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气井携液临界流量计算方法研究
1.摘要
气井生产过程中，由于井筒积液影响了气井产能的发挥，科学合理的排液采气工艺需要合理的携液临界流量参数做指导，进而准确地计算携液临界流量显得尤为重要。文章对目前国内外有关气井携液临界流量的模型进行了梳理，分析了duggan模型、t rner模型、coleman模型、nosseir模型及李闵模型的计算原理及适用范围。在此基础上，应用气液两相流理论推导出了一个综合计算公式，并在此基础上引入了持液率修正项以及流型判别函数，使该综合公式适用范围更广，更适用于工程实践。采用室内实验数据和现场测试数据对模型进行了验证，结果表明:改进模型在低产气井及含液率较高的工况下，计算误差比传统模型降低了15%~20%，具有更好的工程应用性。最后，以某气田为例，分析了不同模型计算结果的差异性，为气井动态管理提供了参考依据。
关键词：气井携液；临界流量；计算模型；Turner模型；李闵模型；流型判别；实例分析
2.Abstract
In the production process of gas wells, the accumulation of fluid in the wellbore affects the productivity of the gas well. Scientific and reasonable drainage and gas production processes require reasonable critical flow rate parameters as guidance, and accurate calculation of critical flow rate is particularly important. The article reviews the current models of critical flow rate for gas well carrying fluids both domestically and internationally, and analyzes the calculation principles and applicability of the Duggan model, Turner model, Coleman model, Nosseir model, and Li Min model. On this basis, a comprehensive calculation formula was derived using the theory of gas-liquid two-phase flow, and a liquid holdup correction term and flow pattern discrimination function were introduced on this basis, making the comprehensive formula more widely applicable and more suitable for engineering practice. The model was validated using indoor experimental data and on-site testing data, and the results showed that the improved model reduced the calculation error by 15% to 20% compared to the traditional model under low yield gas wells and high liquid content conditions, demonstrating better engineering applicability. Finally, taking a certain gas field as an example, the differences in the calculation results of different models were analyzed, providing a reference for dynamic management of gas wells.
Keywords: gas well carrying fluid; Critical flow rate; Computational model; Turner model; Li Min model; Flow pattern discrimination; case study
目录
气井携液临界流量计算方法研究 2
- 绪论 3
1.1背景意义 3
1.2国内研究现状 4
1.3国外研究现状 4 - 相关方法 6
2.1Duggan模型 6
2.2Turner模型 6
2.3Coleman模型 8
2.4Nosseir模型 8
2.5李闵模型 8
