摘要: 本文重点介绍了一种基于天然气在气井中管流和积液特征的气流携带液滴的最小气体流速模型的设计过程,通过分析天然气在气井中的垂直管流以及垂直管流中举升能量的来源和消耗与举升关系、积液特征来建立气流携带液滴的最小气体流速模型,旨在有利于目前我国天然气的开发和利用。
关键词: 天然气田开发积液气流携带液滴的最小气体流速模型
1.引言
随着国民经济的快速发展,我国对于天然气的需求将大幅度上升。据专家预测,到2010年,我国天然气的需求量将达到1000―1400千万立方米,而开采能力仅为800―1000千万立方米。为实现能源的可持续发展,加快实现油气并举战略,保证下游用户对天然气量的需求,就我国一定要加快天然气的开发步伐。
2.天然气在气井中的垂直管流
(1)天然气在气井中的垂直管流
天然气从地层中流到井底后,还必须从井底上升至井口才能采出地面,我们一般把天然气从井底流向井口的垂直上升过程,称为气井的垂直管流。在垂直管流过程中,因为压力和温度不断下降,其流体的流动形态就随之发生变化,从而影响到举升的效果。
对于不产油(或很少)、不产水的纯气井,井筒天然气一般呈单向气流。而对于存在两相或多相流动的气水同产井和凝析气井,气液混合物在上升过程中,随着压力、温度的逐渐降低,气体不断膨胀、冷凝、分离,则形成各种不同的流动形态。
①气泡流:当气量相对较小,流速不大时,气体以气泡状存在于液体中。
②段塞流:当气液体积较大,速度较小时,混合物出现含有气泡的液柱和含有液滴的气柱互相交替的状态。
③过渡流:当气液体积比较大,流速较大时,则液体沿管壁上升,而气体在井筒中心流动,气流中还可能含有液滴。
④环雾流:当气液平均流速很大时,液体呈雾状分散在气相中。
在实际采气中,同一气井可能同时出现多种流态。如在水量较大的气井中,油管下部为气泡流,当气泡上升时,由于压力降落而膨胀,体积增大并互相结合成大气泡,充满油管整个截面积,因而转变为段塞流;随着混合物的上升,压力不断下降,气相体积继续增大,气段伸长,渐渐突破气段之间的液段,使液相成为液滴分散于流动的气相中,并且有薄层液相沿管壁流动,形成环雾流。在一般情况下,气井的流态多为环雾流,油气井则常见段塞流。
(2)垂直管流中举升能量的来源和消耗与举升关系
从地层中流入井底的流体若是纯气相,则容易举升至地面,但是在一般情况下,地层中流入井底的气体都混有凝析油、凝析水或地层水等液体,把这些混液气体举升到地面则要消耗一定量的能量。
气井举升流体(气、油、水)出井口的能量来源主要是井底流动压力和气体的弹性膨胀能;能量消耗主要是流体本身的重力、流动摩擦阻力、井口回压(油压)和滑脱损失。
气体的膨胀能一方面是携带、顶推液体上升的动力,另一方面又出于气液之间产生的滑脱现象而增加滑脱损失。
流动摩租随流速、产量的增大而增大,汽液混合物在油管中的上升速度为:气泡流段塞流>过渡流>环雾流。
②油管直径:油管内径越大,滑脱现象越严重,滑脱损失越大。
③气液比:举升一定量的流体,气量越大,滑脱损失越小。
只有当流体从地层中带入井底的能量大于举升消耗的能量时,举升才能正常进行,即井底流压+气体膨胀能>气液柱重力+摩阻损失+滑脱损失+井口回压。
3.积液特征
气井中液体主要来自气态烃类的凝析作用(凝析液)、地层中储集层的地层水或层间水。也就是说,井筒积液有两个明显的液体来源:一是随天然气进入到井筒的游离液体,二是由于井筒热损失导致天然气凝析形成的液体,如液态烃和水都可能存在,这与具体的储层条件有关。气井中液体通常是以液滴的形式分布在气相中,流动总是在雾状流范围内,因为气体是连续相流动,而液体则是非连续相流动。因为天然气通常在井筒的上部达到它的露点,所以凝析液初期主要滞留在井筒的上部,当气相不能提供足够的能量使井筒中的液体连续流出井口时,液体就会在气井井底形成积液,增加对气层的回压。气井随积液增加,产量降低,气井无法将液体滞留在井筒上部时,液体泡沫柱随之崩溃,落入井底。高压井中液体以段塞形式存在,它会损耗更多的地层能量,限制气井的生产能力。在低压井中积液可完全压死气井,造成气井水淹关井,使气藏减产。
在对气井井筒积液的研究中,人们提出了能将气流中最大的液滴携带到地面的最低流速这一课题。1969年Turner建立了液滴和其他模型对气带液问题进行了研究,最后以液滴模型为依据提出了计算气流携带液滴的最低气体流速公式。假设油管内的流动符合牛顿液体的流动规律,当气流速度等于液滴沉降的最终速度时,液滴就能携带到地面,井底就不会发生液体积聚。当井筒内气体实际的流量小于连续排液所必需的临界流量时,气流就不能将进入井筒的液体和在井内析出的液体全部排除井口,这部分液体会在井底聚积,增加井底压力,降低气井产量,甚至使井停喷。
气井携液最小流量是压力和温度的函数,井底的压力和温度都较高,而井口压力和温度则较低。压力高的气体的密度大,气井携液需要的流量大,而温度小也会使气体的密度大,同样会使气井携液需要的流量增大。因此,在实际气井中是井底携液需要的流量大还是井口携液需要的流量大,与井的条件有关。
如果气井的实际井口流速和井底流速大于对应的气体临界流速,则气体能带水。相反,如果气井的实际井口流速和井底流速小于对应的气体临界流速,则气体不能带水。井底出现积液是见水气井的积液条件。
4.气流携带液滴的最小气体流速模型的建立
(1)建立模型的方法
地层出液垂直气井的井筒流动状态呈现两相流,而两相流态又分为泡流、段塞流、过渡流和环雾流四种。对于以产气为主的出液气井来讲,井筒内液体流态主要是以液柱、液滴和雾的形式被气流携带出地面。可以假定井筒内的液体是以直径大小不同的液滴被携带到地面,然后对液滴在气流中受力情况进行分析,这样就可以建立液滴模型。
(2)模型的建立过程
从牛顿流体力学的质点运动来看,气流中液滴主要受三种力的作用,即液滴自身重力、气体对液滴的悬浮力和气体在流动过程中对液滴的携带力。
液滴在气流中的浮力F■和液滴的自重力G可以合称为液滴的沉降重力G■,那么就有:
5.结语
本文介绍了一种可用于天然气田开发的气流携带液滴的最小气体流速模型,它能够以最精确的计算和分析方法深化开展气藏开发研究,力求最大的经济效益和社会效应。
参考文献:
[1]冯叔初.油气集输与矿场加工.山东:中国石油大学出版社,2006.
[2]李长俊.天然气管道输送.北京:石油工业出版社,2000.
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