气井积液现存模型评析李新宇

气井积液现存模型评析摘要气井积液现象是由多相流体流动引起的，当井底含液量增加，井底回压变大（主要是重力引起），最终影响气体在地层中的流动，甚至导致气井停产。

尽管人们对多相流体流动基本规律的了解仍很薄弱，石油界已认识到气井积液现象的重要性，并应用多种方法试图攻克这一难题。

这篇文章讨论了与气井积液相关多相流体流动的复杂性，回顾了现存气井积液模型、诊断方法、防治修补措施。

同时，文章认真分析了近期人们建立气藏与井眼动态互动模型所做的尝试，指出现存模型的缺点，强调模型建立要注重多相流的过渡特征。

引言积液气井生产时是不能自行清除积液的。

当井筒内气体上升速度小于临界速度时，夹带在气流中的液体就会回落。

随着井底积液增多，水力回压增加，井筒内的多相流动受到扰乱，流态发生变化，气井产量减少，甚至会造成气井停产。

图1 给出了气井积液的过程。

井1中，气体流速很高，可以把所含的液体全部携带至地面。

但在井2中，由于气体流速降低或液体含量增加，井筒能量不足，部分液滴开始回落。

随着液滴的不断回落，井底压力增加，井底汇集的液体足以反渗到井底附近地层，如井4。

积液倒灌使得积液减少，流体得以再一次流动，并将携液带至地面，如井5。

假如气井积液类型为典型的间歇气井积液，这个循环会持续下去，直到气藏压力整体开始下降或产液量整体上升。

气井中液体主要来源：1、井筒内水蒸气的冷凝。

2、由于井筒温度、压力沿井底至地面下降，蒸气冷凝。

当凝析液饱和度高于临界值时，井筒附近地层或井筒中的凝析液就会沉降。

3、地层压力下降时，地层水的侵入。

气井积液现象一般发生在地层能量低，致密砂岩地层以及高汽液比，高丰度储层中。

由于故障井仍可以继续生产，且在很长时间内不能暴露出明显的受损迹象。

因此，在石油界，积液诊断是一项十分困难的工作。

积液的典型迹象主要有：气井累计产量曲线的突然下降，地面附近井筒内出现流体段塞流动，压力梯度曲线发生变化，井口温度，产水量或气液比降低。

一般地，从生产井相关生产数据同时间的关系曲线，才可以判断出气井积液，如图2。

尽管石油界里也有许多现成技术能够减少积液所造成的危害，但是仍没有可以帮助技术人员对特定积液井，选择恰当的补救措施的可靠预测模型。

目前，常用的预测和诊断气井积液模型都建立在稳态分析基础之上。

因此，不可用于动态积液过程的处理，如井底静液的积累，井底回压的增加。

石油领域工程界和学术界正努力把观测井的动态变化与积液的典型过程—间歇积液相结合。

甚至在动态井筒多相模型中，流动状态仍被错误地认为是稳态流动。

同时，IPR曲线用来表征油藏特征。

因此，也就导致井筒与油藏之间的边界特征与实际边界特征产生偏离。

一种比较可靠的模型是动态多相流井筒模型，它把井眼附近那种具有动态特征的储层视为边界条件。

这种动态、完整的模型对理解图1 积液周期以及图3重组分有反注入储层是非常有益的。

文章下面的内容回顾了目前预测井筒积液发生，模拟井筒随后变化的模型，同时也分析了积液期间储层与井筒之间动态变化的最新研究成果。

现行的模拟方法与气井积液有关的多相流动问题仍然是石油界的难题。

应用杜特尔标准，人们为预测井筒积液前流体流动做了许多工作，但它们并未考虑积液的动态变化。

开发人员利用杜特尔标准设计生产系统，使得气流速度足以提升井筒内的积液，但这并不能反映积液的严重程度，或者积液对产量的影响速率。

杜特尔等人在1969年，从流体液滴动态角度出发，应用“液滴模型”来计算垂直井筒气体提升积液的临界流速。

对应模型某一流速，气流对液滴的拖拽力F D，液滴的重力F G分别如下：拽力F D，与液滴的重力F G相同时，气流速度为气流提升液滴所需的最低流速，液滴处于悬浮平衡状态。

