泡排井流型轉(zhuǎn)換及壓降計(jì)算

泡排井流型轉(zhuǎn)換及壓降計(jì)算

泡排井流型的多變性泡沫萃取是氣井最經(jīng)濟(jì)有效的萃取方法之一。在污泥泵的擠出過(guò)程中，對(duì)井筒的多相流型和壓降規(guī)律進(jìn)行了深入研究，是優(yōu)化該工藝的基礎(chǔ)。李兆敏、李松巖、王冠華等曾建立了井筒中均質(zhì)穩(wěn)定的泡沫流體的水力學(xué)模型。然而在泡排過(guò)程中井筒流型并非總是呈現(xiàn)均質(zhì)穩(wěn)定的泡沫流,流體并非總是表現(xiàn)出冪律流體特征,當(dāng)氣井產(chǎn)氣降低或產(chǎn)液增加時(shí),體積含氣率可能超出形成穩(wěn)定泡沫所需要的范圍,致使流型出現(xiàn)非泡沫流。因此不能忽略泡排井流型的多變性。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪軠y(cè)試條件限制通常只適用于特定的流動(dòng)條件或流型條件,因此難以適應(yīng)泡排井流型的多變性。而機(jī)理模型是基于基本物理原理所建立的,適用于更寬的流型范圍,更具通用性。本文引入機(jī)理模型的構(gòu)思,以MitchellBJ和TaitelY等的流型實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),從物理機(jī)理的角度建立了泡排井的流型轉(zhuǎn)換界限,并針對(duì)各流型建立了相應(yīng)的壓降計(jì)算模型。1體積含氣率對(duì)牛頓流體流型的影響泡沫排液采氣井的產(chǎn)出流體來(lái)自氣井自生氣、液,因此其體積含氣率具有寬的分布范圍。根據(jù)MitchellBJ等的實(shí)驗(yàn)研究,體積含氣率(即泡沫質(zhì)量)在0.52～0.96時(shí)形成均質(zhì)穩(wěn)定的泡沫,當(dāng)體積含氣率大于0.96時(shí)呈現(xiàn)霧狀流,而體積含氣率小于0.52時(shí)呈現(xiàn)牛頓流體特征。又根據(jù)TaitelY等的流型實(shí)驗(yàn),牛頓流體在體積含氣率低于0.52時(shí)的流型可能存在泡狀流和段塞流。因此根據(jù)流型形成機(jī)理的不同可將泡排井的流型分為泡狀流、段塞流、均質(zhì)泡沫流和霧狀流。1.1表觀流速qm體積含氣率在0.52～0.96時(shí)會(huì)形成均質(zhì)穩(wěn)定的泡沫,此時(shí)式中:Qg,Qm—?dú)庀?混合物體積流量,m3/s;vsg—?dú)庀啾碛^流速,m/s;vm—混合物流速,m/s?？紤]到混合物流速vm=vsg+vsl,于是將均質(zhì)泡沫流的形成界限表示為可測(cè)量的參數(shù)形式式中:vsl—液相表觀流速,m/s。1.2氣液表觀流速若氣流速度較高,體積含氣率大于0.96時(shí),不會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定泡沫,而會(huì)形成霧狀流,此時(shí)液相呈霧狀分散于氣相中,采用氣、液表觀流速表示該界限為1.3段塞流形成接觸若氣流速度較低,體積含氣率低于0.52時(shí)同樣無(wú)法保持穩(wěn)定泡沫流,而是呈現(xiàn)牛頓流體性質(zhì),出現(xiàn)泡狀流和段塞流。TaitelY等實(shí)驗(yàn)表明泡狀流向段塞流轉(zhuǎn)換的臨界持氣率αmax=0.25,持氣率高于0.25時(shí)小氣泡會(huì)聚合形成泰勒泡,從而形成段塞流。