基于两相流模型的直井动态排积液方法研究——以大牛地气田为例

姜一

(中石化华北油气分公司采气一厂，河南 郑州 450000)

基于两相流模型的直井动态排积液方法研究
——以大牛地气田为例

姜一

(中石化华北油气分公司采气一厂，河南 郑州 450000)

有效排出积液对低压低产气井的稳产保产具有重要意义。针对目前大牛地气田直井积液状态无动态监测手段、排液方法相对粗糙的缺陷进行排积液方法研究。首先基于两相流的形成与转换机理，结合环状流、过渡流、段塞流、泡状流4种流态的特征，定义了无积液、井壁积液、井筒积液、井底积液4种积液状态；其次，通过对比实际产量与各流态的形成边界以及临界携泡流量的大小关系，将4种积液状态的气井进一步细分为8类，并将泡沫排水、提产带液、降压带液等排水方法进行组合，制定了针对性的8类排积液方法；最后，实例分析证明该方法在现场应用中取得了良好的效果。

两相流模型；流态判别；积液状态；泡沫排水；降压带液；大牛地气田

鄂尔多斯盆地大牛地气田是典型的低渗、低压、低产气田，气田开发以直井为主，气井普遍产水，平均产水量0.4m3/d。大牛地气田普遍应用泡沫排水(简称“泡排”)工艺，并围绕着泡排药剂优选、泡排影响因素、泡排工艺效果评价等方面开展了广泛的研究[1～10]。随着气田开发进入中后期，多数气井的实际产量已低于临界携泡流量，早期单一的泡排工艺已无法有效排出积液，积液问题造成的井底回压增加、井筒气液滑脱效应加剧，气井难以稳产的问题日益突出。通过分析泡排工艺在大牛地气田的应用现状，总结出目前研究存在的缺陷主要有以下两个方面：第一，井筒积液状态不明晰，导致选择的排液方法缺乏针对性；第二，实际产量低于携泡流量的气井应当如何有效排液，缺乏系统的方法。

综上所述，笔者以两相流模型为基础，依据4种流态特征定义了4种积液状态，通过判别实际产量与各流态的形成边界以及临界携泡流量的大小关系，将直井细分为8类，并提出了针对性的排液方法。

1 井筒两相流模型与直井积液状态

根据Govier&Aziz[11]、刘通[12]等人的实验研究，在垂直段井筒中，低液量条件下，气流速度从大到小，流型依次出现环状流、过渡流、段塞流、泡状流。

1)环状流——无积液状态。环状流可以将液滴进行连续携带，小液滴在运动过程中，气流的曳力足以克服液滴自身重力，并呈现出紊流流态分布的特征。液滴在向上运动的过程中逐渐向管壁移动、聚集，形成液膜，在高气流速度的条件下沿管壁稳定上升。因此在环状流的流态下，气井产液可以被完全带出井筒，不存在积液。

2)过渡流——井壁积液状态。当气流速度不足以推动液膜稳定上升时，液膜将发生回流厚度增加，进一步会堵塞气芯，形成较小的液塞。因此在过渡流的流态下，气井产液已不能被完全带出井筒，小液塞反复循环的堆积、回流，井壁上开始出现积液。

3)段塞流——井筒积液状态。当过渡流的小液塞震荡上升时，随着气量减小、滑脱作用的进一步增加，短小的液塞被聚集的气泡突破后回流，合并形成长液塞，小液塞尾部的小气泡互相碰撞，聚合成大气泡，逐步堆积后形成气体段塞。因此在段塞流的流态下，大部分气井产液以长液塞的形态堆积于井筒中，气液两相分段上升。

4)泡状流——井底积液状态。长段的液塞在上行过程中随着气量减小继续滑脱回流，液塞长度不断增加最终形成连续液相，并回落至井底。因此在泡状流流态下，气体以气泡形态分布于连续液相中，气井产液已无法排除井筒。

各种积液状态下，气井生产的表观特征、积液状态判别依据，以及由判别依据推导得出的气液表观流量无量纲方程判别条件[13]如表1所示。

表1 4种积液状态的表观特征与判别条件

注：vg为气相表观流量，m3/d；vL为液相表观流量，m3/d；σL为液体表面张力系数；ρL为液体密度，kg/m3;ρg为气体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

2 针对各种积液状态的气井分类与排积液方法

2.1 无积液状态的气井分类与排积液方法

当直井井筒的流态为环状流时，此时气井可以正常排液生产，不存在积液问题。依据实际生产流量与环状流边界流量的大小关系，可以将气井分为以下2类：

Ⅰ类气井 实际产量远高于环状流边界流量。可以稳定排液生产，不存在积液问题。

Ⅱ类气井 实际产量略高于环状流边界流量。该类气井在正常生产情况下，可以稳定排液生产，不存在积液问题，但出现配产下调后，将导致实际产量低于环状流下边界流量，既而转化为过渡流，开始出现井壁积液问题。对于这类气井所采用的排积液方法为：适当提产带液。密切关注调产和实时生产数据，一旦低于环状流边界流量，则适当开大流量生产，保持流量大于环状流下边界流量。

2.2 井壁积液状态下的气井分类与排积液方法

当直井井筒的流态为过渡流时，气井出现井壁积液，依据实际生产流量与过渡流边界流量、临界携泡流量的大小关系，可以将气井分为以下2类：

Ⅲ类气井 实际产量远高于过渡流下边界流量。对于该气井所采用的排积液方法为：定期提产带液。开大流量生产一段时间，排出井壁积液，当产水、油压恢复后，调回原流量进行生产，如此进行循环。

