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文檔簡介
1、煤層氣井井底流壓分析及計算2010-12-14楊焦生 王一兵 王憲花摘要:煤層氣井井底流壓的大小直接決定煤層氣產(chǎn)量的大小,為了獲得高產(chǎn),必須清楚認識井底流壓并精確計算其數(shù)值。根據(jù)垂直氣液兩相環(huán)空管流理論,首先描述了煤層氣的環(huán)空流動特征及井底流壓的組成部分;結合現(xiàn)場生產(chǎn)測試資料,采用Hasan-Kabir解析法和陳家瑯實驗回歸兩種方法計算了井底流壓值,并分析了其與氣體流量的關系。結論認為:油套環(huán)空中流體由上而下分為純氣體段、混氣液柱段(高含氣泡沫段和普通液柱段),井底流壓為套壓、純氣柱壓力及混氣液柱壓力三者之和;兩種方法計算的井底流壓值大體相同,與實測值誤差小,精度高;井底流壓與氣體流量呈負相關
2、關系,而且隨著井底流壓下降,壓降漏斗不斷擴大,井底流壓下降相同的數(shù)值能產(chǎn)出更多的煤層氣。關鍵詞:煤層氣;井底壓力;流動壓力;流體流動;環(huán)形空間流動;生產(chǎn)制度;流量;計算 在煤層氣井的生產(chǎn)過程中,井底流壓是影響產(chǎn)氣量的獨立參量,穩(wěn)定的產(chǎn)氣量的大小將實際受控于井底流壓和排水量,這是制訂合理的排采制度的基礎。 煤層氣井排水采氣井井底流壓由套壓、油套環(huán)空純氣柱壓力和混氣液柱壓力3部分組成,其中混氣液柱的壓力計算是難點。國內(nèi)外學者都對此進行了研究,在理論推導和實驗模擬的基礎上,建立了多種不同的計算模型和方法12。筆者考慮到煤層氣井生
3、產(chǎn)的特殊性,充分分析其垂直環(huán)空管流特征的基礎上,借鑒Hasan-Kabir推導的井底流壓解析公式和陳家瑯室內(nèi)模擬實驗回歸結果,計算了環(huán)空混氣液柱的壓力梯度,進而獲得了井底流壓值。在此基礎上,討論了計算方法的適用性和精度,并對計算結果進行了對比分析。這些成果有利于深化對煤層氣井生產(chǎn)過程的認識及控制。1 井筒流動特征及井底流壓組成 煤層氣井投產(chǎn)后,初期只產(chǎn)水。隨著排水降壓的進行,當井底流壓低于臨界解吸壓力時,井筒附近煤層表面的吸附氣開始解吸并擴散到煤層割理、裂縫中,隨著解吸氣量逐漸增多,在水中形成連續(xù)氣泡,氣體突破形成流動相,從煤層裂隙流入井筒油套環(huán)形空間產(chǎn)出。
4、 如圖1所示,煤層氣在油套環(huán)形空間垂直上升時,隨著氣量和壓力的不斷變化,氣體的流動形態(tài)也呈現(xiàn)不斷的變化。具有一定穩(wěn)產(chǎn)能力的煤層氣井,油套環(huán)空中流體的組成為:上部為純氣體段,下部為混氣液柱段,根據(jù)含氣率的大小,混氣液柱段又可細分為泡沫段(段塞流段)和普通液體段(泡流段,其中有小氣泡)3。 泡沫段其實就是高含氣(一般含氣率大于60%)的流體段。因此對于氣量足夠高的井而言,由于泡沫段的存在,使得生產(chǎn)中的環(huán)空測試液面(即擬液面4)位置反映為泡沫段的上端面,真實液面位置可以通過測試的擬液面與泡沫段長度修正獲得。
5、 井底流壓由3部分壓力組成,及井口的套壓、純氣柱壓力及混氣液柱壓力三者之和: pwf=pc+pg+pm (1)式中:pwf為井底流壓;pc為井口套壓;pg為純氣柱壓力;pm為混氣液柱壓力。單位均為MPa。2 煤層氣井井底流壓計算方法2.1 上部純氣柱產(chǎn)生的壓力對于上部純氣體段的流動狀態(tài)可認為是霧流,可以根據(jù)天然氣干氣井井底流壓的計算方法計算氣柱產(chǎn)生的壓力5。即 式中:pg為液面處的壓力,MPa;qsc為標準狀況下環(huán)空氣體流量,m3/d;pc為井口套壓,MPa;H為井口到環(huán)空擬液面的深度,m;
6、d2為套管內(nèi)徑,m;d1為油管外徑,m。2.2 混氣液柱壓力及井底流壓計算2.2.1 Hasan-Kabir解析法計算井底流壓6 Hasan-Kabir根據(jù)Godbey-Dimon、Podio等人的氣體空隙度(含氣率)相關式推導了井底流壓的解析解表達式。即 pwf=pc+pg+hL(1-fg)rL+fgrg (3)在單元高度dhL上積分式(3)得: 氣體表觀流速為: 令,式(5)可寫為:vsg=C/p。代入Godbey-Dimon
7、推導的氣體空隙度(含氣率)相關式得: fg=vsg/(a+bvsg)=C/(bC+ap) (6) 氣體表觀流速的大小引起環(huán)形空間流動形態(tài)的變化,導致a、b的取值也有所不同。當vsg0.61m/s時,泡流,a=0.6,b=1.2;當vsg0.61m/s時,段塞流。a=b=1。 由于rg較小,fg是小數(shù),可近似認為: pwf=pc+pg+rLhL(1-fg) (7)其中:fg=C/bC
8、+a(pc+pg)+arLhL(1-fg)由于rg=gMp/(ZRT),將式(7)代入式(4)得: 將I1、I2代入式(8)得: pwf=pc+pg+rLhL-I1+I2 (11)式中:rg為氣體的壓力梯度,Pa/m;rL為液體的壓力梯度,Pa/m;hL為混氣液柱的長度,m;fg為氣體空隙度(含氣率),無因次;Qgsc為標準狀況下環(huán)空氣體流量,m3/d。 井底流壓的計算步驟為:先假定(1-fg)av=1,利用式(11)計算pwf;由計算得到的
