套管定壓放氣井多相流流動(dòng)特征研究

套管定壓放氣井多相流流動(dòng)特征研究

長期以來，高含氣氣泵井的合理沉降一直是油田優(yōu)化和節(jié)能的主要問題。儲(chǔ)氣管壓氣是許多高含氣泵井常見使用的過程。在國內(nèi)各油田,一方面,因?yàn)楦吆瑲馐闺姳镁南卤蒙疃炔缓侠?從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率低或者產(chǎn)能不能得以充分發(fā)揮;另一方面,為了保證電泵井的正常生產(chǎn),促使高含氣電泵井盡量下深,導(dǎo)致一部分井實(shí)際沉沒度明顯大于保證不發(fā)生氣蝕的合理沉沒度,因而造成大量不必要的設(shè)備投資。一直以來,油田對(duì)于高含氣井環(huán)空多相流計(jì)算和電泵井合理沉沒度的確定都沒有形成一套較完備的理論指導(dǎo)工具。1生產(chǎn)狀態(tài)下環(huán)空流動(dòng)狀態(tài)的特殊性高含氣電泵井合理沉沒度的確定之所以不準(zhǔn)確,主要是由于高含氣電泵井多采用套管放氣方式。而在套管放氣狀態(tài)下,套管環(huán)空中的液體壓力梯度難以估算。到目前為止,國內(nèi)尚沒有關(guān)于套管放氣狀態(tài)下套管環(huán)空中的液體壓力梯度計(jì)算的理論探討。從多相流動(dòng)的形式來看,要區(qū)分不同生產(chǎn)狀態(tài)下環(huán)空流動(dòng)規(guī)律的特殊性,可以將油井生產(chǎn)中油套環(huán)空的流動(dòng)狀態(tài)分為3種,即:套管非定壓放氣環(huán)空靜止?fàn)顟B(tài)、環(huán)空自噴狀態(tài)和套管定壓放氣環(huán)空流動(dòng)狀態(tài)。套管非定壓放氣環(huán)空靜止?fàn)顟B(tài)是大多數(shù)油井所處的狀態(tài)。在該狀態(tài)下,套管環(huán)空中的液柱會(huì)發(fā)生油水分離,使環(huán)空中充滿油柱,并且油柱不流動(dòng),也就沒有氣體流過;環(huán)空自噴狀態(tài)液柱不發(fā)生油水分離,充滿的是油水混合液柱,液柱流動(dòng)有阻力,當(dāng)氣體流過時(shí)產(chǎn)生滑脫;套管定壓放氣環(huán)空流動(dòng)狀態(tài)是在穩(wěn)定的套管定壓放氣生產(chǎn)條件下,環(huán)空中的液柱發(fā)生油水分離,充滿的是油柱,因此液體相的密度按照油的密度ρo來計(jì)算,油柱被氣體飽和,氣泡在上升的過程中不會(huì)發(fā)生質(zhì)量變化。套管定壓放氣井筒流動(dòng)如圖1所示。2數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建2.1電泵單元的特征曲線國內(nèi)研究成果表明,根據(jù)電泵特征曲線的含氣校正規(guī)律,當(dāng)進(jìn)泵氣液比Rpi小于8%時(shí),不會(huì)發(fā)生氣蝕。Tulse大學(xué)的研究成果也表明:在電泵的推薦排量范圍內(nèi),入泵氣體在泵入口壓力ppi下的體積分?jǐn)?shù)如果大于10%,電泵特征曲線顯示工作狀態(tài)會(huì)加劇惡化,因?yàn)橐话汶姳靡笤谛拚蟮耐扑]排量范圍內(nèi)工作。將入泵氣體在泵入口壓力下的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的沉沒度設(shè)定為臨界沉沒度(即環(huán)空中的截面含氣率),依據(jù)套管環(huán)空多相流計(jì)算得到泵入口處的壓力和截面含氣率,可以求得泵入口處環(huán)空中的截面含氣率為10%時(shí)對(duì)應(yīng)的下泵深度。