，预测井筒流型。对于高压气井和中低压实验而言，两者最大的差别就是受压力变化而变化的气体密度，因此考虑气相密度对流型的影响是研究气井流型中最为关键的因素之一。但在石油领域广泛运用的
Figure 917294DEST_PATH_IMAGE002
模型无因次准数甚至并未考虑气体密度的影响，仅有部分研究者考虑了气体密度的影响，并未给出相关分析，目前也尚未见到专门针对气相密度对流型转变影响研究的相关报道。而在不同气流下，垂直管中气相密度对流动的影响程度可能会不同，采用现有单一准数在所有流型中难以实现流动规律的相似。
为此，本发明针对高压垂直气井与中低压实验流型变化规律不同的问题，基于可视化气液两相管流物理模拟实验装置，提出了一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法。该方法利用持液率相等来表征井筒流动相似性，进而拟合建立表征不同压力实验条件下的相似准数，从而预测高压垂直气井中的流型。
发明内容
本发明的目的在于解决高压垂直气井与中低压实验流型变化规律不同，不能满足高压气井流型预测的问题，提出了一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法，为排采工艺优化设计提供理论依据。
本发明提出的一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法，具体是在可承受一定压力的气液两相管流实验系统中实现。该装置主要由供气系统、供液系统、控压系统、实验管段和测控系统组成。考虑气相密度对流型的影响，开展常压和中压的两相管流实验，观察不同气液流速条件下井筒流动型态。由持液率随着气流速变化会呈现光滑的曲线可知，不同压力条件下持液率相同即流动型态相同，观察气液两相流型并测量井筒持液率。由于随着压力的增加，气相密度增加，与常压持液率随气流速变化规律曲线相比，中压持液率变化曲线幅度更大。另外，气相对液相的拖曳力随着压力的增加而增加，即相同持液率时对应的气流速减小。为此，构建了表达气体密度以及随着持液率变化的相似准数
Figure 21385DEST_PATH_IMAGE004
来表征不同气流速（持液率）在不同压力下（气体密度）下的流动相似性。利用流动相似时持液率相同的原则，拟合流动系数n和
Figure 4384DEST_PATH_IMAGE006
值，将不同压力条件下的流动归一到相同的相似准数，实现常压与中压的持液率随相似准数的变化曲线重合，进而预测高压条件下垂直气井的井筒流型。
所述供气系统和供液系统提供稳定的气体和液体流量，在实验过程中，通过测控系统设定气液流量。
所述控压系统即在实验管道出口处设置气液分离器，并连接出口控压阀门，通过控压系统调节出口控压阀门开度大小，实现实验管道内在不同压力条件下开展气液两相流动实验。
所述实验管段是搭建的聚碳酸酯透明管，可在一定压力下开展实验并观察井筒中气液两相的流动型态。距离进气进液入口100倍管径处安装气动阀门，测量实验管道稳定流动时井筒持液率，通过压力计测量井内压力。
所述测控系统可实时搜集、显示并储存实验过程的流动参数，包括气流量、液流量和井筒压力，并根据设定的流动参数调节出口控压阀门和电动阀门。
为达到上述目的，本发明所述的一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法包括以下步骤：
步骤一：收集研究区块的气井动态生产参数，明确高压气井的压力、温度、产气量、产液量参数，计算气井井筒气体密度、表观气流速和表观液流速。相应的计算公式如下：
（1.1）不同压力条件下的气体密度（
Figure 852123DEST_PATH_IMAGE008
）计算公式：
Figure 463233DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为气体密度（kg/m3），p为压力（MPa），M为天然气相对分子质量（g/mol），T为温度（K），R为理想气体常数，（0.008314atm.m3/(kmol.K)），Z为偏差因子，无因次；
（1.2）气井井筒表观气流速（
Figure DEST_PATH_IMAGE013
）计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，其中Q sc气井产气量（m3/d），
Figure DEST_PATH_IMAGE017
常压气体密度（kg/m3），A为管道横截面积（m2）；
（1.3）气井井筒表观液流速（
Figure DEST_PATH_IMAGE019
）计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，其中Q SL气井产液量（m3/d）。
步骤二：确定实验表观液流速为目标气井表观液流速，在常压和实验装置可达最大压力条件内选取某一压力值（称为中压条件），开展气液两相管流实验，观察流型并测量井筒持液率。具体包括：
（2.1）校准压力计和流量计，确保气动阀门、出口控压阀门和电动阀门状态良好；
（2.2）出口控压阀门全开，保证实验在常压条件（p sc）下开展；
（2.3）调节气液流量，保证井筒内达到目标表观气液流速，流动稳定后，观察气液流型，随后关闭气动阀门，利用液面高度测量井筒持液率H L，无因次；计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，其中H mea为气动阀门到液面的距离（m），H total为气动阀门到管道出口处的距离（m）；
（2.4）逐渐增加表观气流速，步长
Figure DEST_PATH_IMAGE025
设为1m/s，重复（2.3），记录常压条件下不同气流速井筒持液率，绘制持液率随表观气流速的变化曲线；
（2.5）调节气液流量，保证井筒内达到目标表观气液流速，调节出口控压阀门至实验装置可达到最大压力条件内的某一压力值（p m），即中压条件，重复步骤（2.4）和（2.5），得到该压力条件下不同气流速井筒持液率，绘制持液率随表观气流速的变化曲线；