3.模型 10
3.1气井最小携液临界流量公式 10
3.2模型的建立 10
3.3模型的验证 11
4.实例计算分析 12 - 结论 13
3.绪论
1.1背景意义
气井的携液临界流量是评价气井的携液动力能力的一个重要指标，同时也是用来衡量气井的液携带能力的一个重要指标，不同的流体形态，其对气井液携带压力的大小是不一样的。诸如岩性，饱和水压，气压以及气体的物理性质等众多因素都会影响到它。当地层压力超过或低于某一临界值 时，井筒出现积液的现象，从而使流体的流动速度降低。在气井的生产过程中，液体的存在，会影响气井的生产能力及稳定性，因此，适当计算和确定液携带的临界流量，对于指导气井的生产，提高采收率将起到重要的作用。在此基础上，应用数值模拟建立了气含率与压力之间关系的新模型， 通过 例计算验证了新模型的合理性。目前常用的趋势公式如 turner公式，李闵公式等常用的计算方法有一定的限制。针对以上不足，提出了新的一个考虑液滴形状及尺寸效应的液携带的临界流量公式。如 turner公式，假设液滴是球状或椭圆形的，实际上液滴更接近于球帽的形状。由于井筒流体为非牛顿流体，这使传统的理论计算公式不能很好的预测气液两相流动状况下的气液流型变化。因此，以球帽形液滴为基础所建立的计算模型更具有准确性。讨论液滴运动规律，导出气、液两相流体相态转换关系式，进而得出考虑气相体积分数时液滴粒径与压力的 解析表达式。此外，griffith-wallis方程、rayleigh-darcy算法等多种计算方法也被用来估算气井的携液临界流量，通过这些计算，可以大致确定气井的携液临界流量。在气流的作用下，液滴会发生变形，液滴一般形成椭球或球帽状。液滴的运动是流体动力学的一种运动。液滴的形态直接影响其受力规律以及携带液体的能力。不同大小的液滴对流动形态有明显区别，因此液滴形变对于携液能力有影响。比如椭球体的话，由于其有效的迎流面积增大，因此其需要的气井排液流速就低。这样，考虑液滴的形变效应，我们的计算就更加精确了。对于定向井而言，当井筒倾角较大时，液柱被倾转化向。在定向井，液滴受井斜角的作用，液滴受力除了拉力、浮力和重力之外，管壁的摩擦力影响液滴的运动。此外，由于套管与地层之间存在间隙，液柱压力分布也发生变化，对壁面作用力增加，液柱发生滑脱，液滴在管壁上移动，使得液滴的受力情况更加复杂。同时，由于井筒流体流动存在着一定的压力梯度，液滴受压力差驱动，变形从而使其动力学行为更加复杂。因此计算定向井的携液临界流量时，必须考虑这些特有的因素。
关键词:气井 携液临界流量 气井的携液能力对于气井开采来说是很重要的，科学合理的评价气井的携液量，对于指导采气工程的优化有很重要的意义，从而提高气井的生产效果和经济效益。随着我国对环保要求的不断提高以及国家对此类标准的不断修改，科学合理的评价气井的携液量显得尤为重要，也就是说合理评价气井的携液量关系重大。气井的携液临界流量是评价气井的液能力的一个重要的指标，科学合理的计算出这个数据，对于指导生产有很重要的意义，总结出其规律，可以类推出其他气井的数据。此外，计算出这个数据可以用来评价气井的产能还可以预测气井的产量变化。用来优化采气工程的:科学合理的计算出这个数据对于制定采气工程有很大的帮助，通过这个数据可以分析出哪些数据是符合生产的，哪些数据是不适合的，从而制定出最合理的生产方案。分析气体流量时气井的携液稳定性受气体流动附加压降的影响，分析气井各种情况下的液体携带系数，可以根据数据合理的调整生产，防止因为液体的聚集，导致生产下降以及设备的损坏。提高生产效率，增加经济效益。同时还可以为进一步合理确定生产制度和生产设备依据。通过对气井进行携液临界流量计算，合理确定气井的生产流程和生产设备，避免由于井内液体积聚而引起的停产、下套等高成本作业，从而提高气井生产时间和经济效益。对目前常用的几种计算方法进行了分析比较，并在此基础上针对目前常用的几种方法存在的不足提出了改进方法或解决方案。在进行多种方法计算时，目前常用的方法有"griffith-wallis"方程、"rayleigh-darcy"算法、"dalnegorsk"方法等。通过对目前常用的几种方法计算结果进行分析比较，建议采用一个相对简单、实用的估算模型，该模型是依据达西定律推出，适用于低渗透气藏。这是一个基于多种物理原理和数学模型构建的系统，能够较为精确地预测气井的临界携液流量，从而为气井生产提供科学的指导，提高生产效率和经济效益。
1.2国内研究现状
天然气开采是一个耗竭性质的过程，但天然气气藏中除干气藏外，其他天然气藏都是含水的，如果气井产水，将会对采气速度产生一定影响，从而导致采收率降低，因此在生产过程中对气井采取排水降压，以降低气井的含水率，提高气田的经济效益。气液两相的出现使气井能量损耗，导致气体流速降低，井底压力降低，从而使天然气不能将井底的液体完全带出井筒，在这种情况下，气井可能出现积液，气井积液会严重降低气井产能，而且还会造成地层伤害、环境污染等问题。随着气井中积液量的增多，气井的产出将逐渐降低，甚至导致气井停产。在正常生产时，当气井积液的含量达到一定数值时，气井就不能够稳定运行。因此，在采气工程方案中，气井的最小携液临界流量是一个重要的参数。
