Guijiu Zhou, Xiuwu Wang*, Yu Han, Jie Liu, Ruiquan Liao

1Faculty of Chemical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming Yunnan

2The Fourth Exploit Factory, Huabei Oilfield Company, Langfang Hebei

3Department of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei

4Multiphase Flow Laboratory of Gas Lift Test Base of China National Petroleum Corporation, Wuhan Hubei

Abstract

Keywords

1. 引言

對(duì)于生產(chǎn)中的氣井，實(shí)時(shí)有效地判斷氣井積液情況，是保證氣井能夠穩(wěn)定生產(chǎn)的前提。通常，氣井積液判斷是通過(guò)臨界攜液流量模型進(jìn)行。不同地區(qū)氣井生產(chǎn)情況不同，氣井臨界攜液流量存在一定差異。

較早發(fā)展的模型是垂直氣井方面的臨界攜液理論，這其中比較有代表性的是不同學(xué)者提出了一系列臨界攜液模型，如Duggan 模型[1]、Turner 模型[2]、Meshack 模型[3]、Coleman 模型[4]、Nosseir 模型[5]、楊川東模型[6]、李閩模型[7] [8]、吳志均模型[9]、Guo 模型[10]、王毅忠模型[11]以及魏納模型[12]。針對(duì)不同實(shí)際情況，近幾年的臨界攜液理論研究很多都是基于這三種模型的實(shí)驗(yàn)或者現(xiàn)場(chǎng)修正。由于液膜模型中的計(jì)算參數(shù)難以確定，現(xiàn)場(chǎng)很難推廣應(yīng)用，因此選用應(yīng)用較為廣泛的液滴模型[2]或BF 模型[13]，但在氣流攜液中完全沒(méi)有考慮到氣井出砂的影響，所以需對(duì)其進(jìn)行修正。

針對(duì)實(shí)際產(chǎn)水氣井積液判斷模型的確定，一般需要結(jié)合室內(nèi)氣水流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)理論研究得出氣井氣流臨界攜液的修正模型，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證后用于氣井積液判斷。對(duì)于氣井存在出砂的情況，本文通過(guò)室內(nèi)氣流攜液攜砂的模擬實(shí)驗(yàn)，建立了出砂情況下氣井臨界攜液流量新模型，并對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行了檢驗(yàn)。

2. 實(shí)驗(yàn)研究

由于現(xiàn)場(chǎng)氣井的生產(chǎn)情況無(wú)法進(jìn)行可視化，而氣井臨界攜液方面的理論分析研究仍然以理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法[13]。目前，這方面的實(shí)驗(yàn)研究中國(guó)內(nèi)外主要參考Awolusi 和魏納[14] [15]最為常見(jiàn)，針對(duì)本研究，自主設(shè)計(jì)了一套完整的氣流攜液攜砂實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置類似于國(guó)內(nèi)實(shí)用新型專利[16]中的實(shí)驗(yàn)裝置，但可以進(jìn)行不同出砂速度下的氣流攜液模擬實(shí)驗(yàn)。

為了模擬該氣田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，研究過(guò)程中對(duì)該氣田地層水水質(zhì)報(bào)告進(jìn)行了計(jì)算統(tǒng)計(jì)，明確了實(shí)際地層水的水型和相關(guān)物性特征。該氣田地層水的礦化度平均值為120,581 mg/L，結(jié)合室內(nèi)配伍性原則[17]，配制與此礦化度值相接近的水作為實(shí)驗(yàn)液體介質(zhì)。在標(biāo)況下經(jīng)測(cè)定配制后的模擬地層水，其主要物性參數(shù)如下：水型——氯化鈣型CaCl2；密度——1.08 mg/L；黏度——17.4 mPa?s；表面張力——53.37 mN。

2.1. 常規(guī)臨界攜液模型誤差分析

首先結(jié)合常用的氣井積液判斷方法[18]，綜合分析實(shí)際氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)積液的氣井。以某氣田實(shí)際No.1 氣井為例分析氣井井筒積液和確定臨界積液點(diǎn)。