步骤三：给定不同的n和
Figure 601477DEST_PATH_IMAGE006
值，根据常压和中压条件下的持液率随气流速变化规律实验测试结果，绘制持液率随相似准数
Figure DEST_PATH_IMAGE026
的坐标曲线，当常压（p sc）与中压（p m）条件下井筒持液率随相似准数的变化曲线重合时即为能够表征流动相似性的n和
Figure 258723DEST_PATH_IMAGE006
值；
步骤四：利用步骤一计算的高压气井的密度及表观气流速值，计算相似准数，利用该相似准数值计算常压下对应的表观气流速值，再次通过常压条件下管流实验，观察到对应的流型，即为高压气井的流型。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法充分考虑影响流型的主要因素，利用常压与中压井筒流动的相似性准则，进而推广到高压气井流型预测。因此，该方法计算简单适用，为排采工艺优化设计提供理论依据。
附图说明
图1是本发明中一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法实现的气液两相装置示意图；
图2是一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法实现的示意图。
1-空气压缩机，2-储气罐，3-气体阀门，4-气体流量计，5-储水罐，6-高压柱塞泵，7-液体阀门，8-液体流量计，9-测试管段，10-气动阀门，11-气液分离器，12-液体控压阀门，13-气体控压阀门，14-气体放喷阀，15-压力计，16-测控电脑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、计算过程及优点更加清楚明白，以下结合附图，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。
如图1所示，图1是本发明中一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法实现的气液两相管流装置示意图。说明实验过程中不同压力条件下，观察气液两相流型和测量井筒持液率。图2是一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法实现的流程图，说明高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法的具体计算过程。
实验过程中，预先通过测控系统设定实验所需气流量、液流量及井筒压力。其中，气体通过空气压缩机1泵入储气罐2，经气体阀门3调节，气体流量计4计量后进入实验管段9。液体预先储存在储水罐5，由高压柱塞泵6加压和液体阀门7控制，经液体流量计8计量后流入实验管段9。气液两相经过实验管段后流入气液分离器11，分离的气相经过气体控压阀门13后放空，分离的液相经过液体控压阀门12后流入储液罐，循环利用。井筒内压力则通过测控系统获取压力计15数据监控井筒内的压力，利用测控电脑16不断调节出口控压阀门，使得井筒内压力稳定在目标值。观察井筒中的流动型态，随后关闭气动阀门10，测量井筒持液量并记录数据，完成实验部分。
计算过程中，统计相同液流速常压与中压条件下的井筒持液率随气流速变化规律。根据气液两相流动相似性，即采用相似准数
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，将常压与中压持液率变化规律曲线绘制在相似准数坐标曲线上，通过不断调整n和
Figure DEST_PATH_IMAGE028
值，使得两条持液率曲线重合，确定n和
Figure 582257DEST_PATH_IMAGE028
值。随后结合研究区块的井筒压力范围，计算高压气井的气体密度和持液率变化范围，通过持液率与相似准数的关系曲线，明确高压气井持液率变化范围，开展常压相同持液率的管流实验，观察流型，即可确定高压垂直气井的流型。

Claims (2)

1.一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
步骤一：收集研究区块的气井动态生产参数，明确高压气井的压力、温度、产气量、产液量参数，计算气井井筒气体密度、表观气流速和表观液流速；
步骤二：定实验表观液流速为目标气井表观液流速，开展常压和中压条件下气液两相管流实验，观察流型并测量井筒持液率；
步骤三：根据步骤二得到的常压和中压条件下的井筒持液率数据，构建相似准数表征不同压力下气液两相流的流动相似性；
步骤四：利用步骤一计算的气井在不同压力及气量下的密度及表观气流速值，计算相似准数，利用该相似准数值计算常压下对应的表观气流速值，再次通过常压条件下管流实验，观察到对应的流型，即为高压气井的流型。
2.如权利要求1所述的一种高压条件下垂直气井井筒流型的实验确定方法，其特征在于，步骤三中构建相似准数表征不同压力下气液两相流的流动相似性的确定方法为：
给定不同的n和
Figure DEST_PATH_IMAGE001
值，根据常压和中压条件下的持液率随气流速变化规律实验测试结果，绘制持液率随相似准数
Figure 117912DEST_PATH_IMAGE002
的坐标曲线，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
代表气体密度，kg/m3；v代表表观气流速，m/s；H L代表井筒持液率，无因次；n和
Figure 950870DEST_PATH_IMAGE004
代表拟合系数；当常压p sc与中压p m条件下井筒持液率随相似准数的变化曲线重合时即为能够表征流动相似性的n和
Figure 219041DEST_PATH_IMAGE004
值。
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