水平井兩相流動分析理論與方法的探討

時間：2024-08-05 17:28:51 碩士論文我要投稿

關(guān)于水平井兩相流動分析理論與方法的探討

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　　論文摘要:水平井已廣泛應(yīng)用于油氣開采中，在開發(fā)底水油藏、薄層油氣藏等較直井有明顯的優(yōu)勢。在油氣田開發(fā)中后期，常出現(xiàn)多相流動的情況。多相流動的產(chǎn)能動態(tài)、滲流特征等較單相流有較大的區(qū)別。水平井地層兩相滲流、井筒內(nèi)兩相變質(zhì)量流動的分析理論與方法是水平井產(chǎn)能預(yù)測、水平井段長度優(yōu)化的基礎(chǔ)。國內(nèi)外有較多的學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)的研究，了解該領(lǐng)域的研究進(jìn)展對深入研究和發(fā)展水平井兩相流動分析理論與方法具有重要意義，本文就該領(lǐng)域所取得的研究成果進(jìn)行了評述，并作出了展望。

　　論文關(guān)鍵詞:水平井;地層兩相流;井筒兩相流;研究進(jìn)展

　　1 前言

　　水平井的兩相流動分析理論是進(jìn)行水平井配產(chǎn)、確定合理工作制度的基礎(chǔ)。隨著含水油氣田的不斷開發(fā)，尤其是在氣田的開采中后期，氣井產(chǎn)水的情況較為常見，此時的地層和井筒則變?yōu)槎嘞嗔�，井的產(chǎn)能動態(tài)、壓力動態(tài)、滲流特征和單相滲流有較大的區(qū)別。氣水兩相滲流屬于多相滲流的范疇，其包含地層氣水兩相流、水平井段氣水兩相流、斜井和直井段兩相流。當(dāng)前，國內(nèi)外針對水平井單相流動的研究理論較為成熟，而針對水平井兩相流的研究，尤其是水平井氣水兩相流的研究較少。氣水兩相流研究的目的是排除井底積液，制定合理的工作制度。本文針對流體在地層、水平井筒的兩相流尤其是氣水兩相流動理論和分析方法的研究現(xiàn)狀做了全面的評述，這為在該領(lǐng)域更進(jìn)一步的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

　　2 水平井兩相流動實(shí)驗研究

　　水平井兩相流動包含氣水、油氣、油水三方面的內(nèi)容，以實(shí)驗為基礎(chǔ)的研究方法主要針對水平井地層兩相微觀滲流機(jī)理，通過實(shí)驗?zāi)M地層及水平井筒條件下兩相滲流的微觀機(jī)理，掌握地層兩相滲流微觀特征。目前國內(nèi)外有一些學(xué)者對水平井筒兩相流動做了實(shí)驗研究，但很少關(guān)于水平井地層兩相流動實(shí)驗的論文。

　　周生田等[7-8](1998)通過建立水平井筒變質(zhì)量流體流動的模擬實(shí)驗裝置，對水平井變質(zhì)量流動特性進(jìn)行了實(shí)驗研究，并得出了混合損失和主流流速與孔眼流速之間的關(guān)系。研究表明，對于一定的孔眼流速，隨著主流流速的增加，加速損失及混合損失也相應(yīng)增加。單孔眼段內(nèi)不同孔眼流速下流體混合損失和主流流速之間的關(guān)系。對于一定的主流流速，混合壓力損失隨孔眼流速的增大而增大。吳寧等[9](2003)設(shè)計并建立了水平井筒流體流動模擬實(shí)驗裝置，在軸向為氣液兩相流動的前提下分別進(jìn)行了上管壁單孔眼注入和下管壁單孔眼注入的壓降實(shí)驗研究，共進(jìn)行了304組分散泡狀流實(shí)驗，測得包括壓降、管道和流量計當(dāng)?shù)貕毫�、溫度、流型、入口氣相和液相流量、管壁液相流量在�?nèi)的共2432個實(shí)驗數(shù)據(jù)，驗證了計算模型的正確性。吳寧等[10](2004)在常規(guī)水平管道間歇流動壓降分析的基礎(chǔ)上，對氣、液兩相分別應(yīng)用質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，考慮管壁入流或出流對壓降的影響，得到一種新的水平井筒間歇流流型壓降計算方法。