水平气井液体携带机制不清晰、水平气井临界携液流量预测的误差大，本次研究选取液膜模型为基准模型。鉴于水平井在垂直段和倾斜段中液膜受力情况，以及考虑气芯与液膜、液膜与管壁的剪切力、流体的重力、液膜前后的压差等因素，建立了水平气井临界携液流量预测模型，采用beggs-brill模型对垂直管持液率进行了修正。在此基础上对不同工况水平气井，分析临界携液流量随各参数的变化规律。然后进行了敏感性分析，确定液量、油管尺寸、倾斜角、压力、温度等因素是影响临界携液流量的主要变量，进而建立了单因素临界携液流量影响的图表。采用改进后的模型对某油田一口水平气井进行 数值模拟，得到该口油井不同时刻的产液剖面以及相应时间内各点的临界携液流量值。根据现场a6h井的数据，应用建立的预测模型进行计算，计算积液深度和测压结果之间的误差小于10%，误差小于常规的计算模型；随井筒内径增大，最大允许携液高度降低，而最小允许携液高度增加。此模型的计算输出与现场生产情况更为接近，因此可以提供一个比较 准确的预测。
6.水平气井的临界液体携带流量 关键词:水平井 携液 产水气井 摘要:为水平气井合理的产液、产气比例以及水平气井的携液动态提供参考和依据。长期以来，针对产水气井(气液比大于1400m3 产气1m3)的气液流场以及不同气液比情况下的气体的携液能力进行了大量的研究。。
1.3国外研究现状
turner等和其合作者提出一个液滴模型，并将理论预测值提高20%以更好地与现场的生产数据相吻合，一直被人们在过去的数十年里应用并由此确定了见水气井的产气量。在上述研究的基础上，他们又导出一个更精确和实用的气液流变曲线计算公式。在最近几年里，也有越来越多的新观点，其中有些观点并没有将理论计算结果提高20%，却与现场的生产数据吻合，所以，有人认为对各种理论公式做些修改是没有必要的。在此，采用数值模拟和室内实验相结合的方法，研究高气液比下，携液的临界压力计算问题。在实际生产过程中，我们发现，在气液比小于1400m3m3的情况下，有许多气井正常生产，至今我们还没有对携液临界产量的预测技术。由于气举采油方式有其一定的局限性，所以在高气液比下气举采收率低，在低气液比下气举采油井产水量大，这样就使得低气液比情况下达不到我们所需要的良好效果。因此有必要对高气液比下的一些计算手段进行更进一步的研究，而且在低气液比条件下如何计算携液的临界产量。
coleman等人根据低压气井试井数据，发现turner模型还需要加入一个安全系数，从而得到了修正方程。coleman修正了turner方程，从而得到了一个适用于低压气井的临界携液流量方程。假设井口压力不低于3.46mpa，而实用时，出现积液的井井口压力不可能高于3.46mpa，他将方程计算结果和低压气井井口压力值进行对比分析，发现低压气井临界携液流量计算，使用修正的turner模型，得出的结果相对较好。并给出了低压气井临界流速方程和临界流速与井口压力关系图。。
2.相关方法
在国内外，众多学者已经推出了用于计算气井临界流量的数学表达式。在实际操作中，常见的临界流速模型包括：Duggan模型、Turner模型、Coleman模型、Nosseir模型以及李闵模型。在实际生产过程中，由于各种原因导致的参数变化会对气井产量产生影响。基于统计数据，Duggan模型推导出了气井的临界流量公式，而接下来的四种模型则是基于液滴模型，并以井口或井底的实际情况作为参照。
2.1Duggan模型
气井早期生产过程中，一直没有系统地定义什么是气井积液，因为气井积液除了影响气井正常生产外，其液流还会干扰气井相关数据计量。随着气藏开发进入中后期，产量递减快，气藏压力降的也快，所以气井出现不稳定的现象越来越多。气藏生产建设过程中，迫切需要探索出气井是否存在积液的标准。根据气液体系物质运动规律，推出计算流体临界速度和流动阻力系数的方法，也就是确定了流体在某一条件下，达到稳定状态时的流量。1961年，duggan在分析整理大量现场数据的基础上，首先提出了"最小气体流速"的新概念。在此基础上，推出了计算气井最小气体速度和临界携液流量的方法。duggan认为，气井的最低气体流速是保证气井不积液的最低速度。按照这个原则，计算出了不同产量、井底压力下的最大允许流量，从而确定出所需要的井口速度。通过详细的统计分析，duggan明确指出，井口流速为1.524m s是气井生产过程中的最小流速，如果低于这个流速，气井就会积液。
duggan模型在一些井流情况下是合理的，简介了该模型的主要内容并给出了其计算结果例图。并说明其主要适用与预测气井在临界携液流量液动情况的气体井。该模型是一个有关压力、温度的非线性方程，是用电阻法方程求解的，其迭代方程是由牛顿法方程求得的。通过各种模型的对比找出适合特定井流的模型，进行井流计算。duggan模型相对于其它模型的主要优点在于，它适合于更多的流动情况并给出更好的结果。由于duggan可以用于描述不同的气藏，因此它被广泛用于气藏工程中。然而，每种模型都有其优缺点和适用范围，因此，应根据特定的井流情况和需求来选择合适模型。因此，本文对目前各种不同的模型进行了类比。例如，与其它模型比较，t rner模型在复杂流动情况下更有优势，而duggan模型在某种井流情况下有更好的结果。。