Figure 1. Gas well production dynamic curve 圖1. 氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)No.1 井進(jìn)行生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析，由圖1 中可以看出在2010 年4 月之后出現(xiàn)明顯的“剪刀差”現(xiàn)象，初步判定該井可能在2010 年4 月積液。然后將計(jì)算井底流壓和實(shí)測(cè)井底流壓進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果由表1 可以看出，在2013 年12 月之前，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值很接近，2013 年12 月之后，測(cè)壓值都大于計(jì)算井底流壓，認(rèn)為積液時(shí)間在2012 年7 月至2013 年12 月之間，所以，該氣井井筒開(kāi)始產(chǎn)生積液的時(shí)間應(yīng)該為2010 年4 月。

由于液膜模型中的計(jì)算參數(shù)難以確定，現(xiàn)場(chǎng)很難推廣應(yīng)用，因此選用應(yīng)用較為廣泛的液滴模型[2]或BF 模型[13]進(jìn)行積液判斷并優(yōu)選。根據(jù)90?傾角條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩個(gè)模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差分析，結(jié)果見(jiàn)圖2 和圖3。

Table 1. Comparative analysis of measured bottomhole pressure and calculated bottomhole pressure in Well No.1 表1. No.1 井實(shí)測(cè)井底流壓與計(jì)算井底流壓的對(duì)比分析

Figure 2. Error analysis of calculated and measured values of the model 圖2. 模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差分析

Figure 3. Correction of laboratory experiment data of Befoird model 圖3. Befoird 模型室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正

由圖2 誤差分析表明，采用Befoird 模型[19]計(jì)算的誤差率較小，因此優(yōu)選Befoird 模型[19]作為該氣井積液判斷數(shù)學(xué)模型。

2.2. 臨界攜液模型實(shí)驗(yàn)修正

采用Befoird 模型[13]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，修正系數(shù)情況如圖3 所示。將修正系數(shù)進(jìn)行平均，對(duì)Befoird 模型[19]進(jìn)行修正后的計(jì)算公式如下：

2.3. 臨界攜液模型現(xiàn)場(chǎng)校正

對(duì)該氣田的氣井進(jìn)行積液統(tǒng)計(jì)，將積液氣井的實(shí)際氣體流量與上述修正模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2。

Table 2. Model correction of critical fluid accumulation point of gas well 表2. 氣井臨界積液點(diǎn)對(duì)模型的校正

由于Befoird 模型[13]建模過(guò)程中忽略一些影響因素，這些影響因素很大程度上受氣體流速的影響。根據(jù)實(shí)測(cè)/模型的平均值，對(duì)上述修正模型進(jìn)行進(jìn)一步校正，得到的臨界攜液流量的計(jì)算公式為：

2.4. 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

統(tǒng)計(jì)2011 年~2017 年間該氣田23 口井的液面測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)校正的模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表3 所示。雖然通過(guò)液面測(cè)試數(shù)據(jù)不能獲得氣井臨界攜液流量的大小，但可以準(zhǔn)確判斷氣井是否積液[20]，進(jìn)而可以準(zhǔn)確地對(duì)修正模型進(jìn)行的驗(yàn)證。

根據(jù)測(cè)試液面時(shí)對(duì)應(yīng)的油壓、井口溫度、井底溫度等參數(shù)可以應(yīng)用上述校正模型及常用幾種模型計(jì)算該狀態(tài)下的臨界攜液流量，與該井實(shí)際產(chǎn)氣量進(jìn)行對(duì)比分析，以此判斷該井的積液狀況。

Table 3. Comparison and analysis of diagnosis results of wellbore effusion with different calculation formulas 表3. 不同計(jì)算公式井筒積液診斷結(jié)果對(duì)比分析表

由表3 可知，Turner 模型[2]、Coleman 模型[4]、LiMin 模型[7] [8]現(xiàn)場(chǎng)判斷井筒積液的準(zhǔn)確率分別為74%、74%、48%，本課題校正的臨界攜液模型判斷準(zhǔn)確率達(dá)到83%。說(shuō)明校正后的模型能夠準(zhǔn)確地判斷該氣田氣井的積液情況。