　　3 水平井地層兩相流動分析理論與方法

　　鄧英爾等基于旋轉(zhuǎn)橢球的概念和等價發(fā)展圓柱面的思想，建立了油水兩相非達(dá)西橢球三維滲流數(shù)學(xué)模型。并運(yùn)用特征線法和有限差分法求解，得到了含油飽和度分布和活動邊界的變化規(guī)律。為水平井注水開發(fā)低滲油田數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)。宋付權(quán)等(2002)從Buckley-Leverret不混溶兩相滲流驅(qū)替理論出發(fā)，考慮啟動壓力梯度的影響，對水平井兩相滲流進(jìn)行分析，得到了橢球形邊水油藏中水平井定產(chǎn)時的壓力分布公式和定壓生產(chǎn)時的產(chǎn)量公式，以及飽和度分布公式。并提出在水平井附近用解析解，在遠(yuǎn)離井筒的地方用數(shù)值差分求解的思想。鄧英爾等在郭大力研究的基礎(chǔ)上建立了在水平井開發(fā)的各向異性雙重介質(zhì)油藏中油水兩相滲流數(shù)學(xué)模：

　　作者用有限差分法求得了其解。并通過實(shí)例計算表明：滲透率較大的方向，前緣推進(jìn)速度較快，油井見水較早;吸滲使前緣推進(jìn)速度減慢，使油井見水晚。趙春森等[16](2005)根據(jù)擬三維原理，將理論分析方法和一維油水兩相滲流理論相結(jié)合，求解分支水平井和直井混合井網(wǎng)三維兩相非活塞滲流問題。采用保角變換，將XY平面二維兩相復(fù)雜滲流問題轉(zhuǎn)化為一維兩相問題求解，從而確定出水平井在油水兩相流條件下XY平面內(nèi)的滲流阻力，根據(jù)各部分的滲流阻力，確定出水平井的產(chǎn)液速度和無因次產(chǎn)液速度等各類參數(shù)，該理論的建立為水平井整體注水開發(fā)油田的動態(tài)分析和預(yù)測提供了依據(jù)。姜瑞忠等[17](2008)將水平井的三維滲流簡化為水平平面和垂直平面的2個二維流動，考慮啟動壓力梯度的影響，對水平井兩相滲流進(jìn)行了分析，得到了橢圓形供油半徑中水平井穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能公式。通過實(shí)例計算結(jié)果表明，水平井日產(chǎn)油量與水平井段長度呈線性增加關(guān)系;水平井日產(chǎn)油量隨啟動壓力梯度增大而減小;油藏非均質(zhì)性越強(qiáng)水平井日產(chǎn)油量越小，水平段越長，日產(chǎn)油量受油藏非均質(zhì)性影響越嚴(yán)重。

　　4 水平井筒兩相流動分析理論與方法

　　水平井的井筒流體流動規(guī)律是水平井產(chǎn)能預(yù)測及生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計與動態(tài)分析的基礎(chǔ)，而且其水平段的井筒流動為變質(zhì)量流動，比通常的水平管流更復(fù)雜，國外對此開展過較多的研究。目前，在水平段井筒的流動規(guī)律研究方面主要集中在：(1)水平井筒流態(tài)的劃分與判斷;(2)水平段井筒壓降計算模型。

　　4.1 水平井兩相流流型判別理論吳寧等根據(jù)波的迅速成長機(jī)理，在Taitel和Dukler的研究基礎(chǔ)上，得到水平井筒分層流向非分層流轉(zhuǎn)變的判別方法;通過對分散氣泡進(jìn)行受力分析，得到水平井筒分散泡狀流向間歇流轉(zhuǎn)變的判別方法;基于Barner和Brauner的研究給出水平井筒環(huán)空霧狀流向間歇流轉(zhuǎn)變的判別方法。吳寧等[23]人通過對分散泡狀流中的分散氣泡進(jìn)行受力分析，考慮了管壁入流或出流的影響，得到水平井筒氣液兩相變質(zhì)量流動分散泡狀流向間歇流轉(zhuǎn)變的判別方法。并分別應(yīng)用氣、液兩相質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，考慮管壁存在入流或出流對于分散泡狀流流型壓降的影響，得到水平井筒氣液兩相變質(zhì)量流動分散泡狀流的壓降計算方法。并認(rèn)為在分散泡狀流中，每個單獨(dú)的氣泡上存在三個作用力：紊流力、浮力和由于管壁入流或出流產(chǎn)生的推、拉力。當(dāng)三個力的合力方向向上時氣泡將在井筒上方聚集。張琪等[24](2002)從理論和實(shí)驗兩方面對水平井筒氣液兩相變質(zhì)量流的流型判別與壓降計算進(jìn)行了探索性研究，建立了分層流、間歇流、分散泡狀流和環(huán)霧流的流型判別模型以及分層流與間歇流的壓降計算模型，并繪制了流型圖。國外學(xué)者TAITEL等和A.SKaya等建立了判斷流型的數(shù)學(xué)模型，并把水平井和斜井的流型分為泡狀流、分散泡狀流、段塞流、渦流、環(huán)空流五種流型。他們認(rèn)為，井筒里的壓降包含三部分：海拔壓降梯度、摩擦壓降梯度、加速度損失梯度。Ping.Gui等應(yīng)用井筒和油藏流動的耦合模型研究了水平井眼瞬態(tài)流動。

