两相流理论在气井携砂中的运用

在天然气气井生产过程中,由于大多数砂岩地层和胶结弱的地层在生产过程中很容易出砂,当生产气量小到不足以将其带出地面时,砂粒就有可能堵塞产层或者沉降在井底堵死气井;当生产气量很大时又会大量带走地层中的砂粒,使地层被抽空,严重威胁到气井的稳定生产.通过对气固两相流的理论的分析来研究砂粒在垂直井筒中的受力,研究其力学模型及砂粒在气流中的各种沉降举升规律,讨论并分析了影响临界流速和临界产量的各种因素,推导天然气气井携砂的临界流速和临界产量,并用于分析了一组实际天然气气井生产数据.这些数据对气井生产作业、合理配产都有一定的实际意义.     

垂直井筒气流携砂理论模型分析

确定垂直井筒中气流携砂的合理工艺参数,力求高速含砂气流对井口设备的冲蚀、磨蚀程度最小,又能保证有足够带出全部砂粒的气流,对气井正常生产至关重要。以砂粒受力是其运动的本质为出发点,通过分析垂直井筒中砂粒的受力情况,建立气流携砂的理论模型。在临界状态下,砂粒受力平衡,据此推导出确定气流携砂临界参数的理论公式。该模型推导的理论公式对垂直气井携砂生产具有一定的借鉴意义。     

垂直气井气流携砂实验分析

在气井开采过程中,为了避免因气流过大导致井筒中的砂粒对井口设备产生严重的冲蚀、磨蚀损坏,同时又要保证砂粒能够全部被携带出井口而不至于堆积在井底造成砂堵油管等严重事故,确定垂直气井气流携砂模型的准确性至关重要.借助自发研制的垂直井筒携砂实验装置,实验分析研究了不同气量和压力下气流携砂状况.根据实验分析得出,携砂临界参数的理论计算结果与实测数据平均误差在5％以内,理论计算误差满足工程计算精度要求.     

气井携砂可视化实验研究

气井出砂是天然气开采过程常见问题,给气井正常生产及各种采气工艺措施开展带来很多影响,轻微出砂可迫使气井停产,大量出砂会导致气井报废.气砂两相流动状态是影响气井出砂与否的关键因素,而砂粒的运动状态与气流速度的大小有着直接的关系.为了保证气井正常生产,防止砂粒沉积井底造成砂卡,在自建高16m,直径40 mm有机玻璃管可视化实验架的基础上,通过实验手段采用压缩空气作为介质,模拟气井连续携砂这一物理现象,并测定砂粒悬浮状态下气流的临界流量及井口压力,用经验公式计算出临界速度,与理论临界流速公式计算结果相差不大,说明该实验装置实际可行.从而确定了井口的压力和采气出砂时的气量,为确保合理的防砂方法提供可靠的依据.     

井筒砂粒运移规律室内模拟实验研究

利用研制的井筒携砂实验装置,模拟了一定砂粒配比下不同井型中的携砂情况.观察了颗粒在不同倾斜角度的井筒中的运移方式,测定了不同粒径的砂粒被携带出的临界流量,揭示了颗粒直径同流体流量关系变化规律.实验结果表明,流体的流速和携砂管的倾斜程度对砂粒携带能力有很大影响,流体流速越大,携带的颗粒直径也越大,砂粒在携砂管中的流动方式随携砂管倾斜角度而变化,携砂管垂直放置时,颗粒以均匀悬浮方式运移:携砂管倾斜时,颗粒以非均匀分层流动、跳跃和移动床流动方式运移.同一粒径砂粒在不同倾斜携砂管中的临界流量表明,携砂管倾斜60°时,携带能力最弱,携砂管垂直时携砂能力最强.     