將其表示為漂移速度的形式式中:v∞—?dú)馀萜扑俣?m/s。式中:g—重力加速度,g=9.8m/s2;σl—?dú)庖洪g表面張力,N/m;ρg,ρl—?dú)庀?液相密度,kg/m3。泡狀流的形成界限為段塞流的形成界限為另外在高液流速下,紊流作用可能導(dǎo)致大氣泡破碎成小氣泡,出現(xiàn)分散泡狀流,其界限方程為式中:f—無(wú)滑脫摩阻系數(shù)(可由無(wú)滑脫雷諾數(shù)根據(jù)Moody圖版查得),無(wú)因次;D—油管內(nèi)徑,m。2總壓力梯度的簡(jiǎn)化電力系統(tǒng)基于質(zhì)量和動(dòng)量守恒原理,油管多相流的總壓力梯度方程可表示為重力壓降、摩阻壓降和加速度壓降之和。由于加速度項(xiàng)對(duì)總壓降的影響通常很小,可將總壓力梯度簡(jiǎn)化為式中:ρm—混合物密度,kg/m3;fm—Moody摩阻系數(shù),無(wú)因次;θ—油管與水平面的夾角,(?);L—長(zhǎng)度,m;p—壓力,Pa?；旌衔锩芏仁顷P(guān)于持氣率α的函數(shù)式中:α—持氣率,無(wú)因次。求解壓力梯度方程的關(guān)鍵是確定持氣率α和摩阻系數(shù)fm。2.1vb—泡狀流泡狀流中小氣泡分散在連續(xù)液相中,其上升速度沿截面分布不均,氣液間存在滑脫,可采用漂移模型計(jì)算持氣率式中:vb—?dú)馀萜扑俣?m/s?？紤]氣泡群的影響,氣泡漂移速度vb采用Zu-ber&Hench公式(粗糙管摩阻系數(shù)可按Jain顯式公式計(jì)算,其中雷諾數(shù)按連續(xù)液相計(jì)算式中:vl—液相真實(shí)流速,vl=vsl/(1-α),m/s;μl—液相黏度,Pa·s。若流型判斷為分散泡狀流,則氣液接近無(wú)滑脫流動(dòng),持氣率采用體積含氣率計(jì)算2.2持氣率的計(jì)算段塞流中泰勒泡和液體段塞呈活塞狀交替上升,氣液間仍存在一定滑脫,同樣采用漂移模型計(jì)算持氣率其中泰勒泡漂移速度可采用Davies和Taylor公式計(jì)算而摩阻系數(shù)fm計(jì)算方法同泡狀流。2.3moody摩阻系數(shù)均質(zhì)穩(wěn)定泡沫可視為單相冪律流體處理,持氣率可按式(14)計(jì)算,而泡沫流體雷諾數(shù)可表示為式中:K—稠度系數(shù),Pa·sn;n—流性指數(shù),無(wú)因次。稠度系數(shù)K和流性指數(shù)n可由Lord實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。當(dāng)ReF>2300時(shí),Moody摩阻系數(shù)可按Govier非牛頓流體粗糙管摩阻系數(shù)公式計(jì)算式中:ε—油管絕對(duì)粗糙度,m。當(dāng)ReF2300時(shí),fm采用Metzner公式2.4摩阻系數(shù)fm霧狀流氣流速度通常較高,具有較強(qiáng)的攜液能力,因此可采用無(wú)滑脫模型描述。持氣率仍按式(14)計(jì)算,而摩阻系數(shù)fm根據(jù)無(wú)滑脫雷諾數(shù)計(jì)算,無(wú)滑脫雷諾數(shù)計(jì)算公式式中:Rens—無(wú)滑脫雷諾數(shù),無(wú)因次;ρns—無(wú)滑脫密度,kg/m3;μns—無(wú)滑脫黏度,Pa·s。式中,μg—?dú)庀囵ざ?Pa·s。氣液間表面張力按活性劑臨界膠束濃度CMC下的表面張力計(jì)算,天然氣偏差系數(shù)、黏度采用文獻(xiàn)推薦方法計(jì)算。