气液系统和液滴受力分析如图４：对给定条件的井筒，在环状流动下（液膜附在油管壁上，气体分布于油管中心，形成气芯，气体携带液滴上升），若气流速度大于临界流速，则F D>F G。

反之，则F D<F G，此时，流态就会转变为段塞流，液滴开始回落至井底，井筒积液发生。

在F D=F G时，气体流速为临界流速，有式：求解式（3）得临界流速为(4)液滴半径d d同气体流速有关，可用韦伯数Nwe来表示:由式（5）和式（6）得气体拖拽力相比重力越大，液滴就越小将式（6）带入（4）式有：杜特尔等人指出表面张力可由手册查得精确数字，且对一般油田来说，雷诺数在104-2x105之间，而拖拽系数由雷诺数和液滴形状决定。

雷诺数在104-2x105之间球形流，相应的雷诺数为0.44。

1955年欣泽证实韦伯数一般在20到30之间。

鉴于此，杜特尔等人在1969年，在计算油田气井临界速度时，选择了最大韦伯数，并建议应用如下计算公式求解临界流速，以确保液滴处于悬浮状态。

公式(8)在计算时要求井口压力不低于800 pisa ，且要对计算结果做20%的调整。

段塞流的流动特征同雾状流不同。

科尔曼（Coleman）在1991年采用1969年杜特尔等人应用的“液滴模型”计算井口压力小于500pisa 时的临界流速时，发现在这种情况下并不需要对数据20%的调整，而且指出气体重力、表面张力、温度对井筒积液的临界气流计算结果影响甚微，而井口压力和井眼直径对计算结果却十分明显。

奈瑟（Neisser）等人在1997年在计算1969年杜特尔等人和1991科尔曼（Coleman）所收集的油田各数据相应的雷诺数时，仔细检查了1969年杜特尔等人所作的紊流假设，他们发现几乎所有油田的第一手雷诺数参考数据都超出了公式（8）所采用的雷诺数值范围。

事实上，雷诺数的变化范围在2x105-2x106之间，相应的拖拽系数为0.2，因此，杜特尔等人的计算结果需要做20%的调整才能同油田数据符合，而科尔曼（Coleman）与1991所收集的油田数据在计算时,雷诺数就假定在2x10^4-10^5之间。

因此，也就不需要做了20%的调整。

后来奈瑟（Neisser）等人建立两类雾状流液滴模型，一种适用于低速流动，另一种适用于高速流动。

对低速流动，他们应用了艾伦（Allen）于1900年提出的流态变化准则，临界流速计算公式如下：将（6）式代入（10）式得其中,代入得：对高速流动，取韦伯数取30，由（1）式，（2）式，将（6）式代入（4）式得：代入C D=0.2得：求解得：雾化液滴模型在求解临界产量，防止井筒积液方面在油气田得到了广泛应用。

