基于气液两相流理论的连续管注氮诱喷技术研究

基于气液两相流理论的连续管注氮诱喷技术研究

雅城13-1气田经过快速开发后进入开发中后期，生产能力快，地层压力系数低，地层水侵蚀严重，给井后气田带来了巨大困难。相对于替入低比重的诱喷液和使用气举阀诱喷两种诱喷方式来说,连续油管氮气气举诱喷,具有使用方便、成功率高、精确度高、排液效率高、适应性强等优点,因而受到施工单位的青睐。连续油管注氮参数对排液效果影响较大,但是目前对注氮参数的影响还缺乏深入的认识,现场施工多凭经验而缺少成熟的技术规范作为指导,无法确保经济高效的排液施工效果。为此基于多相流流体理论,对连续管注氮排液技术进行了系统研究,对连续管注氮排液的施工设计具有很好的指导意义,并且可以缩短现场施工周期(减少了现场注氮参数的调整时间),因而对连续管注氮排液的现场推广具有重要意义。1连续管道注射氮喷雾技术原理1.1注氮排放量会对环刑罚造成影响在注氮过程中,如果暂不考虑储层中的气体从地层流入井筒产生的影响,随着注氮排量的增大,环空中流体的流动型态会出现以下情况,如图1所示。1.1.2环时空液体受害者的液压当注氮排量增大时,环空中上部会出现弹状流,下部处于泡状流型态(如图1(b)所示)。这种情况下,环空中的流体也只有一部分被排出,当排量再增大时,泡状流与弹状流之间的过渡区会下移,更多的环空液体被排出。最终平衡状态会是只有氮气排出,没有流体排出。1.1.3井底压力波动当注氮排量再增大时,环空中会出现段塞流(如图1(c)所示)。此时环空流体会有较大部分被排出。但此时液面不稳定,井底压力波动明显。最终平衡状态会是只有氮气排出,没有流体排出。1.1.4内管液膜与环形流当注氮排量再增大时,在内、外管壁附近形成液面,高速气芯夹在中间,出现环状流(如图1(d)所示)。在重力作用下,环状流段下部液膜比上部厚;外管液膜要比内管液膜稍厚。此时,夹在中部气芯中的小液滴连续排出,随着环状流持续时间增长,环状流的长度逐渐增长。1.1.5处内气流产生的是雾状流造成的不稳定当注氮排量进一步增大时,环状液层被吹散,环空出口处会出现雾状流(如图1(e)所示)。这种情况下,环空中的大部分流体都被排出,当注氮排量再进一步增大时,雾状流的段长会增大,即环空被掏空的部分增大。1.2两相流质环空压力下降的模拟连续管注氮排液的原理是通过注气减小环空压力。在连续管注氮排液作业中,随着注氮排量由小到大变化,环空的气液两相流型态也从全部泡状流转化为全部雾状流。一般情况下,现场连续管注氮作业的排量水平能够保证环空流体形成环状流或雾状流。环雾流的段长越大,降低的环空压力越多。理论上,当注气点以上全部为雾状流时,环空压力降低程度达到最大,由此可以计算最小注氮深度(hmin)。在最小注气深度以下进行注氮排液,均可以实现气井排液诱喷。1.3连续管道注射的重要参数的确定1.3.1井内不形成雾状流的情况气藏内地层压力小于井底流压时,气藏内的气体无法进入井筒,致使气井无法自喷。如果气藏内地层压力比井底流压稍高,虽然气体可以进入井筒,并在井筒内形成气泡,但这些气泡的压力较低,仅仅能靠浮力的作用以较低的速度流向井口,而且膨胀速度也不是很快,很难产生雾状流。此时,井内的流动型态从井底到井口全是泡状流,不能形成自喷所需的流速,整个管柱内不能够形成自喷生产所要求的雾状流。通过上述分析,对于井筒中含液体的气井,自喷所需的最低条件是使气流中存在的最大液滴移动,实现连续排液。气藏的原始地层压力比井筒内液柱压力大仅仅是气井自喷的一个必要条件,实现自喷生产的充分条件应该是:地层压力大于气藏内气体渗流压差、环空雾状流的摩阻及环空雾状流的重位压差之和。1.3.2环空气流井积液模型环空气体临界流速是根据Turner、Hubbdar和Dkuelr等人提出的液滴模型来确定,即排除气井积液所需要的最低条件为使环空气流中的气体对最大液滴的拖曳力等于液滴的重力。1.3.3计算机病毒的方法目前,环空气液两相流计算的模型主要有以下六种:(1)阻力系数法;(2)丹斯-诺斯方法(Dun-Ros方法);(3)Hagedorm-Brown方法;(4)奥齐思泽斯基方法(Orkiszewski方法);(5)阿济兹-戈威尔-福格拉锡方法;(6)Beggs-Brill方法。陈家琅等人通过实验测试,认为Beggs-Brill方法计算准确度最高。因此,本文在连续管注氮诱喷排液的环空气液两相流计算时采用准确度最高的Beggs-Brill方法。对于某一目标段,气液两相流的计算基本流程如图2所示。2注氮参数对井底压力的影响分析为了研究注氮参数对诱喷排液效果的影响,计算分析了注气深度、注气排量、连续管尺寸、井口回压、井斜角的变化对井底压力的影响。2.1井体粘度、水温度计算分析所采用的基本参数为连续管外径44.45mm,注氮排量20Sm3/min,井口回压5MPa,流体密度1200kg/m3,流体粘度25mPa·s,生产管柱内径114.3mm,地面温度25℃,地温梯度0.04℃/m,表面张力0.04mN/m,井斜角0°。