于繼飛，管虹翔，顧純巍，齊 桃，李偉超

(1.中海油研究總院，北京 100027;2.中海油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

海上定向氣井臨界流量預(yù)測(cè)方法

于繼飛1，管虹翔1，顧純巍2，齊 桃1，李偉超1

(1.中海油研究總院，北京 100027;2.中海油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

目前廣泛應(yīng)用的天然氣井臨界流量計(jì)算模型均建立在直井基礎(chǔ)之上，沒(méi)考慮井斜角對(duì)氣體攜液的影響，但海上天然氣井大多為定向井和水平井，現(xiàn)有模型不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)海上氣井是否積液。研究認(rèn)為，液滴在斜井運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)與管壁發(fā)生碰撞，碰撞后液滴呈“半球形”，并最終沿管壁滑動(dòng)。同時(shí)根據(jù)海上天然氣井的特點(diǎn)，以Turner模型為基礎(chǔ)，考慮井斜角的影響，對(duì)Turner模型進(jìn)行了修正，提出了海上氣井?dāng)y液臨界流量預(yù)測(cè)的模型，并推導(dǎo)出了快速修正系數(shù)。

天然氣;大斜度井;攜液臨界流量;修正系數(shù)

1 研究意義

氣井一旦產(chǎn)水，若沒(méi)有足夠的能量將水連續(xù)帶出井筒，最終在井底會(huì)形成積液將氣井壓死，因此避免氣井積液發(fā)生的關(guān)鍵是保證天然氣有足夠的速度將地層產(chǎn)生的游離水或天然氣中產(chǎn)生的凝析液攜帶到地面［1］。海上氣田往往采用定向井甚至水平井進(jìn)行開發(fā)，一旦發(fā)生積液現(xiàn)象造成氣井停產(chǎn)，修井成本極高，對(duì)產(chǎn)量影響非常大。因此，在氣藏開發(fā)的前期研究設(shè)計(jì)階段，確定合理的氣藏配產(chǎn)非常重要，對(duì)于已經(jīng)投產(chǎn)的氣井來(lái)講，根據(jù)氣井的攜液能力判斷什么時(shí)間采取合理的措施避免氣井積液也是至關(guān)重要的［2］。

目前國(guó)內(nèi)外攜液模型均以直井為研究對(duì)象，忽略了定向井井斜對(duì)排液的影響［3－4］，楊文明在傳統(tǒng)氣井?dāng)y液模型的基礎(chǔ)上考慮了井斜角對(duì)液滴受力的影響［5］，但其假設(shè)前提仍然為液滴沿井筒運(yùn)動(dòng)，與油管管壁不發(fā)生碰撞，這在定向井的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中是不合理的。為便于科學(xué)地指導(dǎo)生產(chǎn)，建立了海上氣井?dāng)y液臨界流量預(yù)測(cè)模型。

2 臨界速度和臨界流量模型

2.1 液滴在油管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

液滴在油管內(nèi)的受力如圖1所示，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液滴主要受到3個(gè)力:天然氣對(duì)其施加的拽力F、浮力Fr與重力Fg。在直井中拽力與浮力共同作用克服液滴的重力使液滴沿井筒方向前進(jìn)。但在定向井中，由于拽力沿井筒方向，與浮力、重力的方向存在夾角，這3個(gè)力無(wú)法使液滴保持平衡，平衡被打破瞬間液滴不是沿井筒方向移動(dòng)，而是向油管管壁運(yùn)動(dòng)，直至貼近管壁發(fā)生滑動(dòng)。

圖1 油管內(nèi)液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程

2.2 模型的建立

從圖1可以看出，當(dāng)液滴與油管管壁接觸后，由于球形液滴受各個(gè)方向氣體的壓力(管壁方向除外)，使得液滴無(wú)法保持1個(gè)完整的球形，而是液滴緊緊貼在油管管壁上，保持著近似“半球形”的形狀［6］。此時(shí)液滴將受到天然氣對(duì)其施加的拽力、浮力、重力、管壁的支撐力N和管壁的摩擦力f。當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，液滴前進(jìn)的動(dòng)力與阻力達(dá)到平衡，即:

式中:uc為氣井臨界流速，m/s;V為液滴體積，m3;ρl、ρg分別為液體和氣體密度，kg/m3;S 為液滴的垂直投影面積，m2;CD為拽力系數(shù)［7－8］，為雷諾數(shù)的函數(shù)，球型牛頓流體(1 000＜Re＜200 000)取0.44［9］。

