氣舉啟動(dòng)與卸載過(guò)程中氣液流型分布規(guī)律

氣舉啟動(dòng)與卸載過(guò)程中氣液流型分布規(guī)律

在石油和天然氣工業(yè)的開采過(guò)程中，當(dāng)層塔的石油能力不足將原油從井底提升到地面時(shí)，井塔將停止自噴。這是因?yàn)橛蛯颖旧淼哪芰砍掷m(xù)消耗，油層的壓力不斷降低，油層中的原油消耗大量，粘度增加，油層產(chǎn)量顯著降低。為了將大量死油從井中排出，必須將天然氣和空氣強(qiáng)行注入井底。這種開采方法被稱為氣萃取開采。近年來(lái)，氣萃取開采在國(guó)內(nèi)外廣泛使用，如油田、中原油田、江漢油田等。但是,為了得到穩(wěn)定高效的油氣產(chǎn)量,還需要對(duì)諸如注氣量、注氣壓力等參數(shù)進(jìn)行研究,為此需設(shè)計(jì)建造試驗(yàn)井進(jìn)行模擬研究.流型在氣液兩相流的流動(dòng)特性研究中是非常關(guān)鍵的,流型的變化往往引起流動(dòng)阻力、流動(dòng)穩(wěn)定性的變化.在垂直流動(dòng)中,大致有泡狀流(bubblyflow)、彈狀流(slugflow)、塞狀流(plugflow)、攪拌流(churnflow)、環(huán)狀流(annularflow)和霧狀流(mistflow).到目前為止,在工程上確定流型是依靠流型圖(flowpatternmap).流型圖是通過(guò)流型及流型轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)得到的.通過(guò)取用不同的參數(shù)坐標(biāo),把各種流型按所取參數(shù)進(jìn)行區(qū)分,標(biāo)注在圖上,所得到的區(qū)界圖即為流型圖.實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)流動(dòng)方向、流動(dòng)參數(shù)和物性參數(shù),按流型圖的坐標(biāo)確定本工況下的坐標(biāo)點(diǎn),再根據(jù)該坐標(biāo)點(diǎn)所在的位置決定本工況的流型.在所有這些參數(shù)中,空泡份額是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),如Taitel和Dukler(1977)最早曾提出可單一根據(jù)空泡份額變化確定泡狀流和彈狀流.筆者用RELAP5/MOD3.2程序計(jì)算分析試驗(yàn)井的氣舉啟動(dòng)與卸載過(guò)程,探討不同氣舉參數(shù)下油井內(nèi)氣液兩相流流型分布規(guī)律,為下一步試驗(yàn)研究提供理論依據(jù).1注氣、壓縮機(jī)環(huán)縫兩相流試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示,氣舉試驗(yàn)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣庫(kù)(儲(chǔ)氣井)、油井、油套環(huán)和注水環(huán)以及相關(guān)閥門、開關(guān)等組成.試驗(yàn)前關(guān)閉節(jié)流閥(注氣閥),用壓縮機(jī)將儲(chǔ)氣井壓力升高到一定值.試驗(yàn)過(guò)程中,打開注氣閥和壓縮機(jī),高壓氣體從儲(chǔ)氣庫(kù)中流向油套環(huán),油套環(huán)縫內(nèi)壓力不斷升高,壓低環(huán)縫液面,油管內(nèi)液面上升,逐漸有液體流出.當(dāng)高壓氣體將液面壓到油管底部后,開始注水,氣體進(jìn)入舉升管柱與液體形成氣液兩相流動(dòng)(不穩(wěn)定兩相流).隨著注氣的不斷進(jìn)行,由于液體流出的體積小于該狀態(tài)下增加的氣體體積,環(huán)縫內(nèi)壓力還會(huì)繼續(xù)增加,到某一時(shí)刻,液體流出的體積大于該狀態(tài)下增加的氣體體積,環(huán)空內(nèi)壓力開始降低,舉升管內(nèi)兩相流向井口延伸,最后使整個(gè)井內(nèi)形成兩相流,直到流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定.2分析和初始條件2.1巖石在熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用應(yīng)用RELAP5/MOD3.2程序計(jì)算分析試驗(yàn)井的氣舉、注水動(dòng)態(tài)過(guò)程.RELAP5/MOD3.2程序是由美國(guó)核管會(huì)(NRC)資助,美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(IdahoNationalEngineeringLaboratory)發(fā)展的用于分析系統(tǒng)熱工水力瞬態(tài)特性的系統(tǒng)分析程序,廣泛用于反應(yīng)堆系統(tǒng)及試驗(yàn)裝置的安全分析和瞬態(tài)特性分析中.RELAP5/MOD3.2程序采用一維非均相、非平衡態(tài)兩流體六方程模型來(lái)描述系統(tǒng)的流動(dòng)特性,能較好得模擬氣舉過(guò)程中的兩相行為.2.2mttdvb系統(tǒng)將試驗(yàn)系統(tǒng)劃分為19個(gè)部件(如圖2所示).