3. 出砂對(duì)臨界攜液模型的影響

3.1. 出砂時(shí)臨界攜液模型的建立

由于該氣田出砂量較小，砂礫主要影響流體密度及摩阻，所以將含有砂礫的液體看作懸浮液體，根據(jù)固相顆粒存在的液體進(jìn)行密度的修正。液體密度為考慮固體顆粒存在時(shí)的修正密度，建立密度修正計(jì)算公式如下：

將密度和粘度的修正結(jié)果納入到上述校正的臨界攜液模型中，有：

3.2. 出砂時(shí)臨界攜液實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)的分析

由于該氣田砂粒的粒徑在600 目~1000 目之間，根據(jù)粒徑中值及篩網(wǎng)目數(shù)與粒徑之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)過(guò)程選取600 目、800 目、1000 目及1200 目四種砂粒進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)行了不同直徑顆粒、不同出砂速度條件下的氣流臨界攜液實(shí)驗(yàn)，共完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)240 組，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果絕對(duì)誤差如圖4 所示。

Figure 4. Comparison of absolute error with and without sand model 圖4. 考慮與不考慮砂模型絕對(duì)誤差對(duì)比

由圖4 可以看出，砂粒對(duì)氣井臨界攜液流量存在一定影響，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，用建立的出砂時(shí)臨界攜液模型計(jì)算結(jié)果的誤差僅為4.5%，用上述校正的臨界攜液模型計(jì)算結(jié)果的誤差為6.2%。

雖然室內(nèi)采用四種不同直徑的砂粒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但出砂時(shí)臨界攜液模型的計(jì)算結(jié)果與不同粒徑的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近，說(shuō)明在砂粒流速一定的條件下砂粒粒徑對(duì)臨界攜液流量影響不大，這是因?yàn)樵摎獠貎?chǔ)層顆粒直徑較小，對(duì)液體的密度和粘度影響較小，從而對(duì)校正的臨界攜液模型影響不大。

Figure 5. Impact analysis of sand flow and liquid flow 圖5. 砂粒流量、液體流量的影響分析

出砂速度對(duì)臨界攜液氣量的影響從圖5 可以看出，在井底壓力、溫度一定的條件下，液體流量一定時(shí)臨界攜液流量隨著出砂速度的增大而增大，但是增大幅度隨著液體流量的增大而減??；出砂一定時(shí)，臨界攜液流量隨著液體流量的減小而減小，但減小幅度降低。從總體上看，出砂對(duì)氣井臨界攜液有一定影響。

3.3. 出砂時(shí)臨界攜液流量模型現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

將出砂時(shí)臨界攜液流量模型計(jì)算公式(4)與上述校正的臨界攜液模型計(jì)算公式(2)對(duì)氣井積液的診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯?，與校正的臨界攜液模型分析結(jié)果相比，出砂時(shí)臨界攜液流量模型的精度提高了6.15%。

Table 4. Statistics of diagnostic results with and without considering sand particles affecting wellbore effusion 表4. 考慮和不考慮砂粒影響井筒積液的診斷結(jié)果統(tǒng)計(jì)

Continued

Continued

4. 結(jié)論

通過(guò)理論與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：

1) 現(xiàn)場(chǎng)常用的臨界攜液流量模型并不一定適合所有氣田及氣井，針對(duì)不同區(qū)塊氣井需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行模型優(yōu)選及修正，以滿足現(xiàn)場(chǎng)精度的要求。

2) 將含有較小粒徑砂粒的液體看作懸浮液，基于這一思想建立了考慮砂粒影響的臨界攜液流量計(jì)算模型，出砂時(shí)臨界攜液模型的計(jì)算精度提高了2 個(gè)百分點(diǎn)，積液井的診斷準(zhǔn)確率提高了6 個(gè)百分點(diǎn)。

3) 砂粒對(duì)氣流臨界攜液流量存在一定的影響，但出砂速度較小的小顆粒對(duì)臨界攜液流量影響不大，大顆粒粒徑的需要進(jìn)一步進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)分析。