3井底壓力預(yù)測(cè)結(jié)果選用鄂爾多斯和川南39口產(chǎn)水氣井泡排時(shí)的井筒測(cè)壓數(shù)據(jù)對(duì)新模型進(jìn)行評(píng)價(jià),同時(shí)參與對(duì)比的還有均質(zhì)泡沫流模型和Ansari多相流機(jī)理模型。其中泡排井?dāng)?shù)據(jù)范圍如下:油壓4.12～16.55MPa,井底壓力5.42～29.02MPa,產(chǎn)氣量3130～43200m3/d,產(chǎn)液量0.12～50.00m3/d,油管內(nèi)徑50.7～76.0mm,井深1242～3654m,地層水相對(duì)密度1.02～1.05,氣體相對(duì)密度平均為0.58～0.65,加藥濃度均達(dá)到臨界膠束濃度。依據(jù)本文方法判斷泡排井的流型涵蓋了泡狀流、段塞流、均質(zhì)泡沫流和霧狀流。圖1為3種模型計(jì)算井底壓力與實(shí)測(cè)井底壓力對(duì)比圖。由圖可知,本文提出的泡排機(jī)理模型所預(yù)測(cè)的泡排井井底壓力與實(shí)測(cè)值較為吻合,平均相對(duì)誤差僅為–0.55%,而且離散度較低。而Ansari機(jī)理模型和均質(zhì)泡沫流模型誤差分別為15.85%和–6.88%。Ansari機(jī)理模型預(yù)測(cè)值偏高,這是因?yàn)樗鼪](méi)有考慮均質(zhì)泡沫流型的存在,過(guò)高估計(jì)了氣液間的滑脫效應(yīng)。均質(zhì)泡沫流模型低估了泡排井的實(shí)際壓降,這是由于它沒(méi)有考慮低氣流速下泡狀流和段塞流型的存在,低估了氣液滑脫效應(yīng)。4glr井筒流型以一口泡排示例井為例,利用本文模型對(duì)不同氣液比(GasLiquidRatio,GLR)進(jìn)行敏感性分析。假定該井連續(xù)加注起泡劑,加藥濃度為臨界膠束濃度,油管中流體能夠連續(xù)生產(chǎn),油壓8MPa,產(chǎn)水量40m3/d,油管內(nèi)徑62mm,井深3000m,井口溫度20℃,井底溫度90℃,地層水相對(duì)密度為1.02,氣體相對(duì)密度為0.65,油管絕對(duì)粗糙度為0.01524mm,分析氣液比在200～2500m3/m3范圍內(nèi)變化時(shí)的井筒流型分布和壓力分布。由圖2可知,當(dāng)GLR較低為200m3/m3時(shí),在井筒下段出現(xiàn)段塞流和泡狀流,滑脫損失明顯,井筒壓耗較多;當(dāng)GLR在300～1200m3/m3時(shí),整個(gè)井筒呈現(xiàn)均質(zhì)泡沫流,此時(shí)氣液間無(wú)滑脫,井筒壓耗較低,是泡排最有利的流型。當(dāng)GLR增加到2500m3/m3時(shí),井筒完全呈現(xiàn)霧狀流,即使不泡排氣井也具有強(qiáng)的攜液能力,井筒壓耗較低。由圖還說(shuō)明,對(duì)于井底存在泡狀流或段塞流的泡排井,通過(guò)適當(dāng)注氣提高氣液比,可使泡排井流型轉(zhuǎn)變?yōu)樽罴训呐菽餍?減小滑脫損失,提高舉升效率。5流型預(yù)測(cè)模型研究(1)基于基本物理原理建立了適用于多種流型的泡排井多相流機(jī)理模型,模型將泡排井流型分為泡狀流、段塞流、均質(zhì)泡沫流和霧狀流,能夠預(yù)測(cè)泡排井流型并計(jì)算各流型的持液率和壓降。(2)流型預(yù)測(cè)模型由MitchellBJ和TaitelY等的實(shí)驗(yàn)得到,重點(diǎn)考慮了含氣率對(duì)泡沫流型的影響。泡狀流、段塞流壓降采用漂移模型計(jì)算,均