产液气井两相流机理模型研究

目前国内许多气田都已进入开采中后期,其绝大部分气井都不同程度的产液,由产液带来的井底回压增加、井筒气液滑脱加剧、产量急剧下降等问题日益突出。为保持气井稳产,大部分气井急需开展井筒动态分析和排液采气工艺设计,而气井气液两相管流压降预测模型是开展这些工作的共同基础。然而目前的两相流模型多是基于实验拟合或地面测试得到的经验关系式,在气井中的适用性受限,尤其对低产气井压降预测误差较大,而且适用范围窄,随着气藏或气井条件的改变,需要不断拟合或优选模型。本文则突破传统的建模思想,着眼于物理现象,对两相流发生的机理和各流型下流体运移的共同规律进行了定义和数学建模,建立了产液气井两相流综合机理模型。具体工作包括： (1)白行设计建立了30mm内径有机玻璃管和50mm内径不锈钢管实验回路,开展了不同管径、不同压力(0.12、0.60MPa)下空气/水两相流流型实验,利用高速摄像系统以极慢的速度再现了泡状流、段塞流、搅动流和环状流的流型结构和过渡现象,绘制了实验流型图,对比了管径、压力对流型过渡的影响,为本文机理模型研究提供了实验数据。 (2)利用专门研制的液膜分离装置,测试了不同气、液流速下环状流的液滴夹带率,分析了环状流形成时机与液滴夹带的关系,揭示了环状流形成机理,同时分析了液滴夹带率随气液流速的变化规律,提出了新的环状流液滴夹带率计算方法。 (3)基于实验观测,对各流型间的过渡机理进行分析,分别建立了环状流形成、段塞流向搅动流转变、泡状流向段塞流转变的机理模型,给出了流型转变界限方程,能够预测气液两相流流型,并能解释各流型间过渡的原因和现象。 (4)基于分相流动假设,导出环状流气芯、液膜几何关系,引入液滴夹带率和无因次液膜厚度,结合气液连续性方程,将持液率表示为液滴夹带率和液膜厚度的函数,综合动量守恒方程,提出了新的环状流压降机理模型,可以预测气芯流速、液滴夹带率、液膜厚度等参数。 (5)基于气段-液塞单元体假设,将气段中气芯-液膜简化为对流环状流型,结合单元体质量守恒方程、气芯-液膜动量组合方程,考虑气芯对液膜的剪切作用以及液塞中气泡的夹带,提出了适用于段塞流及搅动流的压降机理模型,可以预测液膜回流速度、液塞持液率、液塞长度等参数。 (6)实验观测了泡状流气泡速度分布规律,基于漂移模型建立了泡状流压降机理模型,模型考虑了气泡滑脱效应和速度沿截面的不均匀分布。 (7)综合环状流形成、段塞流向搅动流转变、泡状流向段塞流转变机理模型,以及环状流、段塞流/搅动流、泡状流压降机理模型,建立了气井两相流综合机理模型,能预测产液气井流型和压降,描述各流型间的转换机理,并预测与流型相关的特性参数。 (8)应用国内外凝析气井、不同水量气井167井次测压数据分析评价了综合模型压降计算误差,并从油管动态曲线的规律性、各流型压降模型的正确性、以及物性计算方法选择的合理性出发,对综合模型性能进行了全面考察。 本文建立的综合机理模型为产液气井生产动态分析和排液采气工艺设计提供了理论与方法；新模型同时突破了传统建模理念,对提高两相流理论研究水平具有重大意义。