劉永輝，吳朋勃，羅程程，劉 通，倪 杰，王 華

1)西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川成都 610500；2)中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng)618000；3)中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司，四川成都 610501

隨著氣藏開(kāi)發(fā)的深入，氣井產(chǎn)量不斷降低，攜液能力變?nèi)?，使部分液體在井筒中聚集，形成積液，危害氣井生產(chǎn)[1].實(shí)施合理的排水采氣工藝措施及時(shí)排出井底積液，對(duì)延長(zhǎng)氣井正常生產(chǎn)時(shí)間至關(guān)重要.泡沫排水因見(jiàn)效快、設(shè)備簡(jiǎn)單和適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于各氣田.目前，泡沫排液效果的評(píng)價(jià)界限尚不明確，且缺乏有效的選井依據(jù)，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果參差不齊[2-5].現(xiàn)有的泡沫排水工藝優(yōu)化評(píng)價(jià)方法多采用Rose-Miles法對(duì)起泡劑進(jìn)行室內(nèi)靜態(tài)評(píng)價(jià)，基本原理是測(cè)試起泡劑的起泡能力和穩(wěn)定性，進(jìn)而優(yōu)選性能較好的起泡劑.但是，在實(shí)際氣井生產(chǎn)過(guò)程中，起泡劑室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果仍存在較大差別，原因是室內(nèi)評(píng)價(jià)忽略了起泡劑在不同流動(dòng)條件下的排液效果，導(dǎo)致起泡劑在不同氣井的運(yùn)用效果參差不齊[6-9]，故有必要開(kāi)展空氣-水-泡沫三相管流實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)際氣井加注起泡劑后對(duì)井筒流動(dòng)的影響.Van NIMWEGEN等[10-13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到了氣液流速、管徑和傾角等對(duì)空氣-水-泡沫三相流動(dòng)的影響規(guī)律，但其最小氣相表觀流速(簡(jiǎn)稱氣流速)設(shè)計(jì)為5 m/s，與現(xiàn)場(chǎng)采用泡沫排水工藝的氣井的實(shí)際氣流速相比偏大.AJANI等[14-15]基于液膜反轉(zhuǎn)理論，研究泡沫對(duì)氣井?dāng)y液臨界氣流速的影響并建立相應(yīng)的機(jī)理模型，獲得了遠(yuǎn)小于泡沫排水井的工藝參數(shù)范圍，更多處于積液氣井(氣體流速低于攜液所需的臨界氣流速).但是，這些研究均是氣液進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管段前讓起泡劑充分起泡，實(shí)際氣井則是利用井底產(chǎn)出氣和水?dāng)噭?dòng)起泡.本研究建立了一套可視化的空氣-水-泡沫三相管流模擬實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)可視化管流進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，觀察起泡劑對(duì)兩相流動(dòng)的影響規(guī)律，測(cè)試大范圍氣相和液相流速條件下的壓降和持液率.基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析影響起泡的關(guān)鍵因素，給出泡沫排水適用氣流速界限，以期為氣田泡沫排水工藝的高效應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

本研究建立的可視化的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置如圖1，由進(jìn)氣系統(tǒng)、進(jìn)液系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成：進(jìn)氣系統(tǒng)由壓縮機(jī)壓縮空氣至儲(chǔ)氣罐中，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥控制入口氣量；進(jìn)液系統(tǒng)水泵從水罐中抽取液體通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥泵入管道中；測(cè)控系統(tǒng)安裝在管道兩端的壓力計(jì)測(cè)試流動(dòng)壓差，高速攝像儀記錄流動(dòng)過(guò)程中的流動(dòng)形態(tài)，同時(shí)關(guān)閉兩個(gè)快關(guān)閥門(mén)記錄管道中剩余液體體積進(jìn)而計(jì)算持液率，溫度、壓力和氣、水流量數(shù)據(jù)均由無(wú)紙記錄儀采集并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理.實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖請(qǐng)掃描論文末頁(yè)右下角二維碼查看.其中，為滿足液流速供給要求，分小液量和大液量?jī)煞N情況由不同的水泵泵入，測(cè)試5.0 m長(zhǎng)管道內(nèi)的持液率和2.5 m長(zhǎng)管段的壓降數(shù)據(jù).

圖1 可視化的空氣-水-泡沫三相管流實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

為全面評(píng)價(jià)起泡劑在不同條件下的舉升效果，實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍覆蓋了垂直管氣液兩相流所有流型(環(huán)狀流、攪動(dòng)流、段塞流和泡狀流).氣流速范圍為0.05～27.00 m/s，液流速分別為0.01 m/s和0.10 m/s.每組實(shí)驗(yàn)均測(cè)量了實(shí)驗(yàn)瞬時(shí)壓差、井筒持液率及氣液(泡沫)流動(dòng)形態(tài).

