基于氣液兩相流理論的連續(xù)管注氮誘噴技術(shù)研究

基于氣液兩相流理論的連續(xù)管注氮誘噴技術(shù)研究

雅城13-1氣田經(jīng)過快速開發(fā)后進(jìn)入開發(fā)中后期，生產(chǎn)能力快，地層壓力系數(shù)低，地層水侵蝕嚴(yán)重，給井后氣田帶來了巨大困難。相對于替入低比重的誘噴液和使用氣舉閥誘噴兩種誘噴方式來說,連續(xù)油管氮?dú)鈿馀e誘噴,具有使用方便、成功率高、精確度高、排液效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因而受到施工單位的青睞。連續(xù)油管注氮參數(shù)對排液效果影響較大,但是目前對注氮參數(shù)的影響還缺乏深入的認(rèn)識,現(xiàn)場施工多憑經(jīng)驗而缺少成熟的技術(shù)規(guī)范作為指導(dǎo),無法確保經(jīng)濟(jì)高效的排液施工效果。為此基于多相流流體理論,對連續(xù)管注氮排液技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,對連續(xù)管注氮排液的施工設(shè)計具有很好的指導(dǎo)意義,并且可以縮短現(xiàn)場施工周期(減少了現(xiàn)場注氮參數(shù)的調(diào)整時間),因而對連續(xù)管注氮排液的現(xiàn)場推廣具有重要意義。1連續(xù)管道注射氮噴霧技術(shù)原理1.1注氮排放量會對環(huán)刑罰造成影響在注氮過程中,如果暫不考慮儲層中的氣體從地層流入井筒產(chǎn)生的影響,隨著注氮排量的增大,環(huán)空中流體的流動型態(tài)會出現(xiàn)以下情況,如圖1所示。1.1.2環(huán)時空液體受害者的液壓當(dāng)注氮排量增大時,環(huán)空中上部會出現(xiàn)彈狀流,下部處于泡狀流型態(tài)(如圖1(b)所示)。這種情況下,環(huán)空中的流體也只有一部分被排出,當(dāng)排量再增大時,泡狀流與彈狀流之間的過渡區(qū)會下移,更多的環(huán)空液體被排出。最終平衡狀態(tài)會是只有氮?dú)馀懦?沒有流體排出。1.1.3井底壓力波動當(dāng)注氮排量再增大時,環(huán)空中會出現(xiàn)段塞流(如圖1(c)所示)。此時環(huán)空流體會有較大部分被排出。但此時液面不穩(wěn)定,井底壓力波動明顯。最終平衡狀態(tài)會是只有氮?dú)馀懦?沒有流體排出。1.1.4內(nèi)管液膜與環(huán)形流當(dāng)注氮排量再增大時,在內(nèi)、外管壁附近形成液面,高速氣芯夾在中間,出現(xiàn)環(huán)狀流(如圖1(d)所示)。在重力作用下,環(huán)狀流段下部液膜比上部厚;外管液膜要比內(nèi)管液膜稍厚。此時,夾在中部氣芯中的小液滴連續(xù)排出,隨著環(huán)狀流持續(xù)時間增長,環(huán)狀流的長度逐漸增長。1.1.5處內(nèi)氣流產(chǎn)生的是霧狀流造成的不穩(wěn)定當(dāng)注氮排量進(jìn)一步增大時,環(huán)狀液層被吹散,環(huán)空出口處會出現(xiàn)霧狀流(如圖1(e)所示)。這種情況下,環(huán)空中的大部分流體都被排出,當(dāng)注氮排量再進(jìn)一步增大時,霧狀流的段長會增大,即環(huán)空被掏空的部分增大。1.2兩相流質(zhì)環(huán)空壓力下降的模擬連續(xù)管注氮排液的原理是通過注氣減小環(huán)空壓力。在連續(xù)管注氮排液作業(yè)中,隨著注氮排量由小到大變化,環(huán)空的氣液兩相流型態(tài)也從全部泡狀流轉(zhuǎn)化為全部霧狀流。一般情況下,現(xiàn)場連續(xù)管注氮作業(yè)的排量水平能夠保證環(huán)空流體形成環(huán)狀流或霧狀流。環(huán)霧流的段長越大,降低的環(huán)空壓力越多。理論上,當(dāng)注氣點(diǎn)以上全部為霧狀流時,環(huán)空壓力降低程度達(dá)到最大,由此可以計算最小注氮深度(hmin)。在最小注氣深度以下進(jìn)行注氮排液,均可以實現(xiàn)氣井排液誘噴。1.3連續(xù)管道注射的重要參數(shù)的確定1.3.1井內(nèi)不形成霧狀流的情況氣藏內(nèi)地層壓力小于井底流壓時,氣藏內(nèi)的氣體無法進(jìn)入井筒,致使氣井無法自噴。