Ⅳ类气井 实际产量略高于过渡流下边界流量，且高于临界携泡流量。对于该类气井采用的排积液方法为：介入泡沫排水。由于处于井壁积液阶段，积液量较小，根据积液周期采取定期长间隔泡排的制度，达到排出井壁积液的效果。

2.3 井筒积液状态下的气井分类与排积液方法

当直井井筒的流态为段塞流时，气井出现井筒积液，依据实际生产流量与段塞流边界流量的大小关系，可以将气井分为以下2类：

Ⅴ类气井 实际产量高于段塞流下边界流量，且高于临界携泡流量。对该类气井采用的排积液方法为：“少食多餐”的泡沫排水。由于处于井筒积液阶段，积液量较大，采用短间隔、少剂量的泡排制度，通过气井的连续排液，及时消除井筒内较长的液塞，防止液塞不断堆积形成泡状流。

Ⅵ类气井 实际产量高于段塞流下边界流量，但略低于临界携泡流量。对于该类气井采用的排积液方法为：“少食多餐”的泡沫排水制度加提产带液。由于气井实际产量已小于临界携泡流量，单纯通过泡沫排水已无法有效排出积液，因此需要当井筒积液在泡排剂的作用下形成泡沫后进行提产带液，依靠高于携泡流量的瞬时流量进行有效排液。通过牺牲一定的生产时率，保持开井流量持续大于携泡流量生产。

2.4 井底积液状态下的气井分类与排积液方法

当直井井筒的流态为泡状流时，气井出现井底积液，依据实际生产流量与泡状流边界流量的大小关系，可以将气井分为以下2类：

Ⅶ类气井 实际产量低于泡状流上边界流量，且低于临界携泡流量。对于该类气井采用的排积液方法为：连续泡排辅助降压带液。由于处于井底积液阶段，积液量较大，已对井底形成了较大的回压，并且气井实际产量低于临界携泡流量，因此急需通过连续泡排辅助连续的降压带液，依靠高瞬时流量带出泡沫，排出井底积液，以防止气井水淹。

Ⅷ类气井 实际产量低于泡状流上边界流量，远低于临界携泡流量。对于该类气井采用的排积液方法为：环空激动、气举。处于这种状态下的气井已濒临水淹，此时油管内积液过多，需要通过环空激动平衡油套环空，降低油管内液柱高度，再结合Ⅶ类气井的排积液方法，连续进行泡排辅助降压带液，排出积液达到复产的目的。

3 实例分析

以大牛地气田DK13井区一口泡排示例井为例，对该文提出的排积液方法进行应用效果分析。选取开发井A的2016年1～6月生产数据，依据表1中过渡流与段塞流下边界条件进行计算，对比实际产气量与各边界条件如图1所示。

图1 开发井A 1～6月井筒流态(积液状态)图

通过对比开发井A，1～6月的生产数据与各种流态的临界条件，可知：

1)1～6月，该井实际产气量均大于段塞流最小边界流量，小于过渡流最小边界流量，井筒内的流态属于段塞流，积液状态为井筒积液。

2)1～3月，实际产气量大于临界携泡流量，属于Ⅴ类气井；4月产量下降后，实际产气量低于临界携泡流量，属于Ⅵ类气井。

3)采取的排积液方法：1～3月采取“少食多餐”的泡沫排水；4～6月采取泡沫排水+控制流量生产。排积液取得效果如图2所示。

图2 开发井A 1～6月生产数据图

4)1～3月采用“少食多餐”的泡沫排水方法，泡排制度为每天套注2L泡排剂，截止3月末，气井生产稳定，产水连续，油套压差较小。“少食多餐”的泡沫排水方法对防止井筒内积液加剧、稳定气井生产起到了积极的效果。

5)4月份下调配产后，平均产量下降2000m3/d，油套压差开始增大，产液不连续，井筒积液加剧。原先“少食多餐”的泡沫排水方法已不再适用，按照气井分类，4月末将排液方法调整为“泡排+控制流量生产”，泡排制度为每天套注2L泡排剂，控制流量生产制度为泡排结束4h后即泡排剂与积液充分反应后，将瞬时流量提高100m3/h，生产8h后恢复原流量生产。5～6月较4月份，水气比由0.32m3/104m3上升至0.598m3/104m3，提升86.8%；油套压差由3.26MPa降低至1.48MPa，降低54.6%。泡排+控制流量的排液方法，减轻了井壁积液的症状，防止了气井进一步恶化水淹。

4 结论

1)根据井筒两相流模型与积液状态定义，可以对大牛地气田生产直井积液状态进行预测。在实际生产中利用该文方法对生产数据进行实时监控，可以及时掌握气井积液动态。

2)依据气井的积液状态以及实际产量与临界携泡流量的大小关系，将4种积液状态的气井进一步划分为8类，结合各种流态的形成机理，将泡沫排水、提产带液、控制流量生产、降压带液、环空激动、气举等方法进行组合应用，制定了针对性的8类系统的排积液方法。在实际应用中，根据气井生产实际数据与分类标准，可以确定气井类别，准确地选择、调整有效的排积液方法。

3)将笔者提出的动态排积液方法在大牛地气田进行现场应用，通过实例分析可知，取得了良好的排液效果，对低压、低产气井的稳产保产，防止低产气井水淹起到了重要的作用。

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[编辑] 黄鹂

2016-10-20

国家科技重大专项(2011ZX05045)。

姜一(1987-)，男，博士，工程师，主要从事采气工程研究工作，whatisjimi@163.com.

TE375

A

1673-1409(2017)15-0073-04

[引著格式]姜一.基于两相流模型的直井动态排积液方法研究[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(15):73～76,81.