實(shí)驗(yàn)所用起泡劑為川西氣田現(xiàn)場(chǎng)用的XHY-4A型起泡劑，其表面張力如圖2.隨著起泡劑質(zhì)量濃度的增大，溶液表面張力迅速降低，在起泡劑質(zhì)量濃度為1.5 g/L時(shí)溶液表面張力達(dá)到最小，即臨界膠束濃度，表面張力為30.69 mN/m.繼續(xù)增大起泡劑質(zhì)量濃度，表面張力將不再降低.考慮起泡效果及現(xiàn)場(chǎng)使用的濃度配比，本研究采用質(zhì)量濃度為2 g/L的起泡劑水溶液開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試.

圖2 XHY-4A型起泡劑表面張力測(cè)試結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為明確起泡劑對(duì)垂直管氣液兩相流動(dòng)的影響，開(kāi)展空氣-水兩相和空氣-水-泡沫三相管流對(duì)比實(shí)驗(yàn).基于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的井筒壓降和持液率數(shù)據(jù)及觀察到流型，首先分析在不同氣、液流速條件下起泡劑對(duì)兩相流動(dòng)的影響效果.

2.1 氣相表觀流速

在一定液流速范圍內(nèi)，氣流速是氣水兩相流動(dòng)中影響氣和水相互作用最關(guān)鍵參數(shù).首先，對(duì)加入起泡劑前后不同氣流速下管道內(nèi)的表觀現(xiàn)象(流動(dòng)形態(tài))進(jìn)行評(píng)價(jià).圖3給出了測(cè)定液相表觀流速時(shí)，不同氣相表觀流速下氣-水兩相和氣-水-泡沫三相流型對(duì)比.隨著氣流速的增大，觀察到氣-水兩相流型依次為泡狀流、段塞流、攪動(dòng)流和環(huán)狀流.由圖3可見(jiàn)，加入起泡劑后，實(shí)驗(yàn)管道產(chǎn)生的泡沫能有效帶出液體并降低持液率，同時(shí)管段波動(dòng)幅度明顯降低，使流動(dòng)更規(guī)律：當(dāng)氣相表觀流速vsg=0.05 m/s時(shí)，三相流動(dòng)仍為泡狀流水相中分散的氣泡，更密集且尺寸更小更均勻；當(dāng)vsg=0.40 m/s時(shí)，在管壁附著一層氣泡尺寸不一的泡沫膜，其厚度均勻且隨氣流蠕動(dòng)；當(dāng)vsg=3.00 m/s時(shí)，管道中的流動(dòng)振蕩明顯減弱，緊貼管道內(nèi)壁的泡沫膜變薄且出現(xiàn)尺寸更大的氣泡；當(dāng)vsg=21.00 m/s時(shí)，分散在液膜中的氣泡變得小而密，且泡沫膜上波紋更密集.

圖3 空氣-水兩相與空氣-水-泡沫三相流型對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)測(cè)到的瞬時(shí)壓降波動(dòng)情況可見(jiàn)，起泡劑能有效抑制實(shí)驗(yàn)管道氣水兩相振蕩.圖4給出了定液相表觀流速時(shí)不同氣相表觀流速下空氣-水兩相和空氣-水-泡沫三相的瞬時(shí)壓降對(duì)比.由圖4可見(jiàn)，加入起泡劑能有效降低兩相流動(dòng)壓降，顯著抑制流動(dòng)振蕩，如vsg=3.00 m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)硶r(shí)段內(nèi)的空氣-水兩相流動(dòng)平均壓降為2.12 kPa/m，而相同條件下空氣-水-泡沫三相流動(dòng)平均壓降降至0.54 kPa/m，加入起泡劑使兩相流壓降均值降低74.5%.但隨著氣流速增大，壓降降幅減弱，當(dāng)vsg=15.00 m/s時(shí)，兩相流壓降均值降幅為27.8%.