如果氣藏內(nèi)地層壓力比井底流壓稍高,雖然氣體可以進(jìn)入井筒,并在井筒內(nèi)形成氣泡,但這些氣泡的壓力較低,僅僅能靠浮力的作用以較低的速度流向井口,而且膨脹速度也不是很快,很難產(chǎn)生霧狀流。此時,井內(nèi)的流動型態(tài)從井底到井口全是泡狀流,不能形成自噴所需的流速,整個管柱內(nèi)不能夠形成自噴生產(chǎn)所要求的霧狀流。通過上述分析,對于井筒中含液體的氣井,自噴所需的最低條件是使氣流中存在的最大液滴移動,實現(xiàn)連續(xù)排液。氣藏的原始地層壓力比井筒內(nèi)液柱壓力大僅僅是氣井自噴的一個必要條件,實現(xiàn)自噴生產(chǎn)的充分條件應(yīng)該是:地層壓力大于氣藏內(nèi)氣體滲流壓差、環(huán)空霧狀流的摩阻及環(huán)空霧狀流的重位壓差之和。1.3.2環(huán)空氣流井積液模型環(huán)空氣體臨界流速是根據(jù)Turner、Hubbdar和Dkuelr等人提出的液滴模型來確定,即排除氣井積液所需要的最低條件為使環(huán)空氣流中的氣體對最大液滴的拖曳力等于液滴的重力。1.3.3計算機(jī)病毒的方法目前,環(huán)空氣液兩相流計算的模型主要有以下六種:(1)阻力系數(shù)法;(2)丹斯-諾斯方法(Dun-Ros方法);(3)Hagedorm-Brown方法;(4)奧齊思澤斯基方法(Orkiszewski方法);(5)阿濟(jì)茲-戈威爾-福格拉錫方法;(6)Beggs-Brill方法。陳家瑯等人通過實驗測試,認(rèn)為Beggs-Brill方法計算準(zhǔn)確度最高。因此,本文在連續(xù)管注氮誘噴排液的環(huán)空氣液兩相流計算時采用準(zhǔn)確度最高的Beggs-Brill方法。對于某一目標(biāo)段,氣液兩相流的計算基本流程如圖2所示。2注氮參數(shù)對井底壓力的影響分析為了研究注氮參數(shù)對誘噴排液效果的影響,計算分析了注氣深度、注氣排量、連續(xù)管尺寸、井口回壓、井斜角的變化對井底壓力的影響。2.1井體粘度、水溫度計算分析所采用的基本參數(shù)為連續(xù)管外徑44.45mm,注氮排量20Sm3/min,井口回壓5MPa,流體密度1200kg/m3,流體粘度25mPa·s,生產(chǎn)管柱內(nèi)徑114.3mm,地面溫度25℃,地溫梯度0.04℃/m,表面張力0.04mN/m,井斜角0°。其他參數(shù)保持不變,只改變注氣深度,研究注氣深度對注氮壓力降的影響。計算結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,在其他條件一定的情況下,隨著注氮深度的增加,注氮點(diǎn)壓力降顯著增大;同時隨著注氣深度的增加,注氣點(diǎn)的環(huán)空壓力增加不顯著,這說明增大注氣深度有利于氣井的排液誘噴成功。2.2表面張力、井斜角計算分析所采用的基本參數(shù)為連續(xù)管外徑44.45mm,注氣深度3500m,井口回壓5MPa,流體密度1200kg/m3,流體粘度25mPa·s,生產(chǎn)管柱內(nèi)徑114.3mm,地面溫度25℃,地溫梯度0.04℃/m,表面張力0.04mN/m,井斜角0°。其他參數(shù)保持不變,只改變注氮排量,研究注氮排量對注氮壓力降的影響。計算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,在其他條件一定的情況下,隨著注氮排量的增大,注氮點(diǎn)壓力降逐漸增大。由于連續(xù)管注氮誘噴作用的注氮排量較大,環(huán)空中氣體速度很高,都處于環(huán)狀流或霧狀流的流態(tài),因此在計算注氮排量范圍內(nèi),隨著排量增大,注氮壓力降沒有顯著增大,注氮點(diǎn)的環(huán)空壓力也沒有顯著降低。從施工角度來講,在其他條件不變的情況下,增大注氣排量不能引其注氮壓力降的顯著增大,反而增加作業(yè)成本,因此,在井口已經(jīng)形成環(huán)狀流或霧狀流情況下,增大注氮排量不是促成誘噴成功的最優(yōu)選擇。2.3地溫梯度、井斜角計算分析所采用的基本參數(shù)為注氮排量20Sm3/min,注氣深度3000m,井口回壓5MPa,流體密度1200kg/m3,流體粘度25mPa·s,生產(chǎn)管柱內(nèi)徑114.3mm,地面溫度25℃,地溫梯度0.04℃/m,表面張力0.04mN/m,井斜角0°。