　　同時考慮油藏流動和井筒流動，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法更精確地預(yù)測水平井產(chǎn)能。

　　4.2 水平井兩相流壓降分析理論周生田等對水平井筒變質(zhì)量分層流動進(jìn)行了微元段流動分析，根椐氣相和液相的連續(xù)性方程及動量方程，得到了氣、液兩相的混合動量方程，并由此建立了水平井筒變質(zhì)量氣、液兩相流動的壓力梯度模型，該模型中考慮了流體從油藏到井筒流動的影響。

　　將Dikken模型中沿整個水平段單位長度生產(chǎn)指數(shù)為常數(shù)的假定進(jìn)行了推廣，建立了水平井筒油藏流體從管壁流入時孔眼段流體壓力梯度模型，并在此基礎(chǔ)上建立了同時考慮井筒流體流動和油藏滲流的井筒油藏耦合模型。黃煒等通過對Cullender和Smith方法進(jìn)行含水修正，建立了該方法用于高氣水比氣井井筒壓力計算的新模型。戚志(2004)研究了在水平段有較大縱向起伏的蛇曲井的兩相流壓力梯度計算方法。作者根據(jù)連續(xù)性方程和動量方程，建立了蛇曲水平井兩相分層流動的壓力梯度模型，并結(jié)合實(shí)例證明了蛇曲井不能用常規(guī)水平井壓降模型計算壓降。孫福街等[32]人在在混合損失計算模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用動量守恒原理推導(dǎo)出了新的水平井筒氣液兩相分層流型壓降計算模型。該模型較全面地考慮了井筒流動各方面的參數(shù)，將井筒壓力損失劃分為摩擦損失、加速損失、重力損失和混合損失4部分。并實(shí)例計算結(jié)果表明，管壁入流量越大，井筒壓降越大，且井筒壓降的增長速度隨入流量的增大而加快;井筒壓降隨管道軸向流量的增大而增大。鄧傳忠等[33](2008)通過把不規(guī)則斜井近似為規(guī)則斜井，并把氣井產(chǎn)出氣液比大于2000m3/m3時看成單相流動，得出斜(水平)井井底流壓計算公式。利用Cullender和Smith計算方法求解，將氣井等分為2段，即井口至中點(diǎn)，中點(diǎn)至井底，計算井底壓力(靜壓和流壓)分2次進(jìn)行。

　　4.3 水平井的斜井段和直井段兩相流動理論與方法對于垂直管流，在20世紀(jì)80年代以前，主要有經(jīng)驗或半經(jīng)驗方法，如Duns-Ros方法、Hagedorn- Brown方法等。在20世紀(jì)80年代以后，人們加強(qiáng)了應(yīng)用水動力學(xué)方法研究各種流動形態(tài)的物理機(jī)制。Taitel等從一種流型到另一種流型轉(zhuǎn)變發(fā)生的機(jī)理出發(fā)，解釋和預(yù)測了轉(zhuǎn)變條件，提出了描述流型轉(zhuǎn)變的物理模型。劉曉娟等根據(jù)目前的機(jī)理化模型存在流型預(yù)測界限不封閉、流型覆蓋不全的問題，從多相流動介質(zhì)的連續(xù)性出發(fā)進(jìn)行了流型劃分，建立了傾斜井筒流型轉(zhuǎn)變的物理模型，并修正了壓降計算模型。認(rèn)為傾斜井筒氣液兩相流的流型應(yīng)劃分為泡狀流、分散泡流、段塞流、攪動流環(huán)流、霧流。作者把介于泡狀流和環(huán)流之間的段塞流看成是泡狀流和環(huán)流各占一定比例的流態(tài)形式，整個段塞單元上的總壓力梯度就為泡狀流壓力梯度和環(huán)流壓力梯度的和，而且泡狀流壓力降用均相模型處理，環(huán)流壓力降用分相模型處理。L.E.Gomez等在前人研究的基礎(chǔ)上提供了一個更系統(tǒng)的、更綜合的適合于傾斜角度為0°到90°的井眼和管道計算模型。L.E.Gomez等把五種流型的判斷模型和壓降計算以及持液率的計算模型均進(jìn)行了推導(dǎo)。詹廷選等(2007)總結(jié)出一種適宜現(xiàn)場應(yīng)用的計算氣水同產(chǎn)井流壓的經(jīng)驗方法。該方法通過部分參數(shù)無因次化，統(tǒng)計分析得到計算流壓的經(jīng)驗式，進(jìn)而直接利用氣水同產(chǎn)井的生產(chǎn)水氣比和井口壓力計算流壓。