圖4 空氣-水兩相與空氣-水-泡沫三相流動(dòng)壓降波動(dòng)對(duì)比

2.2 液相表觀流速

在相同實(shí)驗(yàn)條件下，空氣-水兩相與空氣-水-泡沫三相壓降或持液率的差值，即加入起泡劑對(duì)氣-水兩相流動(dòng)壓降或持液率的降低值，反映了不同氣、液相表觀流速時(shí)的泡沫攜液效果.圖5對(duì)比分析了不同液相表觀流速條件下泡沫對(duì)壓降降低值(DΔP)和持液率降低值(DH)的影響.由圖5可見(jiàn)，在氣流速低于約20 m/s時(shí)起泡劑加入實(shí)驗(yàn)管段后均能有效降低井筒壓降和持液率，但不同氣、液相表觀流速時(shí)降幅不同.相同液相表觀流速時(shí)，隨著氣流速增大，泡沫對(duì)壓降和持液率的降低值均先增后減.但當(dāng)液相表觀流速vsl=0.01 m/s時(shí)，DΔP最大值為3.06 kP/m；而當(dāng)vsl=0.10 m/s時(shí)，DΔP最大值為1.47 kP/m，液量增加使最大DΔP減少了52%.這是由于相同條件下DH最大由24.24%降至15.00%，最大DH減少了38%.液量增加導(dǎo)致持液率和壓降的降低值均大幅減小，即在vsl=0.10 m/s時(shí)，起泡劑的應(yīng)用效果變差，在段塞流區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)得更加明顯.

圖5 液量對(duì)壓降和持液率的影響

3 泡沫排水適用界限

3.1 界限劃分

圖6給出了定液相表觀流速時(shí)不同氣流速下空氣-水兩相和空氣-水-泡沫三相井筒壓降和持液對(duì)比.隨著氣流速的增大，泡沫生成對(duì)井筒中壓降和持液率的降低程度先增后減.這樣的變化規(guī)律與氣液兩相在管道中水動(dòng)力攪動(dòng)和井筒持液率變化相關(guān).為此，基于泡沫對(duì)壓降和持液率的影響范圍和規(guī)律，本研究將實(shí)驗(yàn)氣流速范圍劃分為3個(gè)區(qū)域：

圖6 兩相流與泡沫流的壓降及持液率對(duì)比曲線

1)泡沫排水反作用區(qū)(D)：當(dāng)氣流速很大時(shí)，管段為環(huán)狀流，此時(shí)液膜緊貼管壁向上流動(dòng)，管道持液率低且流動(dòng)穩(wěn)定.加入起泡劑后，產(chǎn)生的泡沫降低持液率幅度有限，卻大幅增加管壁摩阻，導(dǎo)致管段壓力增大，反而使泡沫排水工藝不利于生產(chǎn).

2)泡沫排水有效區(qū)(B)：隨著氣流速降低，井筒持液率增加，氣水兩相流動(dòng)逐漸變得不規(guī)律，尤其是在液膜反轉(zhuǎn)后，氣水兩相流動(dòng)變?yōu)閿噭?dòng)流，井筒振蕩逐漸增大，攪動(dòng)強(qiáng)度增加.在氣量充足和攪動(dòng)充分的條件下，加入起泡劑能夠有效生成泡沫，帶走實(shí)驗(yàn)管道液體，從而降低持液率和壓降.

泡沫排水有效區(qū)域內(nèi)存在一泡沫排水效果最佳區(qū)(C).分析可知，該區(qū)域與氣液兩相攪動(dòng)流與段塞流流型轉(zhuǎn)換界限一致.當(dāng)氣流速低于該界限后，進(jìn)一步降低氣流速會(huì)導(dǎo)致泡沫排水效果迅速降低，這是因?yàn)闅馑畠上嘤蓴噭?dòng)流變成段塞流后，氣相由連續(xù)相變?yōu)榉沁B續(xù)相，水相逐漸變得穩(wěn)定，氣水之間的振蕩迅速降低，持液率迅速增大，導(dǎo)致起泡困難，起泡劑的起泡效果迅速下降.

3)泡沫排水失效區(qū)(A)：隨著氣相表觀流速的進(jìn)一步降低，當(dāng)氣水兩相流流型從段塞流轉(zhuǎn)換為泡狀流后，水相成為主導(dǎo)的連續(xù)相，管道空隙率很小，即氣水震蕩較弱，加入起泡劑后幾乎不能起泡，故在此區(qū)域內(nèi)泡沫排水失效.

3.2 數(shù)學(xué)模型

由以上分析可見(jiàn)，泡沫對(duì)井筒壓降和持液率的影響與氣水流動(dòng)規(guī)律密切相關(guān).因此，針對(duì)泡沫排水的適用界限，采用氣液兩相流相關(guān)理論對(duì)其進(jìn)行劃分，為現(xiàn)場(chǎng)泡沫排水工藝提供理論指導(dǎo).