Turner認(rèn)為只要?dú)饩凶畲笾睆降囊旱尾换?，氣井積液就不會(huì)發(fā)生。液體的最大直徑由韋伯?dāng)?shù)決定［10］，當(dāng)韋伯?dāng)?shù)超過(guò)30后，氣流的慣性力和液滴表面張力間的平衡被打破，液滴會(huì)破碎。因此最大液滴直徑由下面表達(dá)式?jīng)Q定:

式中:σ為氣液表面張力，N/m。

液滴所受油管管壁摩擦力遵循牛頓內(nèi)摩擦定律，在管壁處流體擁有最大切應(yīng)力為:

式中:τ為管壁處流體切應(yīng)力，Pa;Δp為液體流經(jīng)長(zhǎng)度為l的管道壓力損失，Pa;r為管道半徑，m;Re為液體雷諾數(shù)。

將公式(8)化簡(jiǎn)，可得管壁處液體最大切應(yīng)力，則液滴所受摩擦力為:

將公式(3)、(4)、(5)、(6)、(9)代入公式(1)可得攜帶最大液滴的最小氣體流速為:

其中，C為修正系數(shù)，括號(hào)內(nèi)為Turner公式計(jì)算結(jié)果。

2.3 井斜角與修正系數(shù)

從式(12)可以看出，修正系數(shù)由井斜角、拽力系數(shù)與雷諾數(shù)決定。表1為雷諾數(shù)與井斜角對(duì)修正系數(shù)的影響?？梢钥闯觯字Z數(shù)對(duì)修正系數(shù)影響不大，隨著井斜的增加，修正系數(shù)逐漸減小，與之相對(duì)應(yīng)的攜液臨界流速與流量也相應(yīng)降低，氣井的攜液能力隨之增強(qiáng)。

3 應(yīng)用實(shí)例

以海上某油田的S井為例:S井井斜角為60°，2010年因積液?jiǎn)栴}關(guān)井，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)生積液時(shí)的臨界產(chǎn)氣量為10×104m3/d。表2為臨界流量計(jì)算對(duì)比結(jié)果。其中，應(yīng)用Turner模型模擬計(jì)算出的結(jié)果為13×104m3/d，李閔模型計(jì)算結(jié)果為5.9×104m3/d，而應(yīng)用本文方法計(jì)算的結(jié)果為10.8×104m3/d。可見(jiàn)，應(yīng)用本文方法計(jì)算結(jié)果更為接近實(shí)際，可以較好的指導(dǎo)生產(chǎn)。

表2 臨界流量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)針對(duì)定向氣井的特點(diǎn)，分析了液滴在斜井中的受力情況，認(rèn)為液滴最終呈“半球形”沿井壁滑動(dòng)。

(2)考慮井斜角的影響，對(duì)Turner模型進(jìn)行了修正，并給出了井斜修正系數(shù)的速查表，實(shí)際使用過(guò)程中可以根據(jù)本文提供的速查表進(jìn)行快速修正。

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Prediction of critical flow rate for offshore directional gas wells

YU Ji－ fei1，GUAN Hong － xiang1，GU Chun– wei2，QI Tao1，LI Wei－ chao1
(1．CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China;2．Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd，Zhanjiang，Guangdong 524057，China)

The existing models for calculating critical flow rate of natural gas wells were based on vertical wells without considering the effects of deviation angles on gas carrying fluids and they could not accurately predict whether liquid loading exists in offshore gas wells because these wells are mostly directional or horizontal wells．The study results indicate that fluid drops will collide with the tubing wall during the movement and slide along the tubing wall in the shape of“semisphere”after the collision in deviated wells．Based on the characteristics of offshore gas wells and the Turner model and considering the effects of deviation angles，the Turner model was modified to a new model for predicting the critical flow rate of offshore natural gas wells carrying fluids and the quick modification coefficients were derived．

natural gas;highly deviated well;liquid carrying critical flow rate;correction factor

TE319

A

1006－6535(2011)06－0117－03

20110418;改回日期20110920

國(guó)家重大專項(xiàng)“南海深水油氣勘探開發(fā)示范工程”的部分研究成果(2008ZX05056－002)

于繼飛(1982－)，男，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)方面的生產(chǎn)科研工作。

編輯 王 昱