白曉弘，田偉，田樹寶，李康

（1.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西 西安710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710018；3.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

0 引言

蘇里格氣田是一個(gè)低壓、低滲、低豐度巖性氣藏，氣井普遍具有低壓、低產(chǎn)、產(chǎn)水、攜液能力差等特點(diǎn)［1-4］。以蘇6 井區(qū)為例，截至2013年3月，該區(qū)累計(jì)投產(chǎn)氣井273 口，平均單井產(chǎn)氣0.86×104m3/d，產(chǎn)水0.32 m3/d，水氣比0.36 m3/104m3。目前，多數(shù)氣井已進(jìn)入低壓低產(chǎn)期，由于井筒積液嚴(yán)重，部分氣井出現(xiàn)壓力、產(chǎn)量下降過快現(xiàn)象，制約了氣井的正常生產(chǎn)。氣舉作為蘇里格氣田一項(xiàng)主要排水采氣措施，是維持氣井正常生產(chǎn)的重要手段［5-6］。掌握整個(gè)井筒不同位置氣液流動規(guī)律的變化和能量損失機(jī)理，對提高氣舉效率及參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。

目前，氣舉排水采氣方面的研究，主要集中在利用較簡單的臨界攜液流量等參數(shù)來設(shè)計(jì)注氣量［7-12］，或根據(jù)給定的設(shè)備條件和氣井流入動態(tài)進(jìn)行氣舉設(shè)計(jì)［13-15］，而針對整個(gè)井筒流動規(guī)律的變化及能量損失的研究較少，因此有必要對此進(jìn)行深入分析和研究。

1 井筒氣液多相流模型

本文利用井筒多相流動計(jì)算軟件PIPESIM，建立了井筒氣液兩相流計(jì)算模型，采取井筒分段迭代求解算法，對氣舉前后的井筒流動特征參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算；重點(diǎn)研究了氣舉過程中從井底到井口整個(gè)井筒的氣體流速分布、持液率分布、流型分布及沿程壓力分布等規(guī)律，同時(shí)還分析了舉升能量損失（包括重力損失和摩擦損失）的變化情況。

1.1 建立井筒流動規(guī)律分析模型

首先根據(jù)蘇里格氣田氣井實(shí)際的井身結(jié)構(gòu)，建立以井底為入口、井口為出口的垂直井筒氣液多相流計(jì)算模型。模型中氣層中深3 321.40 m，油管直徑6.23 cm，下入深度3 298.60 m，套管直徑13.97 cm，下入深度3 458.04 m；井口溫度20 ℃，井底溫度104 ℃。

1.2 擬合多相流動規(guī)律計(jì)算方法

目前，計(jì)算井筒多相流動規(guī)律的方法有很多［16-20］，如Beggs & Brill Revised，Hagedorn & Brown，Orkiswski方法等，但這些方法都有各自的適用條件，因此有必要選出適合蘇里格氣田氣井流動的井筒多相流動的計(jì)算方法。本文根據(jù)現(xiàn)場提供的流壓測試資料，對各井筒多相流動計(jì)算方法算出的壓力分布進(jìn)行擬合，結(jié)果如表1所示。

表1 蘇里格氣井井筒多相流計(jì)算方法擬合結(jié)果

氣井的井底流壓為擬合的敏感性因素，井底流壓較低時(shí)，Beggs&Brill Revised 法較準(zhǔn)確，井底流壓較高時(shí)，Hagedorn&Brown 法較準(zhǔn)確。進(jìn)行井筒多相流計(jì)算時(shí)，井底流壓不高于8 MPa 時(shí)，用Beggs&Brill Revised法，高于8 MPa 時(shí)，用Hagedorn&Brown 法。

2 氣舉前后井筒流動規(guī)律計(jì)算

為了分析氣舉前后井筒流動變化規(guī)律，本文選取油管末端為注氣點(diǎn)，將未注氣和注氣量為1×104，2×104，3×104m3/d 時(shí)井筒壓力分布進(jìn)行了對比（見圖1）。

圖1 氣舉復(fù)產(chǎn)前后井筒壓力分布

由圖1可見，氣舉后井筒壓降幅度很大，但隨著注氣量的增加，井筒壓力呈現(xiàn)先降后升的趨勢。為了解釋這一現(xiàn)象，本文從井筒氣體流速、持液率、流型、重力損失和摩擦損失等角度進(jìn)行了分析。

2.1 氣體流速變化

氣舉復(fù)產(chǎn)措施前后的井筒氣體流速變化見圖2。可以看出，由于注入氣體參與井筒中的氣液流動，井筒中氣體流量大幅增加，在相同過流斷面中，表觀氣體流速增加。氣舉注氣量越大，表觀氣體流速增加越明顯。

圖2 氣舉復(fù)產(chǎn)前后表觀氣體流速變化

2.2 持液率及流型變化

氣舉復(fù)產(chǎn)措施前后井筒持液率的變化見圖3，可以看出，由于注入高壓氣體，增加了井筒中的氣體流速，使得氣體的攜液能力增強(qiáng)，井筒氣液分布更加均勻，將積液排出井口，持液率隨之減小。