　　當(dāng)前，國內(nèi)外針對水平井斜井段和直井段的兩相流的文獻(xiàn)較多，但基本與上述分析方法類似，本文不再闡述。

　　5 地層-井筒耦合流動模型研究

　　駱祖江等[40](2004)建立了非飽和帶水氣二相滲流的耦合模型，并采用IMPES方法對該模型進(jìn)行求解。同時，將該模型應(yīng)用于沁水盆地TL煤層氣井水氣運(yùn)移、產(chǎn)出的模擬計算，通過歷史擬合，對影響該井水氣產(chǎn)量的主要參數(shù)進(jìn)行了識別和校正，預(yù)測了該井未來水氣產(chǎn)量動態(tài)變化特征。蘇玉亮等[41] (2007)通過勢的理論研究油氣兩相穩(wěn)定滲流問題，在描述無界地層三維穩(wěn)態(tài)勢基礎(chǔ)上，結(jié)合水平井上射孔孔眼在無界地層中產(chǎn)生的勢分布，建立了把油層中的滲流與水平井筒內(nèi)的流動耦合的數(shù)學(xué)模型，利用迭代的方法求解，實(shí)例計算表明水平井水平段的流量分布曲線成“凹”型，其壓力分布變化較為平緩。該模型為水平井的產(chǎn)能預(yù)測及水平井長度的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

　　6 展望

　　水平井兩相滲流是一個較為復(fù)雜和困難的研究課題，而尤其氣水兩相流在氣田開發(fā)中后期對氣藏的描述又具有重要的意義。從水平井兩相流的研究歷史來看，地層氣液兩相流動與水平井筒氣液兩相流動大部分是分開研究，而沒有建立較為完善的地層--水平井筒耦合流動模型。水平井段內(nèi)的流體流動與油藏滲流相互制約，互相影響，該水動力體系的兩種流動互為邊界條件，只有通過耦合模擬才能揭示水平井水平段內(nèi)的變質(zhì)量流動特性。因此，在水平井氣液兩相流動分析理論與方法方面應(yīng)該在以下幾方面的研究有所突破：

　　(1)開展水平井氣液兩相變質(zhì)量流動機(jī)理研究，建立模型及優(yōu)化計算方法;

　　(2)完善水平井地層兩相滲流與水平井筒兩相變質(zhì)量流動的耦合模型和計算方法;

　　(3)開展對水平井氣水兩相流的研究，為高效開發(fā)含水氣田提供理論基礎(chǔ);

　　(4)將解析法和數(shù)值方法相結(jié)合，求解水平井筒和地層耦合滲流的數(shù)學(xué)模型。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]劉慈群.水平井的產(chǎn)能及試井分析公式[J].油氣井測試，1995：45-49

　　[2]宋付權(quán)等.水平井橢球滲流模型分析與應(yīng)用[J].油氣井測試，1996：25-29

　　[3]宋付權(quán)等.單一直線邊界油藏中水平井滲流壓力動態(tài)分析[J].石油勘探與開發(fā)，1997，24(4)：47-50

　　[4]李凡華等.分形油藏中水平井的非牛頓冪律流滲流規(guī)律[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，1997，16(3)：38-41

　　[5]宋付權(quán)等.低滲透油藏中水平井的非牛頓冪律流體不穩(wěn)定滲流的研究[J].油氣井測試，2000，9(1)：1-6

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