其中,202為時(shí)間相關(guān)部件(TMDPVOL),代表壓縮機(jī);204為單一控制體部件(SNGLVOL),代表儲(chǔ)氣庫(kù);112為時(shí)間相關(guān)部件(TMDPVOL),代表遠(yuǎn)程輸油管;302為時(shí)間相關(guān)部件(TMDPVOL),代表注水系統(tǒng);108和110為管部件(PIPE),代表油井,各劃分為50個(gè)控制體;304和306為環(huán)形部件(ANNULUS),代表注水環(huán),各劃分為50個(gè)控制體;206和208為環(huán)形部件(ANNULUS),代表油套環(huán),各劃分為50個(gè)控制體.109、111、205、207、209、305、307為單一接管部件(SNGLJUN),203和303為時(shí)間相關(guān)接管部件(TMDPJUN),分別控制壓縮機(jī)注氣速率和注水速率.2.3初始條件和邊界條件如圖1所示,試驗(yàn)?zāi)M的油井深900m,直徑62mm,油套環(huán)深910m、直徑154mm,注水環(huán)深920m、直徑330mm.初始條件為:儲(chǔ)氣庫(kù)壓力8MPa,容積10m3或30m3.油井、油套環(huán)和注水環(huán)充滿一定高度的水,用油井出口背壓模擬輸油阻力,背壓取為2MPa,0時(shí)刻開啟壓縮機(jī)并打開開關(guān)和注氣閥,當(dāng)油套環(huán)液位降低到底部時(shí),開啟注水閥向注水環(huán)注水.所有部件溫度相同,取為27℃.針對(duì)高、低產(chǎn)水量要求,采用不同注氣量和注水量條件進(jìn)行了計(jì)算分析.3計(jì)算3.1油套環(huán)宏觀定位注壓力圖3、圖4為典型氣舉過(guò)程參數(shù)變化現(xiàn)象.計(jì)算參數(shù)為壓縮機(jī)注氣量20000m3/d(氣體狀態(tài)0.1MPa,20℃),壓縮機(jī)排氣壓力為8MPa.儲(chǔ)氣庫(kù)容積10m3,注水量150m3/d,井口阻力較小.如圖可見(jiàn),壓縮機(jī)開始注氣約1.7h后,油套環(huán)液面到達(dá)井底,此時(shí)開始注水.油套環(huán)液面到達(dá)井底前,井底壓力為10.9MPa,基本保持不變;而環(huán)縫壓力則從2MPa不斷增加到8.2MPa.產(chǎn)水量在4min之內(nèi)從0增大到220m3/d,然后緩慢下降到115m3/d,當(dāng)油套環(huán)液面到達(dá)井底后,由于油管內(nèi)開始進(jìn)入空氣,油管空泡份額和氣液產(chǎn)量迅速增加.隨著氣液兩相流流出井口,井底壓力、環(huán)縫壓力開始降低,產(chǎn)水量在經(jīng)過(guò)幾次大的波動(dòng)后也開始緩慢降低.所有參數(shù)在大約6h左右逐漸趨于穩(wěn)定.穩(wěn)定后的井底壓力為4.32MPa,環(huán)縫壓力3.85MPa,產(chǎn)水量192m3/d,井口空泡份額0.87.3.2空泡份額的確定圖5～圖10所示為不同產(chǎn)水量條件下油井不同部位的流型分布.其中,流型是通過(guò)空泡份額、流量等流動(dòng)參數(shù)和物性參數(shù)由RELAP5/MOD3.2程序根據(jù)流型圖計(jì)算得到.由圖可見(jiàn),對(duì)同一產(chǎn)水量工況,油井同一個(gè)部位處的兩相流流型會(huì)隨著氣舉啟動(dòng)與卸載的過(guò)程發(fā)生變化.在氣舉啟動(dòng)初期,由于空氣沒(méi)有進(jìn)入油管,油井各部位處的兩相流流型均為泡狀流(bubbly,由于RELAP5/MOD3.2程序采用兩流體六方程模型,在空泡份額為0時(shí)程序給定一個(gè)很小的值以便于求解).隨著氣舉過(guò)程的進(jìn)行,環(huán)縫液面不斷降低,當(dāng)環(huán)縫液面降低到油井底部時(shí),由于空氣開始進(jìn)入油井,油井內(nèi)從底部到出口空泡份額逐漸增加,兩相流流型也先后發(fā)生變化,隨著越來(lái)越多的空氣的進(jìn)入,油井氣水產(chǎn)量逐漸降低,而油井各部分空泡份額顯著增加,最后,各參數(shù)將趨于穩(wěn)定.在此過(guò)程中,不同氣水產(chǎn)量和油井不同位置的流型變化規(guī)律略有不同.對(duì)低產(chǎn)水量工況,由于給定的油井出口阻力偏低,導(dǎo)致流型波動(dòng)變化較大,這是試驗(yàn)過(guò)程或生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意需要避免的.對(duì)低產(chǎn)水量工況,油井底部的兩相流流型從泡狀流最終過(guò)渡到彈狀流(slug),但在空泡份額劇烈變化時(shí)可能出現(xiàn)環(huán)霧狀流(annular-mist);在油井中部和出口最終會(huì)過(guò)渡到環(huán)霧狀流(annular-mist),但在空泡份額劇烈變化時(shí)可能出現(xiàn)環(huán)彈狀流.對(duì)高產(chǎn)水量工況,不論在油井的何處位置,兩相流流型均會(huì)從泡狀流最終過(guò)渡到霧狀流,并且,即使在空泡份額劇烈變化的時(shí)候,在油井出口處也不會(huì)出現(xiàn)環(huán)彈狀流.改變注氣量或注水量會(huì)影響氣舉采油的穩(wěn)定性和氣水產(chǎn)量的變化.改變注氣量或注水量,則井口壓力、井底壓力和環(huán)縫壓力會(huì)變化,壓力的改變引起空泡份額的變化.而空泡份額是流型變化的關(guān)鍵參數(shù),空泡份額的變化可能導(dǎo)致流型變化,從而引起氣水產(chǎn)量的變化,或影響氣舉采油過(guò)程的穩(wěn)定性.4氣舉工況下的兩相流流型由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),在適當(dāng)?shù)臍馀e參數(shù)組合下,可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的