注氣量為1×104m3/d 時(shí)，井筒流型為泡流；注氣量增加到2×104m3/d 時(shí)，井筒流型發(fā)生變化，井筒上部的流型由泡流變?yōu)槎稳?，流型變化部分持液率迅速降低?注氣量增加到3×104m3/d 時(shí)，整個(gè)井筒變?yōu)榄h(huán)霧流，持液率變化幅度變小。

圖3 氣舉復(fù)產(chǎn)前后持液率變化

2.3 重力及摩擦損失變化

氣舉復(fù)產(chǎn)前后井筒重力與摩擦損失分布見圖4。

圖4 氣舉復(fù)產(chǎn)前后井筒壓降分布變化

綜合圖2—圖4可以看出，當(dāng)注氣量逐漸增加時(shí)，井筒重力損失隨持液率的減小而減小，井筒摩擦損失隨氣體流速的增加而增加。當(dāng)注氣量較小時(shí)，井筒內(nèi)流體的流型為泡流，此時(shí)隨著注氣量的增加，井筒重力損失減小明顯，摩擦損失變化不大，井筒總壓降降低。當(dāng)注氣量增大，井筒的流型變?yōu)榄h(huán)霧流后，井筒重力損失緩慢下降，摩擦損失迅速上升，故井筒總壓降開始增加。因此，隨著注氣量的增加，井筒總壓降先減小，后來逐漸增加，即存在一個(gè)適中的注氣量，能使井筒總壓降達(dá)到最低。

3 井筒流動規(guī)律實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證氣舉井筒氣液兩相流動計(jì)算模型的分析結(jié)果，本文建立了井筒氣液兩相流實(shí)驗(yàn)裝置，對氣舉時(shí)的井筒流動規(guī)律進(jìn)行了模擬分析。

該實(shí)驗(yàn)裝置選用長度為5 m、直徑為0.03 m 的垂直管道模擬垂直井筒，下端入口處分別注入一定流量的氣體和液體，模擬注氣量和產(chǎn)水量，并在管道入口和出口處安裝壓力表，分別計(jì)量入口壓力和出口壓力。

通過增加入口氣體流量（注氣量），同時(shí)觀察出、入口壓力及井筒流型的變化，模擬氣舉時(shí)的井筒氣液流動，分析井筒流型變化、舉升效率及井筒壓降變化（見表2）。

表2 不同氣體流量下的流型、舉升效率及井筒壓降

忽略溫度的影響，舉升效率η 的計(jì)算采用簡化計(jì)算公式［21-22］

式中：pt為井口的絕對壓力，Pa；ρ 為水的密度，kg/m3；H 為井筒長度，此處取5 m；Ql為井口產(chǎn)出水的體積流量，L/min；Qg為氣舉閥注入的氣體量，L/min；pg為地面注氣壓力，Pa。

由表2可知，隨著注氣量的增加，井筒流型由泡流逐步過渡為段塞流和環(huán)霧流；在舉升效率方面，泡流最低，段塞流最高，環(huán)霧流狀態(tài)下舉升效率隨注氣量增加而減小；在井筒壓降方面，隨著注氣量變大，流型從泡流變化為段塞流，井筒壓降逐漸降低，繼續(xù)加大注氣量，流型從段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)霧流，隨著注氣量增加和流型發(fā)生變化，井筒壓降先減小，后來逐漸增加，即存在一個(gè)適中的注氣量，能使井筒總壓降達(dá)到最低。

4 注氣量優(yōu)化

在利用氣舉進(jìn)行排水生產(chǎn)時(shí)，井筒壓降越小，則能量損耗越小，能量利用率越高。本文以整個(gè)井筒壓降最低、舉升效率最高為目標(biāo)，對不同類型氣井（不同產(chǎn)氣量、不同水氣比）的氣舉排水注氣量進(jìn)行優(yōu)選。

注入氣量變化對井筒壓降的影響見圖5，由圖可知，隨著注氣量增加，井筒壓降逐漸降低。當(dāng)注氣量增加到一定值后，井筒壓降隨注氣量增加而逐漸增加。最小井筒壓降對應(yīng)的注氣量值即為最佳氣舉注氣量。針對不同產(chǎn)氣量和水氣比的氣井，計(jì)算的最佳注氣量結(jié)果如表3所示。

圖5 氣井注氣量對井筒壓降的影響

表3 不同類型氣井對應(yīng)的最佳注氣量

5 結(jié)論

1）將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究了蘇里格氣田低產(chǎn)氣井排水采氣井筒的流動規(guī)律，并針對不同類型的氣井優(yōu)化出了注氣參數(shù)，對提高低產(chǎn)氣井氣舉排水采氣效率具有重要意義。

2）隨著氣舉注氣量的增加，氣體流速和井筒摩擦損失增大，持液率和井筒重力損失減小，井筒流型由泡狀流、段塞流、環(huán)流逐步過渡為環(huán)霧流。隨著井筒流型的變化，井筒總壓降先降低后又逐漸增大。

3）從最小井筒壓降的角度確定出了不同類型氣井排水采氣所需的最佳注氣量。

4）用井筒氣液兩相流動計(jì)算模型得到的流動規(guī)律和氣舉實(shí)驗(yàn)?zāi)M得出的結(jié)論相一致。

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