据称，该模型经现场数据进行测试后，取得了不同程度的成效。

临界流速计算结果的准确性依赖于流体流动状态判断的准确性。

这样，问题就取决于计算临界流速所确定的流体流动状态同实际流体流动状态的相似程度。

在雾状模型之外，高压力对其余变量的影响仍同实验数据不符。

这说明雾化液滴模型是有实用范围的，计算临界流速的结果也是有一定误差的。

同时，这些计算临界产量，预测气井积液发生的方法并没有建立气井积液期间流体的流动模型，只是仅仅提供了一种计算井筒积液发生时临界流量的方法。

文章下面的内容，给出了一些模拟典型两相流井筒积液的方法。

积液期间流体流动模型为了建立井筒积液期间流体的流动模型，确定出井筒内流体的的相态，应用力学观点，给出积液现象的主要特征是必须的。

在井筒积液过程中，流体流动一般为气液两相流。

对液相而言，确认地层水、冷凝水、凝析液十分困难。

当液相组成不同，其物性，与气相相互作用也就不同。

应用力学观点，给出积液现象的主要特征时，需深入理解流态以及相关的过渡流态。

混合相中各相的分布形状以及各相之间的界面张力定义为流体的流态。

流体流动时存在一些彼此相互制约的力，当这力相互平衡时，流体的流态就可以确定。

对气液两相流动，制约界面分布的因素非常复杂，包括表面张力、润湿性、分散性、聚合度、体积力和热对流。

虽然，划分详细的流态类型依赖于各因素相对大小，但分为某些大类型仍是可以的。

确定流态类型是初始工作中非常重要的一环，但并不要求需要对系统全面，详细的说明。

同时，各因素随着流量变化而变化，流态之间的过渡并不十分清楚。

因此，流态的确定经常夹有一些主观因素。

流态转变为搅动流态时，井筒开始积液。

因此，说明气井积液的特征时，必须预测出雾流与搅动流之间的过渡。

气井积液期间，间歇流和逆流共同存在。

假设积液前井筒内液体流态为雾流，随着气体流速的减小或者液体含量的增多，流态将发生变化。

这就使得液滴开始下沉，降落，流态也变为搅动流，段塞流。

回落的液滴聚集在井底，引起井底回压增加，流速减小。

积液过程中流态变化见图5：文章下面的内容，给出了一些可模拟气井井筒积液特征的方法，有经验模型、现象模型、两相流模型和漂移流模型。

下文详细用这些模型说明了井筒积液的瞬态特征。

经验模型中的摩擦压力梯度、孔隙率是由系统变量经经验公式确定。

因此，若不采用三维分析法，建立经验模型需大量实验，以解决各种具体问题。

这不仅不经济，而且最终结果的实用范围也很小。

经验模型一般没缺乏由基础物理力学所得结论的广泛实用性，但相对简单，操作方便。

格雷（Gray）在1974年建立了高气液比气液两相流在垂直井中的经验模型。

模型在计算由摩擦、重力、变速引起的压降时，考虑了气流携带液滴、温度梯度、流体变速、非烃组分多种因素。

由于格雷（Gray）经验模型考虑了液滴被拖拽时滑脱效应因素，并不能将格雷（Gray）经验模型视为纯均匀流。

2006年伽比尔（Kabir ）与哈桑（Hasan）指出格雷（Gray）经验模型采用拟均匀流动计算由摩擦、重力、变速引起的压降。

虽然格雷（Gray）经验模型并没有考虑流态，但它只适用于稳态或拟稳态流动。

因此，这种模型不适用于井筒积液瞬态流动现象。

现象模型考虑了流体的流态，给出了压降的计算方法。

但在计算前必须确定流态转变的标准和空隙率大小。

流态类型是经过观察两相流动来划分的。

实验现象标在二维图标上，各流态之间的界限就确定了。

过去，研究者采用不同的坐标（如质量流量、动量通量、表面速度）确定各自实验的参数。

现在，虽然可以利用高频率仪器测定流体各种参数（如组分、压力、温度、压降），但流态类型确定仍带有一些主观因素。

富尔肯（Falcone）在2006年建立两相流现象模型是现象模型之一。

本迪克森（Bendiksen）等人和肖汉姆(Shoma)分别与1991年和2006年应用两相流模型方法进行了全面的研究并明确提出了两相流模型。

至今，两相流模型与漂移流模型两种方法在求解积液瞬时流动基本公式方面得到了广泛应用。

两相流模型将井筒流动气液流体分开单独研究，建立了气体连续性方程，液体连续性方程，液滴连续性方程；气与液滴动量方程，液流动量方程；流体能量守恒方程。

通常利用经验数据就可以了解流体流动规律。

朱伯（Zuber）与芬德利（Findlay）于1965年，沃利斯（Wallis ）于1969年，石井（Ishii）于1977年提出了漂移流模型。