大牛地气田涡流排水采气工艺适用性评价

大牛地气田涡流排水采气工艺适用性评价

孙妍

中石化华北油气分公司采气一厂 河南省 郑州市  450006

摘要：随着大牛地气田的不断开发，低压低产井比例逐年增多，气井排液难度越来越大，亟需引进排液新工艺。涡流排水工艺通过改变气液两相流态，可以降低气井的临界流速与井筒压降，是一种高效、低成本有效解决低压低产井排液问题的方法。目前该工艺在国外已广泛应用，国内对涡流排水采气核心技术尚处于研究阶段。论文在研究涡流排液机理的基础上，通过产液量与产气量两个约束条件建立了涡流排液选井理论与选井图版，进而对大牛地气田涡流排水工艺适用性进行评价，30.5%的气井满足涡流工艺应用条件。

关键词：大牛地 气井 涡流 选井图版 适用性

中图分类号：TE371     文献标识码：A

大牛地气田位于鄂尔多斯盆地北东部、伊陕斜坡北部，为孔隙型低渗-特低渗致密砂岩封闭气藏，储层非均质性极强、无边底水，上古生界石炭系太原组，三叠系山西组、下石盒子组是其主要含气段，大多数储层呈低产特征[1-2]。气田自2003年规模开发以来，气井压力逐年降低，目前低压低产井的比例达到80%，气井普遍存在积液，排液难度逐年增大，亟需引进排液新工艺。涡流排水采气技术通过改变气液两相流态，可以降低气井的临界携液流速与井筒压降，是一种高效、低成本有效解决低压低产井排液问题的方法。目前该工艺在国外已广泛应用，国内对涡流排水采气核心技术尚处于研究阶段。论文在研究涡流排液机理的基础上，通过产液量与产气量两个约束条件建立了涡流排液选井理论与选井版图，进而对大牛地气田涡流排水工艺适用性进行评价，最终评估该工艺的推广前景。

1涡流工艺排液机理研究

在常规气井中，液相以液滴的形式分布在气相中，在气相施加的粘性阻力作用下，克服重力作用，从而被排出气井。气井中安装涡流工具后，气液两相流因涡流工具的导流作用而产生较大的切向速度，形成强旋流动。为了解涡流排水采气工艺井下流场情况，加深对涡流排水采气机理的认识，基于计算机流体动力学方法，通过Fluent多相流模型对实施涡流工艺气井内流动进行仿真模拟计算，气水两相流体流线图及旋流段流线局部放大图如图1、2所示。

图1 涡流工具出口上部流线变化图

图2 涡流工具出口旋流段流线局部放大图

由上图流线分布可知，气液两相流体经过涡流工具后，由于惯性作用，气液两相有大约1m左右的螺旋旋流流态，然后出现气液分离的环状流态，这说明液膜并不是一直螺旋上升。从而揭示了涡流工具的排液机理：涡流工具形成的旋转作用仅仅起到使气液两相流体充分分离，而不是将液体旋转携带出井口，旋流使以液滴为主的杂乱雾状流转变为以液膜流动为主的环状流，液膜携液比液滴携液需要的临界气量低，井筒压力损失更小。液膜是不稳定的，在上升流动过程中会不断回到气芯，液膜沿油管上升不断变薄，失去排液能力。因此，一口气井可能需要安装多级涡流工具。总之，涡流工具的工作机理：改变流型、降低携液临界流速和压降。

2涡流工艺选井理论

在明确涡流排水采气工艺技术的本质为改变流态、形成更节约能量的液膜流动的基础上，形成了最大产液量与合理产气量共同约束的涡流工艺选井理论。

2.1涡流工艺携液最大产液量

涡流工具的主要机理是形成液膜流动为主的携液方式。许多学者在研究中发现，还存在一种液膜不稳定机理：气流速度够高，能够确保液膜上升，但是液量太大，液膜过厚，在管中央会形成“桥接”截断气芯，因此环状流的液膜厚度存在一个上限。本文采用无因次液膜厚度6%作为环状流可能存在的最大产液膜厚度，可以采用持液率将该界限表示为：