9、pwf根據(jù)式(6)反求fg;再把1-fg代入式(11)中重新計算pwf;如此反復迭代,直到滿足一定的精度要求。2.2.2 陳家瑯-岳湘安法 陳家瑯等人在套管內(nèi)徑為6.13cm的有機玻璃管、油管外徑為3.35cm的鐵管、井長為10m的實驗裝置中,模擬空氣和水在環(huán)形空間的流動,根據(jù)實驗數(shù)據(jù),得出了環(huán)空中氣體表觀流速(vsg)和壓力梯度校正系數(shù)(GCF)之間的關系曲線:sg0.67) (12)式中:vsg=Qg/A,m/s;該式的使用條件是GCF0.3。對于混氣液柱產(chǎn)生的壓力,為了提高計算精度,需要在混氣液柱中按深度分段計算。即 式中:pm為混
10、氣液柱產(chǎn)生的壓力,MPa;Hi為每一段混氣液柱的長度,m;rLi為液體重度,Pa/m;Qg為環(huán)空氣體的體積流量,m3/d;GCF為每一段混氣液柱的壓力梯度校正系數(shù),無因次。 獲得混氣液柱壓力后,可據(jù)式(1)計算井底流壓。3 計算結果與討論3.1 計算結果與實測壓力的比較 選擇有實測井底流壓數(shù)據(jù)(井下壓力計測取)的生產(chǎn)井,根據(jù)其穩(wěn)定階段的測試資料計算井底流壓。本次選取了山西沁水盆地5口井的6組數(shù)據(jù)資料計算比較(表1)。計算的基本參數(shù):氣體臨界壓力為4.63MPa,臨界溫度為190.3K,氣體相對密度為0.589,套管內(nèi)徑為0
11、.124m,油管外徑為0.073m。 6組數(shù)據(jù)計算的井底流壓值與實際測試值相比較,誤差多在5%以內(nèi)。同時,在滿足陳岳法實驗條件的基礎上,兩種方法的計算結果基本相同,說明理論計算井底流壓值完全能反映井底實際壓力情況。表1 Hasan-Kabir法和陳-岳法計算結果的對比分析表井號煤層中部深度/m測試資料計算壓力/MPa壓力測試時間日產(chǎn)氣/m3日產(chǎn)水/m3液面/m套壓/MPa測試深度/m測試壓力/MPaHasan-Kabir法計算誤差/%陳-岳法計算誤差/%Q1502.22006-11-2311253.84480.48514.21.6751.59354.871.
12、58395.44Q2552.62007-01-022622.25450.23568.30.4610.48936.140.48755.75Q3521.82007-01-04515.74340.27530.31.2271.23910.981.23720.83Q3521.82007-01-161555.54600.4530.31.0971.04144.551.03225.39Q4501.82007-02-248352.04930.65511.40.8250.86224.510.86044.29Q5493.32007-01-242485.74710.41504.70.7300.71741.730.71
13、322.303.2 井底流壓與氣體流量的關系 圖2顯示了在煤層供氣充足的條件下井筒中井底流壓與氣體流量的關系,可見井底流壓與氣體流量呈負相關關系,氣體流量隨井底流壓降低而增加。在解吸產(chǎn)氣初期,井底流壓下降快,但氣產(chǎn)量增長緩慢,表明產(chǎn)氣初期煤層壓降漏斗范圍小,供氣有限;隨著井底流壓不斷下降,地層壓降漏斗逐漸擴大,井底流壓下降較小的值就能產(chǎn)出大量的煤層氣。煤層氣臨界解吸壓力越高,井底壓力下降相同的數(shù)值產(chǎn)出的氣體越多。這反映了煤層氣井的地下滲流壓力變化特征。 4 結論 1) 煤層氣產(chǎn)出的油套環(huán)空中流體由上而下分為純氣體段
14、、混氣液柱段,井底流壓為套壓、純氣柱壓力及混氣液柱壓力三者之和。 2) 采用Hasan解析方法和陳一岳實驗公式計算混氣液柱壓力,進而得到煤層氣井井底流壓的方法是可行的,兩種方法得到的結果大體相同且與實際測試壓力值接近,誤差在5%之內(nèi),可靠度高。 3) 煤層氣量充足的條件下,井底流壓與氣體流量存在較強的負相關關系,而且隨著井底流壓下降,壓降漏斗不斷擴大,流壓下降相同的值能產(chǎn)出更多的煤層氣。建議煤層氣生產(chǎn)實踐中加強對典型井井底流壓和動液面的監(jiān)測工作。參考文獻1 RASHID HASAN A,SHAH KABIR C.A study of multiphase flow behavior in vertical wellsJ.SPE Production Engineering,1988,3(2):263-272.2 陳家瑯.石油氣液兩相管流M.北京:石油工業(yè)出版社,1989.3 王振松,陳偉.高氣油比抽油井環(huán)空泡沫段量化計算初探J.吐哈油氣,2006,11(2):169-171.4 吳芒,文伯
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