低产积液气井气举排水井筒流动参数优化

白晓弘，田伟，田树宝，李康

（1.中国石油长庆油田公司油气工艺研究院，陕西 西安710021；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安710018；3.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京102249）

0 引言

苏里格气田是一个低压、低渗、低丰度岩性气藏，气井普遍具有低压、低产、产水、携液能力差等特点［1-4］。以苏6 井区为例，截至2013年3月，该区累计投产气井273 口，平均单井产气0.86×104m3/d，产水0.32 m3/d，水气比0.36 m3/104m3。目前，多数气井已进入低压低产期，由于井筒积液严重，部分气井出现压力、产量下降过快现象，制约了气井的正常生产。气举作为苏里格气田一项主要排水采气措施，是维持气井正常生产的重要手段［5-6］。掌握整个井筒不同位置气液流动规律的变化和能量损失机理，对提高气举效率及参数优化具有重要意义。

目前，气举排水采气方面的研究，主要集中在利用较简单的临界携液流量等参数来设计注气量［7-12］，或根据给定的设备条件和气井流入动态进行气举设计［13-15］，而针对整个井筒流动规律的变化及能量损失的研究较少，因此有必要对此进行深入分析和研究。

1 井筒气液多相流模型

本文利用井筒多相流动计算软件PIPESIM，建立了井筒气液两相流计算模型，采取井筒分段迭代求解算法，对气举前后的井筒流动特征参数进行了计算；重点研究了气举过程中从井底到井口整个井筒的气体流速分布、持液率分布、流型分布及沿程压力分布等规律，同时还分析了举升能量损失（包括重力损失和摩擦损失）的变化情况。

1.1 建立井筒流动规律分析模型

首先根据苏里格气田气井实际的井身结构，建立以井底为入口、井口为出口的垂直井筒气液多相流计算模型。模型中气层中深3 321.40 m，油管直径6.23 cm，下入深度3 298.60 m，套管直径13.97 cm，下入深度3 458.04 m；井口温度20 ℃，井底温度104 ℃。

1.2 拟合多相流动规律计算方法

目前，计算井筒多相流动规律的方法有很多［16-20］，如Beggs & Brill Revised，Hagedorn & Brown，Orkiswski方法等，但这些方法都有各自的适用条件，因此有必要选出适合苏里格气田气井流动的井筒多相流动的计算方法。本文根据现场提供的流压测试资料，对各井筒多相流动计算方法算出的压力分布进行拟合，结果如表1所示。

表1 苏里格气井井筒多相流计算方法拟合结果

气井的井底流压为拟合的敏感性因素，井底流压较低时，Beggs&Brill Revised 法较准确，井底流压较高时，Hagedorn&Brown 法较准确。进行井筒多相流计算时，井底流压不高于8 MPa 时，用Beggs&Brill Revised法，高于8 MPa 时，用Hagedorn&Brown 法。

2 气举前后井筒流动规律计算

为了分析气举前后井筒流动变化规律，本文选取油管末端为注气点，将未注气和注气量为1×104，2×104，3×104m3/d 时井筒压力分布进行了对比（见图1）。

图1 气举复产前后井筒压力分布

由图1可见，气举后井筒压降幅度很大，但随着注气量的增加，井筒压力呈现先降后升的趋势。为了解释这一现象，本文从井筒气体流速、持液率、流型、重力损失和摩擦损失等角度进行了分析。

2.1 气体流速变化

气举复产措施前后的井筒气体流速变化见图2。可以看出，由于注入气体参与井筒中的气液流动，井筒中气体流量大幅增加，在相同过流断面中，表观气体流速增加。气举注气量越大，表观气体流速增加越明显。

图2 气举复产前后表观气体流速变化

2.2 持液率及流型变化

气举复产措施前后井筒持液率的变化见图3，可以看出，由于注入高压气体，增加了井筒中的气体流速，使得气体的携液能力增强，井筒气液分布更加均匀，将积液排出井口，持液率随之减小。