2.2a保護(hù)方式的計(jì)算模型目前,關(guān)于環(huán)空管中的多相流流動(dòng)規(guī)律已經(jīng)有較多研究文獻(xiàn),對(duì)于復(fù)雜的環(huán)空螺旋流研究也有了一定進(jìn)展,但是套管放氣條件下的多相流動(dòng)計(jì)算方法還缺少針對(duì)性的討論和文獻(xiàn)。在套管放氣條件下,由于環(huán)空中液體相處于滯止?fàn)顟B(tài),液相和油套管之間不存在相對(duì)滑動(dòng),受油套管粗糙度影響的雷諾數(shù)失去原有的意義,因此,石油工業(yè)中常用的多相流計(jì)算方法不能直接應(yīng)用。假設(shè)油套環(huán)空中的流動(dòng)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),在套管日產(chǎn)氣流量一定的前提下,泰勒氣泡的上升速度越快,截面含氣率越低,因此對(duì)垂直環(huán)空管截面含氣率預(yù)測模型為f=vsg/(C0vm+v∞)(1)f=vsg/(C0vm+v∞)(1)式中:f為截面含氣率;vsg為氣體表觀流速,m/s;C0為流動(dòng)參數(shù),與氣泡濃度和截面速度分布有關(guān);v∞為離散氣泡在滯止液體中的最大上升速度,m/s;vm為油套環(huán)空總流體的表觀流速,m/s;在套管定壓放氣井中,由于油套環(huán)空中的油柱靜止不動(dòng),油套環(huán)空總流體的表觀流速vm等于氣體表觀流速vsg,所以,式(1)變?yōu)閒=vsg/(C0vsg+v∞)(2)f=vsg/(C0vsg+v∞)(2)離散氣泡在滯止液體中的最大上升速度v∞,采用Aziz的計(jì)算模型,即v∞=CgDh(ρl?ρg)ρ1???????√(3)C=0.345[1?exp[(?0.02qNv)]×[1?exp[(3.37?Ne)/m](4)Ne=gD2h(ρ1?ρg)σ1(5)Nv=gD3hρ1(ρ1?ρg)√μ1(6)v∞=CgDh(ρl-ρg)ρ1(3)C=0.345[1-exp[(-0.02qΝv)]×[1-exp[(3.37-Νe)/m](4)Νe=gDh2(ρ1-ρg)σ1(5)Νv=gDh3ρ1(ρ1-ρg)μ1(6)式中:ρ1為液相的密度,kg/m3,在套管放氣井中等于原油密度ρo;ρg為氣相的密度,kg/m3;μ1為液相的黏度,mPa·s,套管放氣井中等于原油黏度μo;Dh為環(huán)空管的水力直徑,m。m依據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來選取:Nv≥250時(shí),m=10;18<Nv<250時(shí),m=69N-0.35v;Nv≤18時(shí),m=25。Aziz的離散氣泡在滯止液體中的最大上升速度計(jì)算模型的優(yōu)勢在于考慮了黏度對(duì)氣泡上升速度的制約。對(duì)于環(huán)空管,筆者建議應(yīng)用環(huán)空管的水力直徑Dh,其值為套管內(nèi)徑與油管外徑的差。對(duì)于滯止液體中氣泡上升流動(dòng)的截面含氣率計(jì)算問題,Aziz應(yīng)用因次分析方法提出了如下流動(dòng)參數(shù)C0計(jì)算模型C0=avsg+b+exp(cvsg+d)(7)C0=avsg+b+exp(cvsg+d)(7)式中:a、b、c、d為系數(shù),無因次。H.An依據(jù)應(yīng)用不同黏度流體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)Aziz的流動(dòng)參數(shù)C0計(jì)算模型進(jìn)行擬合,提供了適用于不同黏度流體的流動(dòng)參數(shù)C0:C0=A1vsg+A2ln(ρ1ρg)+A3μ′+A4+exp[A5vsg+A6ln(ρ1ρg)+A7μ′+A82〗(8)C0=A1vsg+A2ln(ρ1ρg)+A3μ′+A4+exp[A5vsg+A6ln(ρ1ρg)+A7μ′+A82〗(8)其中,μ′=μ1μw(9)μ′=μ1μw(9)式中:μw為水的黏度,mPa·s;A1=-0.0246,A2=0.1654,A3=0.001,A4=0.399,A5=-0.6757,A6=1.6407,A7=0.0036,A8=-9.4357。