1)泡沫排水有效區(qū)域氣流速上限

高氣流速時(shí)，起泡劑加入會(huì)增加摩擦阻力，因此，泡沫排水工藝的適用上限應(yīng)以有效降低井筒差降為界限.通常泡沫排水有效區(qū)上限在液膜反轉(zhuǎn)點(diǎn)，即環(huán)狀流-攪動(dòng)流的轉(zhuǎn)換界限附近，此時(shí)持液率較低，考慮泡沫排水工藝通常針對(duì)積液氣井，因此將攜液臨界氣流速作為泡沫排水有效區(qū)域的上限.本研究?jī)?yōu)選李閩模型[16]預(yù)測(cè)泡沫排水有效區(qū)域氣流速上限

(1)

其中，vc為臨界攜液氣流速(單位：m/s)；σ為氣水表面張力(單位：N/m)，ρl為水相密度(單位：kg/m3)；ρg為氣相密度(單位：kg/m3).

2)泡沫排水有效區(qū)域氣流速下限

將泡狀流到段塞流的轉(zhuǎn)換界限確定為泡沫排水有效區(qū)域氣流速下限，即泡沫排水失效界限.通過(guò)兩相流漂移模型[17]計(jì)算管道中含氣率為

(2)

其中，C0為速度分布系數(shù)，段塞流中取1.20，攪動(dòng)流中取1.15；vD為氣相漂移速度(單位：m/s).

氣相漂移速度用HARMATHY關(guān)系式[18]計(jì)得

(3)

其中，g為重力加速度.

HASAN等[19]研究表明，α=0.25時(shí)對(duì)應(yīng)的vsg即泡狀流到段塞流的轉(zhuǎn)換界限，故聯(lián)立式(2)和式(3)得到泡沫排水有效區(qū)域氣流速下限為

(4)

3)泡沫排水效果最佳區(qū)域氣流速界限

段塞流到攪動(dòng)流的轉(zhuǎn)換界限為泡沫排水效果最佳區(qū)域氣流速界限.OWEN[20]研究表明，該界限對(duì)應(yīng)α=0.78，氣相漂移速度vD采用BENDIKSEN[21]的泰勒氣泡上升速度公式計(jì)算

(5)

其中，d為管道直徑(單位：m).

聯(lián)立式(2)和式(5)，取攪動(dòng)流中C0=1.15，則得到泡沫排水效果最佳區(qū)域氣流速界限為

(6)

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

選用中國(guó)石化集團(tuán)川西氣田3口泡沫排水井對(duì)泡沫排水適用界限進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，其油管內(nèi)徑均為62 mm，利用式(4)和式(6)分別計(jì)算泡沫排水有效區(qū)域氣流速下限和效果最佳區(qū)域氣流速界限，其主要受液相流速和壓力的影響，可根據(jù)產(chǎn)液量及壓力數(shù)據(jù)計(jì)算得到，進(jìn)而計(jì)算不同條件下的泡沫排水有效區(qū)域氣量下限和效果最佳區(qū)域氣量界限.氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)及界限計(jì)算結(jié)果如表1.

表1 泡沫排水適用界限現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

計(jì)算結(jié)果表明，X1井產(chǎn)氣量為7 900 m3/d，接近泡沫排水效果最佳區(qū)域氣流速界限，應(yīng)用泡沫排水后產(chǎn)量增加，效果較好.X2和X3井產(chǎn)氣量分別為1 100 m3/d和4 200 m3/d，均遠(yuǎn)低于其所計(jì)算的泡沫排水效果最佳區(qū)域氣流速界限，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果不佳.利用泡沫排水適用氣量界限的計(jì)算結(jié)果，可有效指導(dǎo)氣田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行泡沫排水選井.

5 結(jié) 論

1)通過(guò)可視化的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在空氣水兩相流動(dòng)中加入起泡劑能夠有效地降低兩相流動(dòng)壓降，顯著抑制流動(dòng)振蕩.

2)相同液量時(shí)，隨著氣流速增大，泡沫對(duì)壓降和持液率的降低值均先增加后減小；液量增加使得持液率和壓降的降低值均大幅度減少，起泡劑的應(yīng)用效果變差，在段塞流區(qū)域內(nèi)更加明顯.

3)隨著氣流速的增大，泡沫對(duì)井筒中壓降和持液率的降低程度先增加后減小.通過(guò)對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)氣流速范圍劃分為泡沫排水反作用區(qū)域、泡沫排水有效區(qū)域和泡沫排水失效區(qū)域.

4)將攜液臨界氣流速作為泡沫排水有效區(qū)域的上限，該區(qū)域的氣流速下限為泡狀流到段塞流的轉(zhuǎn)換界限，確定泡沫排水效果最佳區(qū)域氣流速界限為段塞流到攪動(dòng)流的轉(zhuǎn)換界限，選用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，證明該方法有效.