（1）

式中：AL——油管横截面上液相的面积，m2；

A——油管横截面积，m2；

2.2涡流工艺携液合理产气量

将临界流速以流量的形式来描述涡流工具选井公式，在某对应油压下，只要满足公式2，该井即具有使用涡流工具排液的潜力。q下为涡流工具选井下限产气量，即环状流的临界携液流量[7]，当产量小于该流量时，即便安装涡流工具也不能形成环状流；q上为涡流工具选井上限产气量，即雾状流的临界携液流量[8]，当产量大于该流量时，气井可以自身携液，短时间内不需要辅助涡流工具进行助排。

（2）

其中：

（3）

（4）

式中：qg——气井日产气量，m3/d；

q下——涡流工具选井下限产气量，m3/d；

q上——涡流工具选井上限产气量，m3/d；

A——油管横截面积，m2;

Z——天然气偏差系数；

p——井口油压，MPa；

T——井口温度，K；

ρL——液相密度，kg/m3；

ρg——气相密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

uL——液相粘度，Pa·s；

fi——气液摩擦系数；

σ——表面张力，N/m。

3涡流工艺选井图版

3.1涡流工艺携液最大产液量选井图版

应用涡流工艺最大携液量模型，建立涡流工艺最大携液量图版如图4所示。一定产气量、一定油压的气井必须小于图版中的产液量才符合涡流工具的选井条件。

图4 大牛地涡流工艺最大产液量选井图版

3.2涡流工艺携液合理产气量选井图版

对比临界携液模型可以看出，以液膜流动为主的环状流要比以液滴流动为主的雾状流更容易携液，涡流工具旨在改变气井流态，降低气井临界携液流量。这为涡流工具选井提供了理论依据，建立以油压和产气量为基础的涡流工具合理产气量选井图版，如图5所示。处在红线与黑线之间的区域为涡流工具的适用范围。

图5 大牛地涡流工艺合理产气量选井图版

4选井图版的验证

气井必须同时满足最大产液量与合理产气量图版才符合涡流工具的使用条件。

为了验证图版准确性，开展大牛地5口气井的涡流工艺实验，其中4口井同时满足两个图版的选井要求，另外1口井C井不满足最大产液量图版，理论上说是不适合涡流工艺的（图6、图7）。

图6 大牛地5口涡流实验井最大产液量选井

图7 大牛地5口涡流实验井合理产气量选井

通过现场试验发现（表1），5口试验井中评价效果好的4口井均满足图版选井条件，效果较差的C为不满足最大产液量图版，试验效果很好的验证了图版的准确性，现场符合率达到100%。

表1  大牛地采用涡流工具现场实施效果

5大牛地涡流工艺适应性评价

在图版验证的基础上，对大牛地736口开井直井开展涡流工艺适应性评价。大牛地开井直井共计736口，其中395口满足合理产气量选井图版，559口井满足最大产液量选井图版，同时满足的井有225口，占总井数的30.50%。如图8、9，表2所示。

表2 大牛地涡流工艺适用井数统计

图8 大牛地736口开井直井涡流工艺最大产液量适应性

图9 大牛地736口开井直井涡流工艺合理产气量适应性

6结论

（1）通过涡流工艺流场仿真模拟，深入研究了涡流工具排液机理：涡流工具通过改变气井流型，提高气井携液能力，降低油管压降。

（2）在明确涡流工艺排液机理的基础上，通过产液量与产气量两个约束条件建立了涡流排液选井理论与选井图版，现场验证符合率为100%。

（3）利用选井图版对大牛地气田涡流排水工艺进行适用性评价，30.5%的气井适用此工艺，可以进行涡流工艺推广试验。

参考文献

[1] 段春节，陈路原，吴汉宁. 大牛地气田下二叠统叠合气藏开发地质特征[J]. 石油试验地质，2009，31(5)：495-499.

[2] 刘艳. 大牛地气田下石盒子组盒3段储层孔隙结构特征[J]. 重庆科技学院学报，2011，13 (1)：50-53.

[3] 刘通．产液气井两相流机理模型研究[D]．西南石油大学，2014．

[4] 李闽，郭平，谭光天等. 气井携液新观点[J]．石油勘探与开发，2001，28(5)：105-106.