以上截面含氣率的計(jì)算模型適用于泡狀流和段塞流,而對(duì)于過渡流、環(huán)空流和霧狀流的適應(yīng)性有待進(jìn)一步研究。綜合考慮幾種最小轉(zhuǎn)換界限vsg,泡狀流和段塞流的最小轉(zhuǎn)換界限為0.06175m/s,段塞流和過渡流的最小轉(zhuǎn)換界限為0.8839m/s,分別對(duì)應(yīng)于2MPa套管放氣壓力下?139.7mm套管、?88.9mm油管下的套管日放氣量約為550m3/d和7600m3/d。環(huán)空氣體流速小于0.8839m/s可以作為模型的適用條件,據(jù)此結(jié)合具體的油套管組合計(jì)算模型,考慮適用的放氣量范圍。應(yīng)該說,該模型對(duì)于套管平均產(chǎn)氣量在7600m3/d以下的油井都是能夠適用的。而套管產(chǎn)氣量為7600m3/d的油井,如果套管放氣壓力較高,也是適用的。2.3套管放氣多相流計(jì)算模型一般多相流計(jì)算模型中的壓降計(jì)算模型均包括摩阻壓差、重位壓差和加速壓差3部分,而套管放氣井的環(huán)空壓差計(jì)算與普通環(huán)空多相管流的計(jì)算不同。在套管放氣井的環(huán)空中液體不流動(dòng),沒有流體流動(dòng)與油管壁的摩擦,即沒有摩阻壓差。由于滯止液體不流動(dòng),不存在液相加速壓差,而且氣體的密度相對(duì)于液體可以忽略,氣體流動(dòng)的動(dòng)能項(xiàng)也可以忽略,因此,氣體相加速壓差可以忽略不計(jì)。所以,套管放氣井的環(huán)空壓降計(jì)算模型中只需要計(jì)算重位壓差,在穩(wěn)定的套管放氣狀態(tài)下,油套環(huán)空中油水分離,油相充滿整個(gè)環(huán)空,因此壓降計(jì)算中的液相密度由油密度決定。環(huán)空壓降計(jì)算模型如下:Δpi=ρo(1?fi)ΔH(10)Δpi=ρo(1-fi)ΔΗ(10)式中:ΔH為迭代步長,m;Δpi為不同計(jì)算單元段的壓力增量,MPa;fi為不同迭代節(jié)點(diǎn)處的截面含氣率。不同沉沒深度處的沉沒壓力psi由套壓和沉沒深度對(duì)應(yīng)的沉沒液柱產(chǎn)生的液柱壓力相加得到,即:psi=pc+∑i=1nΔpi(11)psi=pc+∑i=1nΔpi(11)式中:n=Hsi/ΔH;pc為套壓,MPa;Hsi為不同下泵深度處的沉沒度,m;psi為某一沉沒深度處對(duì)應(yīng)的沉沒壓力,MPa。式(1)—式(11)為套管環(huán)空放氣多相流動(dòng)計(jì)算模型,可以適用于不同的原油黏度,是適用于任何井型的模型。如果已知進(jìn)入到環(huán)空中氣體的質(zhì)量,式(1)—式(11)可以形成封閉的多相流計(jì)算模型。2.4飛機(jī)周圍自由氣的體積和表觀速度電泵井多采用井下氣體分離裝置,泵入口處的自由氣體質(zhì)量和仍處于溶解狀態(tài)的氣體質(zhì)量的比值是隨著泵入口處的壓力動(dòng)態(tài)變化的。2.4.1井筒傳熱模型22d在套管日產(chǎn)氣量已知的情況下,套管日產(chǎn)氣量和泵入口壓力下的日氣體流過量質(zhì)量相同,不同壓力下油套環(huán)空中氣體表觀流速vsg為vsg=Qgs?ε86400(D2?d2)(12)ε=293psZpiTpip0(13)vsg=Qgs?