2.2Turner模型
Turner模型是由Hubbard和Turner在1969年共同提出的，其主要目的是为了预测气井井筒内液体携带的临界流量，也就是为了防止液体在井底累积而设定的最低气流速度。它是根据气体分子间作用力及流体动力学理论推导出的一种新的气液流动参数预测方法。该方法的核心思想是，通过分析气流动能与液滴重力的均衡关系，来确定液体在气流中的最低流动速度。本文利用该方法对塔里木盆地奥陶系气藏进行了研究，建立起适用于不同类型气井的气-水两相流气液两相流动压降数学模型。这一模型在气田的开发活动中得到了广泛的运用，特别是在预测低压气井积液方面具有显著的重要性。
turner模型一般是用来对垂直气井的携液能力进行分析，与prosper软件进行模拟，以及海洋气田的定向井时，考虑井斜角的影响进行修正。对于雷诺数大于2.2105的气井或定向井，相对误差就较大，最高可达到40%。建立一个新的适合大井斜角井段的气-油-水两相流数学模型。或调整模型的参数(持液率以及井斜角)或与其它多相流模型相结合(如pe5模型)等。对于低雷诺数的水平井，由于井筒内存在着水平流动及斜裂缝等不同的流场，其计算的结果就会出现较大误差，甚至不符合工程要求。为了修正和优化模型，一般采用以下方法:对于定向井，我们会调整其携液临界流量公式，以能较好的体现倾斜管流的效果。对于高雷诺数调整:通过实际持液率与临界持液率关系与流量预测进行比较，进而优化方程。另外还可以研究不同地层倾角对流体流动的影响，使计算更加准确。与其它模型相结合，如prosper软件的pe5模型，它能给我们提供梯度剖面更加详细的分析，我们在的基础上，对不同井深、地层压力及温度下气、水两相渗流特征开展了研究，并提出了相应的解释公式。与此同时，turner模型还产生了很多优化版本，如:应用于沙坪场气田，通过与临界携液模型结合来优化低压气井生产制度。在此基础上对渤海湾陆相地层进行了压力敏感性研究以及不同储层渗透率条件下的压降规律计算，为现场开发方案制定以及合理配产提供依据。对渤海气田进行了调整，以适应海洋环境的变化。
基于Turner所提出的液滴模型，我们在确定气井的携液临界流量时，需要分析最大液滴所受的力，并假定携带的液滴是球形的。
气体对液滴的拖拽力F为
液滴的沉降重力G为
式中F为气体对液滴的拖曳力（N）；G为液滴的重力（N）；d为液滴的直径 （m）；Cd为拖曳力系数，取0.44；vcr为液滴上升的气体临界流速（m/s）；ρg为气体的密度（kg/m3）。
液滴的直径大小是由气流的惯性力和液体的表面张力共同决定的。本文利用流体力学方法对液滴进行分析，并建立数学模型来模拟其运动过程。气流中的惯性力试图导致液滴破裂，而表面张力则试图促使液滴集结，韦伯数（N）we全面地考虑了这些力的作用。当韦伯数超出20~30的界限，液滴可能会碎裂，不再有稳定的液滴存在。在一定条件下，可通过计算得到最大液滴的韦伯数。因此，最大液滴的韦伯数应按照30的公式来确定：
式中σ为气液表面张力（N/m）。
根据气体对液滴的拖拽力F等于液滴的沉降重力G，可得
由式（3）和式（4）可得到气井携液临界流速公式
由式及可得
式中vcr为携液临界流速（m3/d）；Qcr为携液临界流量（104m3/d）。
是由turner为确定气井的临界流速和临界产气量所推导的数学表达式，用其进行计算后发现按此两个公式计算所得的产量与实际测得的产量相差较大。根据实验结果观察可知:turner所提出的临界流速是相当慎重的，因而当实际产气量低于该临界临界流量时，仍按正常生产，这样对于高含液气井而言，临界携液速度与临界产水量间有一定的关系。于是许多研究人员在此公式的基础上，将安全系数提高20%或30%来避免事故。这些方法都有一定的局限性。而据李闵等人的研究，其圆球液滴携液公式所对应的临界流速和最低的携液产量是较高的；由于惯性力的作用，液滴为扁平状，这样液滴的有效迎流面积增大，更容易被天然气携带上井。其临界流速和最小的液携带量将小许多。本文运用理论推导和数值模拟的方法对两种情况进行对比分析。气井中的气流速度很快，因此速度、压力的影响是不能忽略的。液滴在向上运动时，受到力的作用，它所呈现的形状近似椭球形，因此我们得出拖曳力系数Cd大概等于1.0，则
西南石油大学的彭朝阳在分析液滴受力情况的基础上，研究了曳力系数的计算方法，得出了曳力系数Cd=0.3236，推出新的携液临界流速公式为
是由turner为确定气井的临界流速和临界产气量所推导的数学表达式，用其进行计算后发现按此两个公式计算所得的产量与实际测得的产量相差较大。根据实验结果观察可知:turner所提出的临界流速是相当慎重的，因而当实际产气量低于该临界临界流量时，仍按正常生产，这样对于高含液气井而言，临界携液速度与临界产水量间有一定的关系。于是许多研究人员在此公式的基础上，将安全系数提高20%或30%来避免事故。这些方法都有一定的局限性。而据李闵等人的研究，其圆球液滴携液公式所对应的临界流速和最低的携液产量是较高的；由于惯性力的作用，液滴为扁平状，这样液滴的有效迎流面积增大，
