气田开发中气液井拟单相流井底压力模型对比研究分析

曹玄

摘要：井筒压力、温度分布是影响天然气井产能评价、生产系统动态分析和水合物生成预测的主要依据。本文通过文献、书籍阅读与分析，结合专业知识对不同生产工艺条件下的气井井底压力、井筒压力、井筒温度场计算模型的研究进展进行研究与总结，学习与了解各计算过程计算模型的发展历程，分析其典型模型的优、缺点及适用范围。对模型未来发展提出初步设想，其研究成果，对采气工艺设计的初学者具有借鉴意义。

关键词：气液井拟单相流;压力;

1.气水同产井井底压力模型研究与计算

Poettmann & Carpenter的摩擦损失系数法适用于高流量低气液比油井，Duns-Ros方法更适用于较短的管段，但是主要针对于雾流，而对深度或压差很大的井，必须进行一连串的分段计算。且该法对于低流量的高粘油情况不准确，因此应用于稠油时应注意。这种方法最适用于气举井的稳态性预测，对于所有的自喷条件都有较好的精度。根据流型划分标准，将流型分为泡流、段塞流、扰流和环雾流四种，每一种流型下的流动特征不同，也就有不同的压降计算公式。

基于以上方法适用范围的局限性，Hagedorn-Brown提出了一种方法，该方法基于单相流体能量守恒定律，得出压力梯度计算模型;并在装有 、 、 油管的457m深的试验井中，以 、 和 的油、空气和水混合物进行了大量的现场试验，通过反算持液率，提出了用于各种流型下的两相垂直上升管流压降关系式。由于动能变化引起的压力梯度甚小，可以忽略不计。

2.气水同产井井底压力模型对比分析

（1）Hagedorn-Brown气水同产井计算模型分析

Hagedorn-Brown气水同产井计算模型的适用范围是在气液两相从井底垂向流到井底的过程中，动能对压力梯度的影响甚小的气水两相流气井;气体和液体在管中流动是一维的，且是稳定流动的气井;均相流、不考虑气体和液体间的滑脱的气井。

Hagedorn-Brown气水同产井计算模型的优点是此法不需要判别流型，简化了计算过程;基于单相流体能量守恒定律有一定的理论基础，应用广泛;Hagedorn-Brown提出的气水同产井流压的计算方法针对不同的气藏、不同的井均可使用。其实用性强，方法计算简便、易操作，计算结果具有一定的准确性，能满足气藏、气井分析的需要。即考虑了气液两相之间的相对运动，又考虑了空隙率和流速沿过流断面的分布规律。

Hagedorn-Brown气水同产井计算模型的缺点是未考虑两相间的相互作用，而是用平均流动参数模拟两相介质;公式中的某些参数也有一定的选择范围，或者说有一定的不确定性，计算过程也比较繁琐，使用很不方便;存在简化和假设，具有不准确性;虽然使用方便，但还是以实验结果为依据，适用范围和计算精度受到限制。

（2）廖銳全气水同产井计算模型分析

通过对文献总结得出，在气水同产井井管流计算中常用的Beggs-Brill、Orkiszewsiki模型，计算井底流压结果误差较大，原因是这两种模型都是通过实验建立的经验关系式来计算井筒截面处的流体物性，受实验参数范围（如：流量、气液比等）和实验条件（如：管径、管长等）的限制，这些经验关系式对低流速、较低气液比的油井多相流计算具有较高精度，而对高流量、高气液比气井则适应性较差，计算结果误差较大。二者在特定的实验条件下的精准性并不能代表其在实际应用中所能达到的效果，必要时结合现场实际对其加以修正，以获得更好的计算结果。上述两种方法对于气液比不大的井，计算精度能够满足工程要求，但对于气液比比较大的井，计算出来的压差普遍偏大。廖锐全在前人的研究成果为基础，导出来一种新的方法，即JPI法。

廖锐全气水同产井目前计算模型的适用范围：气水从井底垂向流到井口的过程中属于一维定常均匀平衡流动气井;气泡集中在管中心向上流动;油管内横截面上，压力处于平衡状态。

廖锐全气水同产井目前计算模型的优点：首先判别流型，在选择模型的计算流动参数，这样做针对性强，精确度高;理论依据较严格，适用范围广，计算精度高，但并未完全脱离实验;井筒中气液两相流的流动型态划分为泡流、段塞流、搅动流和环流四种，由于搅动流很复杂，他们未对它进行深入研究，只将其作为段塞流的一部分进行处理。

廖锐全气水同产井目前计算模型的缺点：由于多相管流问题本身的复杂性，目前仍没有十分清楚地认识气液同时在管中流动时的流动规律;此模型中划分流型的界限及系数仍需要靠室内实验或实际经验来确定;该模型在计算扰流的重力梯度和摩擦梯度时近似采用了段塞流的办法，这在计算过程中会造成一定的误差。

3.气液拟单相流气井井筒压力计算模型

1988 年Oden针对高气水比气井计算井底压力的需要，对Cullender 和 Smith的方法进行了补充，提出一个更为完善的计算公式，用于含水汽较多的气井井底流动压力的计算。

从思路上讲，Oden的想法与推导复合气体相对密度的想法相同，其主要特点是提出了井内流体比容的概念。为了建立流体比容的表达式，Oden作了两点假设：

（1）气水比很高，水成分散液滴悬浮于气流中;

（2）气、水两相体积可以叠加。

依次思路，Oden建立了以下公式：

Oden气液拟单相流气井井筒压力计算模型的适用范围：Oden所提出的计算方法适合含水汽较多的气水井，不能用于大量出水的气水井。

Oden气液拟单相流气井井筒压力计算模型的优点：考虑气、水两相体积可叠加，便于计算出井内气体比容;在含水气较多的气井中，提出了气水比的概念，更加清晰的描述了井筒中流体的流动规律。