注气量为1×104m3/d 时，井筒流型为泡流；注气量增加到2×104m3/d 时，井筒流型发生变化，井筒上部的流型由泡流变为段塞流，流型变化部分持液率迅速降低； 注气量增加到3×104m3/d 时，整个井筒变为环雾流，持液率变化幅度变小。

图3 气举复产前后持液率变化

2.3 重力及摩擦损失变化

气举复产前后井筒重力与摩擦损失分布见图4。

图4 气举复产前后井筒压降分布变化

综合图2—图4可以看出，当注气量逐渐增加时，井筒重力损失随持液率的减小而减小，井筒摩擦损失随气体流速的增加而增加。当注气量较小时，井筒内流体的流型为泡流，此时随着注气量的增加，井筒重力损失减小明显，摩擦损失变化不大，井筒总压降降低。当注气量增大，井筒的流型变为环雾流后，井筒重力损失缓慢下降，摩擦损失迅速上升，故井筒总压降开始增加。因此，随着注气量的增加，井筒总压降先减小，后来逐渐增加，即存在一个适中的注气量，能使井筒总压降达到最低。

3 井筒流动规律实验

为了验证气举井筒气液两相流动计算模型的分析结果，本文建立了井筒气液两相流实验装置，对气举时的井筒流动规律进行了模拟分析。

该实验装置选用长度为5 m、直径为0.03 m 的垂直管道模拟垂直井筒，下端入口处分别注入一定流量的气体和液体，模拟注气量和产水量，并在管道入口和出口处安装压力表，分别计量入口压力和出口压力。

通过增加入口气体流量（注气量），同时观察出、入口压力及井筒流型的变化，模拟气举时的井筒气液流动，分析井筒流型变化、举升效率及井筒压降变化（见表2）。

表2 不同气体流量下的流型、举升效率及井筒压降

忽略温度的影响，举升效率η 的计算采用简化计算公式［21-22］

式中：pt为井口的绝对压力，Pa；ρ 为水的密度，kg/m3；H 为井筒长度，此处取5 m；Ql为井口产出水的体积流量，L/min；Qg为气举阀注入的气体量，L/min；pg为地面注气压力，Pa。

由表2可知，随着注气量的增加，井筒流型由泡流逐步过渡为段塞流和环雾流；在举升效率方面，泡流最低，段塞流最高，环雾流状态下举升效率随注气量增加而减小；在井筒压降方面，随着注气量变大，流型从泡流变化为段塞流，井筒压降逐渐降低，继续加大注气量，流型从段塞流转变为环雾流，随着注气量增加和流型发生变化，井筒压降先减小，后来逐渐增加，即存在一个适中的注气量，能使井筒总压降达到最低。

4 注气量优化

在利用气举进行排水生产时，井筒压降越小，则能量损耗越小，能量利用率越高。本文以整个井筒压降最低、举升效率最高为目标，对不同类型气井（不同产气量、不同水气比）的气举排水注气量进行优选。

注入气量变化对井筒压降的影响见图5，由图可知，随着注气量增加，井筒压降逐渐降低。当注气量增加到一定值后，井筒压降随注气量增加而逐渐增加。最小井筒压降对应的注气量值即为最佳气举注气量。针对不同产气量和水气比的气井，计算的最佳注气量结果如表3所示。

图5 气井注气量对井筒压降的影响

表3 不同类型气井对应的最佳注气量

5 结论

1）将数值模拟与实验相结合，研究了苏里格气田低产气井排水采气井筒的流动规律，并针对不同类型的气井优化出了注气参数，对提高低产气井气举排水采气效率具有重要意义。

2）随着气举注气量的增加，气体流速和井筒摩擦损失增大，持液率和井筒重力损失减小，井筒流型由泡状流、段塞流、环流逐步过渡为环雾流。随着井筒流型的变化，井筒总压降先降低后又逐渐增大。

3）从最小井筒压降的角度确定出了不同类型气井排水采气所需的最佳注气量。

4）用井筒气液两相流动计算模型得到的流动规律和气举实验模拟得出的结论相一致。

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