水平井兩相流動(dòng)分析理論研究

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水平井兩相流動(dòng)分析理論研究

　　水平井是指井的透水段(透氣段)濾管呈水平放置的抽(注)流體的集水建筑物。以下是一篇關(guān)于關(guān)于水平井兩相流動(dòng)分析理論與方法研究的論文范文，和大家共同學(xué)習(xí)。

水平井兩相流動(dòng)分析理論研究

　　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(shì)。在油氣田開發(fā)中后期，常出現(xiàn)多相流動(dòng)的情況。多相流動(dòng)的產(chǎn)能動(dòng)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(dòng)的分析理論與方法是水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)、水平井段長(zhǎng)度優(yōu)化的基礎(chǔ)。國(guó)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(duì)深入研究和發(fā)展水平井兩相流動(dòng)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(píng)述，并作出了展望。

　　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(dòng)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(shí)的地層和井筒則變?yōu)槎嘞嗔鳎漠a(chǎn)能動(dòng)態(tài)、壓力動(dòng)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(guó)內(nèi)外針對(duì)水平井單相流動(dòng)的研究理論較為成熟，而針對(duì)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(duì)流體在地層、水平井筒的兩相流尤其是氣水兩相流動(dòng)理論和分析方法的研究現(xiàn)狀做了全面的評(píng)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(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

　　水平井兩相流動(dòng)包含氣水、油氣、油水三方面的內(nèi)容，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的研究方法主要針對(duì)水平井地層兩相微觀滲流機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)?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(guó)內(nèi)外有一些學(xué)者對(duì)水平井筒兩相流動(dòng)做了實(shí)驗(yàn)研究，但很少關(guān)于水平井地層兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(dòng)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)水平井變質(zhì)量流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(jì)并建立了水平井筒流體流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，在軸向?yàn)闅庖簝上嗔鲃?dòng)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(yàn)研究，共進(jìn)行了304組分散泡狀流實(shí)驗(yàn)，測(cè)得包括壓降、管道和流量計(jì)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(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。吳寧等[10](2004)在常規(guī)水平管道間歇流動(dòng)壓降分析的基礎(chǔ)上，對(duì)氣、液兩相分別應(yīng)用質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，考慮管壁入流或出流對(duì)壓降的影響，得到一種新的水平井筒間歇流流型壓降計(jì)算方法。

　　3 水平井地層兩相流動(dòng)分析理論與方法

　　鄧英爾等基于旋轉(zhuǎn)橢球的概念和等價(jià)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(dòng)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(dòng)壓力梯度的影響，對(duì)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(shí)的壓力分布公式和定壓生產(chǎn)時(shí)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(jì)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(dòng)態(tài)分析和預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。姜瑞忠等[17](2008)將水平井的三維滲流簡(jiǎn)化為水平平面和垂直平面的2個(gè)二維流動(dòng)，考慮啟動(dòng)壓力梯度的影響，對(duì)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(jì)算結(jié)果表明，水平井日產(chǎn)油量與水平井段長(zhǎng)度呈線性增加關(guān)系;水平井日產(chǎn)油量隨啟動(dòng)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(zhǎng)，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(dòng)分析理論與方法

　　水平井的井筒流體流動(dòng)規(guī)律是水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)及生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)，而且其水平段的井筒流動(dòng)為變質(zhì)量流動(dòng)，比通常的水平管流更復(fù)雜，國(guó)外對(duì)此開展過較多的研究。目前，在水平段井筒的流動(dòng)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(jì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)量守恒方程，考慮管壁存在入流或出流對(duì)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(dòng)分散泡狀流的壓降計(jì)算方法。并認(rèn)為在分散泡狀流中，每個(gè)單獨(dú)的氣泡上存在三個(gè)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(gè)力的合力方向向上時(shí)氣泡將在井筒上方聚集。張琪等[24](2002)從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)水平井筒氣液兩相變質(zhì)量流的流型判別與壓降計(jì)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(jì)算模型，并繪制了流型圖。國(guó)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(dòng)的耦合模型研究了水平井眼瞬態(tài)流動(dòng)。

　　同時(shí)考慮油藏流動(dòng)和井筒流動(dòng)，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法更精確地預(yù)測(cè)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(duì)水平井筒變質(zhì)量分層流動(dòng)進(jìn)行了微元段流動(dòng)分析，根椐氣相和液相的連續(xù)性方程及動(dòng)量方程，得到了氣、液兩相的混合動(dòng)量方程，并由此建立了水平井筒變質(zhì)量氣、液兩相流動(dòng)的壓力梯度模型，該模型中考慮了流體從油藏到井筒流動(dòng)的影響。

　　將Dikken模型中沿整個(gè)水平段單位長(zhǎng)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(shí)孔眼段流體壓力梯度模型，并在此基礎(chǔ)上建立了同時(shí)考慮井筒流體流動(dòng)和油藏滲流的井筒油藏耦合模型。黃煒等通過對(duì)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(jì)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(jì)算方法。

　　作者根據(jù)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，建立了蛇曲水平井兩相分層流動(dòng)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(jì)算壓降。孫福街等[32]人在在混合損失計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用動(dòng)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(jì)算模型。該模型較全面地考慮了井筒流動(dòng)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(jì)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(zhǎng)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(shí)看成單相流動(dòng)，得出斜(水平)井井底流壓計(jì)算公式。利用Cullender和Smith計(jì)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(jì)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(dòng)理論與方法對(duì)于垂直管流，在20世紀(jì)80年代以前，主要有經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)方法研究各種流動(dòng)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(cè)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(cè)界限不封閉、流型覆蓋不全的問題，從多相流動(dòng)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(jì)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(dòng)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(gè)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(gè)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(jì)算模型。L.E.Gomez等把五種流型的判斷模型和壓降計(jì)算以及持液率的計(jì)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(chǎng)應(yīng)用的計(jì)算氣水同產(chǎn)井流壓的經(jīng)驗(yàn)方法。該方法通過部分參數(shù)無因次化，統(tǒng)計(jì)分析得到計(jì)算流壓的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算流壓。

　　當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)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(dòng)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(duì)該模型進(jìn)行求解。同時(shí)，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(jì)算，通過歷史擬合，對(duì)影響該井水氣產(chǎn)量的主要參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別和校正，預(yù)測(cè)了該井未來水氣產(chǎn)量動(dòng)態(tài)變化特征。蘇玉亮等[41] (2007)通過勢(shì)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(shì)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(shì)分布，建立了把油層中的滲流與水平井筒內(nèi)的流動(dòng)耦合的數(shù)學(xué)模型，利用迭代的方法求解，實(shí)例計(jì)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(cè)及水平井長(zhǎng)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(gè)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(duì)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(dòng)與水平井筒氣液兩相流動(dòng)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(dòng)模型。水平井段內(nèi)的流體流動(dòng)與油藏滲流相互制約，互相影響，該水動(dòng)力體系的兩種流動(dòng)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(dòng)特性。因此，在水平井氣液兩相流動(dòng)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(dòng)機(jī)理研究，建立模型及優(yōu)化計(jì)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(dòng)的耦合模型和計(jì)算方法;

　　(3)開展對(duì)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(cè)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(cè)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(dòng)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

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