Oden气液拟单相流气井井筒压力计算模型的缺点：对于大量出水的气水井，气水比低，气水在井筒中的分布不规律，在计算井内流体比容时，不能将气、水两相的体积相叠加。

鉴于上述模型所存在的问题，张奇斌等针对产水气井建立了一种修正单相模型将气液两相考虑为单相“湿气”，对湿气的相对密度和管壁有效粗糙度进行修正，这种模型通常只适用于低液量气井条件。尽管如此，模型没有考虑气液滑脱，在气液比略低的气井中性能会大大降低。

后来，杨志伦通过对Cullender和Smith方法进行含水修正，使之能用于气水井井筒压力计算。他沿用类似思路，运用两相流知识，建立了Cullender和Smith方法用于高气水比气井井筒压力计算的又一新模型。

对于含水气井，天然气从井底沿油管流到井口，中途没有被增压或输出功、能;在总能量消耗的结构，动能损耗甚小，可以忽略不计。这样，气体稳定流动能量方程式可简化为

建模思路新颖之点在于运用气—液两相流知识建立这一模型。对此作假设：①微小的凝析水滴悬浮于气流中，管内气流是水滴的载体，气体是连续相，水滴是分散相，气—液两相无相对运动;②从流态讲，管内两相流态属雾状流，摩阻损耗主要受气相控制。

计算高气水比井井筒压力的公式，即

从上式可看出，如不含水，Fw=1，即含水模型转变为干气模型。

杨志伦气液拟单相流气井井筒压力目前计算模型的适用范围：该方法用于高气水比气井井筒压力计算。

杨志伦气液拟单相流气井井筒压力目前计算模型的优点：考虑管内两相流态为雾状流，简化了井筒内气水两相流的复杂性;此模型充分考虑了气-水井流密度、质量流量、体积流速、Moody摩阻系数对井筒压力分布的影响，计算的结果更接近实际压力，而且精度可以滿足测试要求。

杨志伦气液拟单相流气井井筒压力目前计算模型的缺点：在计算摩阻系数时，由于管壁的绝对粗糙度受腐蚀、水垢等因素的影响，应充分考虑摩阻系数的计算;

气液拟单相流气井井筒压力目前计算模型的未来发展方向：通过对Oden法和杨志伦提出的方法的研究，二者都假设气水两相无相对运动，但是，对于一些超深气井，流体从井底到井口的流动过程中，会发生相变，气水两相发生了相对运动，所以会影响摩阻系数的精度，所以应该考虑气、水在井筒内有相对运动情况下的摩阻系数的计算;研究摩阻损耗的控制因素，以便更精准的计算摩阻系数。

4.气液两相流气井井筒压力计算模型

气液两相流普遍存在于石油工业中，对指导整个油田生产系统的分析设计与原油集输工程方面的工作有着重要的影响。Beggs-Brill是目前用于油田斜直井、定向井和水平并井筒多相流动计算的一种较普遍的方法。

Mukherjee-Brill在Beggs-brill研究工作的基础上，改进了实验条件，对倾斜管两相流的流型进行了深入的研究，提出了更为适用的倾斜管两相流的流型判别准则和应用方便的持液率及摩阻系数经验公式。Mukherjee-Brill模型的压力梯度方程为

Mukherjee-Brill持液率公式共3个：一个用于水平流和上升流动;另外两个分别用于下降流的分离流和其他流型。

Mukherjee-Brill模型中的两相摩阻系数考虑了流型的变化。对于气井，流体是向上或水平流动的，在确定摩阻系数时，需要区分泡状流、段塞流与环雾流，其判别式为

如果 ，则为环雾流，否则为泡状流、段塞流与环雾流。

Mukherjee-Brill气液两相流气井井筒压力目前计算模型适用范围：该模型适用于倾斜管两相流中低流速、低气液比的油气井。

Mukherjee-Brill气液两相流气井井筒压力目前计算模型优点：该模型中的两相摩阻系数考虑了流型的变化，在一些低流速、低气液比的油气井中计算具有较高的精度。缺点：对高流量、高气液比气井则适应性较差，计算结果误差较大;通过实验建立的经验关系式来计算井筒截面处的流体物性，受实验参数范围（如：流量、气液比等）和实验条件（如：管径、管长等）的限制。

对于气水同产气井井筒压力计算模型，采用了Beggs-brill法，它是目前用于油田斜直井、定向井和水平并井筒多相流动计算的一种较普遍的方法。

5.结论

通过对比Orkiszewshi方法、Brill&Beggs方法、JPI方法后得出：

（1）这些方法中的一些界限及系数仍需要靠室内实验或实际经验来确定，在实际应用中有必要用本油气田实测的资料对现有的方法进行验证，选择出最适合于本油气田的方法。

（2）扰流是四种流态中最为复杂的流型，研究的最不充分的流区，因此需要改进处理扰流的方法，以便更加精确的求出扰流的重力梯度项和摩擦项。

（3）对于气液拟单相流气井井筒压力计算模型主要采用修正后的Cullender & Smith方法，充分考虑了气-水井流密度、质量流量、体积流速、Moody摩阻系数对井筒压力分布的影响，计算的结果更接近实际压力，而且精度可以满足测试要求。

参考文献：

[1] 蔡望，梁海波，刘乙镔，古冉，徐莎莎，李晓端.基于单相流模型的井底压力计算及现场应用分析[J].信息通信，2014（05）：23-24.