ε86400(D2-d2)(12)ε=293psΖpiΤpip0(13)式中:ε為地面標(biāo)準(zhǔn)狀況和泵入口處壓力下的氣體體積之比;Qgs為地面標(biāo)準(zhǔn)狀況下套管日產(chǎn)氣量,m3/d;ps為沉沒壓力,MPa;p0為地面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,0.101325MPa;Tpi為泵入口處的套管內(nèi)液體溫度,K,可以用井筒傳熱模型計(jì)算,也可以用泵入口處的地層溫度代替;Zpi為泵入口處天然氣的偏差因子,無因次。2.4.2原油氣藏飽和水溶液根據(jù)常用的Standing方法,有Rsi=2.277γg(pb10α)1.204(14)Rsi=2.277γg(pb10α)1.204(14)式中:Rsi為不同壓力下天然氣在原油中的溶解氣油比;γg為天然氣的相對(duì)密度;pb為油藏飽和壓力,MPa;α為與原油API度和溫度有關(guān)的系數(shù)。在已知油藏溶解氣油比或油井生產(chǎn)氣油比的情況下,地面標(biāo)準(zhǔn)狀況下套管日產(chǎn)氣量Qgs為Qgs=(1?RsiRs)RsQoηs(15)Qgs=(1-RsiRs)RsQoηs(15)式中:Qo為日產(chǎn)油量,m3/d;Rs為油藏溶解氣油比或油井生產(chǎn)氣油比,在套管不放氣或套管氣進(jìn)入集油管線的生產(chǎn)條件下等于生產(chǎn)氣油比;ηs為電泵井井下氣體分離器的分離效率,為0～1的小數(shù)。在油田實(shí)際生產(chǎn)中,γg和α難以得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù),當(dāng)在psi=pb,psi=ps,則可以根據(jù)油田實(shí)際的pb和ps確定2.277γg110α110α1.204中γg和α的數(shù)值。因此,由式(14)就可以計(jì)算出不同泵入口壓力下的剩余溶解氣油比,進(jìn)而獲得不同泵入口壓力下的自由氣體的量。3進(jìn)入油套環(huán)人工氣體質(zhì)量與沉浸壓力耦合應(yīng)用以上計(jì)算模型,研發(fā)了計(jì)算電泵井不發(fā)生氣蝕的臨界沉沒度的軟件。在計(jì)算環(huán)空壓降的模型中,首先要確定進(jìn)入油套環(huán)空中的氣體質(zhì)量。此時(shí)沉沒壓力為未知,且不同的沉沒壓力下逸出并進(jìn)入環(huán)空的自由氣體量不同。進(jìn)入油套環(huán)空中的氣體質(zhì)量與沉沒壓力耦合,通過增加一層迭代可解決進(jìn)入油套環(huán)空中的氣體質(zhì)量與沉沒壓力耦合問題。軟件流程框圖如圖2所示,圖2中psci為沉沒壓力初始值,psni為應(yīng)用截面含氣率計(jì)算的泵入口處的沉沒壓力。4套管放氣充壓電液柱壓力應(yīng)用本文成果軟件,計(jì)算并輸出環(huán)空壓力分布,將計(jì)算得到的參考點(diǎn)壓力與參考點(diǎn)實(shí)測壓力對(duì)比40井次。在這40井次中考慮了不同的地面脫氣原油黏度(10mPa·s～1200mPa·s)、不同的生產(chǎn)氣油比(30～600)和不同的含水率(5%～95%)等情況。對(duì)比誤差如圖3所示,說明所用的模型能夠正確反映套管放氣條件下環(huán)空中液柱壓力分布,由模型計(jì)算得到的泵入口壓力也是可靠的。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,調(diào)整電泵井沉沒度14口,平均下泵深度減小250m,調(diào)整后的電泵井未發(fā)現(xiàn)明顯氣蝕現(xiàn)象,既保證了電泵井的正常生產(chǎn),又節(jié)約了電纜、油管等各項(xiàng)投資。5管道環(huán)空放氣流動(dòng)模型(1)以泰勒氣泡在黏滯流體中的上升流速作為主要依