固定其他參數(shù),只改變連續(xù)管尺寸,研究連續(xù)管尺寸對注氮壓力降的影響。計算結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,在其他條件一定的情況下,隨著連續(xù)管的尺寸的增大,注氮點(diǎn)壓力降逐漸升高。這是由于連續(xù)管尺寸增大使環(huán)空截面積減小,氣體返速增大,攜液能力提高。但是,由于連續(xù)管注氮作業(yè)的注氮排量很大,氣體的環(huán)空返速比較高,連續(xù)管尺寸增大對于氣體速度的影響并不明顯,故連續(xù)管尺寸對注氮壓力降的影響也不顯著,因此連續(xù)管尺寸不是促成誘噴成功的主要因素?？紤]合理注氮深度和連續(xù)管的強(qiáng)度,應(yīng)合理選擇連續(xù)管尺寸。2.4回壓影響參數(shù)確定計算分析所采用的基本參數(shù)為連續(xù)管外徑44.45mm,注氮排量10Sm3/min,注氣深度3000m,流體密度1200kg/m3,流體粘度25mPa·s,生產(chǎn)管柱內(nèi)徑114.3mm,地面溫度25℃,地溫梯度0.04℃/m,表面張力0.04mN/m,井斜角0°。固定其他參數(shù),只改變井口回壓,研究井口回壓對注氮壓力降的影響。計算結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出,在其他條件一定的情況下,隨著井口回壓的增大,注氮點(diǎn)的環(huán)空壓力顯著增大,注氮點(diǎn)壓力降顯著降低。因此過高的井口回壓不利于誘噴成功。在施工中,如果井口排液流量已經(jīng)非常小,而井口回壓還比較高,此時可以打開井口回壓閥,適當(dāng)降低井口回壓,為誘噴成功提供有利條件。2.5水氣溫度分布計算分析所采用的基本參數(shù)為連續(xù)管外徑44.45mm,注氮排量20Sm3/min,井口回壓5MPa,注氣深度3000m,流體密度1200kg/m3,流體粘度25mPa·s,生產(chǎn)管柱內(nèi)徑114.3mm,地面溫度25℃,地溫梯度0.04℃/m,表面張力0.04mN/m。固定其他參數(shù),只改變井斜角,研究井斜角對注氮壓力降的影響。計算結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出,在其他條件一定的情況下,隨著井斜角的增大,注氮點(diǎn)壓力降顯著降低,注氮點(diǎn)環(huán)空壓力基本不變,這不利于注氮誘噴成功。因此,相同條件下,水平井或井斜角較大的定向井進(jìn)行注氮誘噴時需要適當(dāng)增大注氣深度或降低井口回壓。3關(guān)于s12井的誘噴計算結(jié)果根據(jù)前文的研究思路,編制了相應(yīng)的計算分析軟件,并在崖城13-1-A12Sah井進(jìn)行了應(yīng)用。崖城13-1-A12Sah井下連續(xù)管到3200m(垂深2386.27m),注氮排量14.16方/min,現(xiàn)場誘噴成功。根據(jù)其施工參數(shù),采用本文軟件進(jìn)行計算,計算結(jié)果如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出,A12井誘噴成功所需要的最小注氮壓力降為19.26MPa,最小注氣垂深為1962.83m。模擬計算注氮點(diǎn)處(測深3200m),注氮前液柱壓力23.35MPa,注氮后環(huán)空壓力2.41MPa,注氮壓力降20.93MPa。通過臨界誘噴壓差計算和注氮環(huán)空壓力分布計算得表1。本軟件計算結(jié)果與施工實際相符。4續(xù)管尺寸與連續(xù)管強(qiáng)度通過研究表明,在連續(xù)管注氮誘噴的注氮排量范圍內(nèi),合理的注入深度是促成誘噴成功的最關(guān)鍵因素;盲目增大注氮排量不但增加作業(yè)成本,其對于誘噴成功的作用也不顯著;連續(xù)管尺寸對注氮點(diǎn)壓力降影響不顯著,建議結(jié)合注入深度和連續(xù)管強(qiáng)度綜合考慮進(jìn)行選擇。隨著井口回壓的增大,注氮點(diǎn)壓力降顯著降低,過高的井口回壓不利于誘噴成功。隨著井斜角的增大,注氮點(diǎn)壓力降顯著降低,注氮點(diǎn)環(huán)空壓力基本不變,因此,相同條