其他参数保持不变,只改变注气深度,研究注气深度对注氮压力降的影响。计算结果如图3所示。从图3可以看出,在其他条件一定的情况下,随着注氮深度的增加,注氮点压力降显著增大;同时随着注气深度的增加,注气点的环空压力增加不显著,这说明增大注气深度有利于气井的排液诱喷成功。2.2表面张力、井斜角计算分析所采用的基本参数为连续管外径44.45mm,注气深度3500m,井口回压5MPa,流体密度1200kg/m3,流体粘度25mPa·s,生产管柱内径114.3mm,地面温度25℃,地温梯度0.04℃/m,表面张力0.04mN/m,井斜角0°。其他参数保持不变,只改变注氮排量,研究注氮排量对注氮压力降的影响。计算结果如图4所示。从图4可以看出,在其他条件一定的情况下,随着注氮排量的增大,注氮点压力降逐渐增大。由于连续管注氮诱喷作用的注氮排量较大,环空中气体速度很高,都处于环状流或雾状流的流态,因此在计算注氮排量范围内,随着排量增大,注氮压力降没有显著增大,注氮点的环空压力也没有显著降低。从施工角度来讲,在其他条件不变的情况下,增大注气排量不能引其注氮压力降的显著增大,反而增加作业成本,因此,在井口已经形成环状流或雾状流情况下,增大注氮排量不是促成诱喷成功的最优选择。2.3地温梯度、井斜角计算分析所采用的基本参数为注氮排量20Sm3/min,注气深度3000m,井口回压5MPa,流体密度1200kg/m3,流体粘度25mPa·s,生产管柱内径114.3mm,地面温度25℃,地温梯度0.04℃/m,表面张力0.04mN/m,井斜角0°。固定其他参数,只改变连续管尺寸,研究连续管尺寸对注氮压力降的影响。计算结果如图5所示。从图5可以看出,在其他条件一定的情况下,随着连续管的尺寸的增大,注氮点压力降逐渐升高。这是由于连续管尺寸增大使环空截面积减小,气体返速增大,携液能力提高。但是,由于连续管注氮作业的注氮排量很大,气体的环空返速比较高,连续管尺寸增大对于气体速度的影响并不明显,故连续管尺寸对注氮压力降的影响也不显著,因此连续管尺寸不是促成诱喷成功的主要因素。考虑合理注氮深度和连续管的强度,应合理选择连续管尺寸。2.4回压影响参数确定计算分析所采用的基本参数为连续管外径44.45mm,注氮排量10Sm3/min,注气深度3000m,流体密度1200kg/m3,流体粘度25mPa·s,生产管柱内径114.3mm,地面温度25℃,地温梯度0.04℃/m,表面张力0.04mN/m,井斜角0°。固定其他参数,只改变井口回压,研究井口回压对注氮压力降的影响。计算结果如图6所示。从图6可以看出,在其他条件一定的情况下,随着井口回压的增大,注氮点的环空压力显著增大,注氮点压力降显著降低。因此过高的井口回压不利于诱喷成功。在施工中,如果井口排液流量已经非常小,而井口回压还比较高,此时可以打开井口回压阀,适当降低井口回压,为诱喷成功提供有利条件。2.5水气温度分布计算分析所采用的基本参数为连续管外径44.45mm,注氮排量20Sm3/min,井口回压5MPa,注气深度3000m,流体密度1200kg/m3,流体粘度25mPa·s,生产管柱内径114.3mm,地面温度25℃,地温梯度0.04℃/m,表面张力0.04mN/m。固定其他参数,只改变井斜角,研究井斜角对注氮压力降的影响。计算结果如图7所示。从图7可以看出,在其他条件一定的情况下,随着井斜角的增大,注氮点压力降显著降低,注氮点环空压力基本不变,这不利于注氮诱喷成功。因此,相同条件下,水平井或井斜角较大的定向井进行注氮诱喷时需要适当增大注气深度或降低井口回压。3关于s12井的诱喷计算结果根据前文的研究思路,编制了相应的计算分析软件,并在崖城13-1-A12Sah井进行了应用。崖城13-1-A12Sah井下连续管到3200m(垂深2386.27m),注氮排量14.16方/min,现场诱喷成功。根据其施工参数,采用本文软件进行计算,计算结果如图8和图9所示。从图8和图9可以看出,A12井诱喷成功所需要的最小注氮压力降为19.26MPa,最小注气垂深为1962.83m。模拟计算注氮点处(测深3200m),注氮前液柱压力23.35MPa,注氮后环空压力2.41MPa,注氮压力降20.93MPa。通过临界诱喷压差计算和注氮环空压力分布计算得表1。本软件计算结果与施工实际相符。4续管尺寸与连续管强度通过研究表明,在连续管注氮诱喷的注氮排量范围内,合理的注入深度是促成诱喷成功的最关键因素;盲目增大注氮排量不但增加作业成本,其对于诱喷成功的作用也不显著;连续管尺寸对注氮点压力降影响不显著,建议结合注入深度和连续管强度综合考虑进行选择。随着井口回压的增大,注氮点压力降显著降低,过高的井口回压不利于诱喷成功。随着井斜角的增大,注氮点压力降显著降低,注氮点环空压力基本不变,因此,相同条