气井井筒临界携垢流量计算与分析

为准确预测气井井筒临界携垢流量，优化气井防垢措施，指导气井后期生产制度选择，基于气固两相流理论建立了气井井筒临界携垢流量计算方法。采用该计算方法研究了温度、压力、垢物颗粒直径、油管尺寸等因素对临界携垢流量的影响，并对海上T-C1井临界携垢流量进行了预测。结果表明：气井井筒临界携垢流量随着温度的下降而减小，随着压力的增加而变大，随着颗粒直径的增大而增大，随着油管直径的增加而变大；T-C1井中100μm垢物颗粒的临界携垢流量为10.2×10⁴ m³/d,当实际产量略低于临界携垢流量时，井筒会积聚垢物颗粒，导致产量持续下降，从而进一步加剧垢物积聚，造成气井很快出现停喷现象，预测结果与实际生产和作业情况相符。可见基于气固两相流理论建立的气井井筒临界携垢流量计算方法准确、可靠。所得结论可为优化气井防垢措施提供一定的理论依据。     

高黏度流体垂直井筒携砂临界流速实验与计算

生产实践证明适度出砂开采稠油能够有效增加油井产能,高黏度流体在井筒内携砂临界流速的确定是稠油适度出砂生产设计的关键参数之一。结合调研文献资料,考虑砂粒形状、砂粒浓度和器壁干涉等因素影响后,给出了适用于高黏流体计算砂粒沉降速度的砂粒器壁干涉沉降速度经验公式,采用垂直井筒携砂模拟实验装置进行实验,静态沉降实验得出了砂粒形状校正系数,高黏流体携砂临界流速实验测得实际携砂临界流速,拟合砂粒器壁干涉沉降速度和携砂临界流速,得出高黏流体携带不同粒径砂粒的临界流速计算式。结果表明,砂粒器壁干涉沉降速度与携砂临界流速基本上呈线性关系;黏度越大,砂粒器壁干涉沉降速度与其携砂临界流速值越接近。     

冲砂泡沫流体室内携砂规律研究

为了解冲砂泡沫流体的携砂规律,在自制的试验装置上研究了冲砂时间与砂面高度的关系以及井筒倾角和砂粒直径对携砂率和停留时间的影响。试验结果表明,砂面高度首先快速下降,然后缓慢下降直至趋于平缓;直径小于0.5 mm的砂粒在泡沫中携砂率大于90%,此时井筒倾角对携砂率和停留时间基本没有影响;直径1.0～1.5 mm的砂粒,携砂率随倾角的增大先减小后增大,停留时间随倾角的增大而缩短,倾角在45°～60°时携砂率最小。对于相同的倾角,砂粒直径越大,携砂率越低且停留时间越长。垂直井筒中砂粒以均匀悬浮方式随泡沫流体一起运移;倾斜井筒中砂粒以跳跃方式运移,且明显滑向较低一侧。     

苏里格气田压裂井合理配产研究

苏里格气田部分压裂井在生产中因配产不合理,出现了大量出砂、井筒积液、水淹停产、产量和压力下降快等现象,很大程度上影响了气井的生产效果。结合问题症结及气田实际生产情况,有针对性地对临界携砂产量、临界携液产量进行了定量研究,同时考虑延长气井稳产时间,综合多项条件确定了合理配产量,为类似苏里格“四低”气田高效开发提供了有益的借鉴。图2表3参5     

低渗气田压裂气井合理产量的确定

低渗透气藏如果压裂后配产不合理,将导致出砂、裂缝闭合等不利情况,达不到增产的目的。综合考虑影响低渗压裂气井出砂产量的各方面因素,运用质点动力学的方法,建立了裂缝中存在压裂砂情况下的临界气流速度公式,只要气井产量小于该临界产量就不会破坏裂缝中的支撑砂粒,能使裂缝保持长期的有效性。得出裂缝宽度、裂缝高度、支撑剂砂粒直径、支撑剂砂粒密度及气体密度是影响压裂气井产量的因素。研究了保持压裂裂缝导流能力的最大生产产量的确定方法,能使裂缝保持长期的有效性,为矿场的合理生产奠定基础。通过对Cq气田某井的计算分析,表明所建立的模型是正确合理的。     

海上气田水平井井筒携砂机理研究

南海西部海域S1气田稳定生产十余年后,由于地层压力衰竭、井下筛管腐蚀、生产制度波动等因素导致多口井普遍存在出砂现象,由于出砂造成油嘴及管线冲蚀严重,给地面安全生产带来重大隐患,只能通过调节油嘴大小以减轻出砂,这就导致气田产量大幅下降,很大程度上限制了气田的高效开发;出砂也会造成产层段砂埋,导致气井产能下降,为了进一步明确井筒出砂情况,开展井筒携砂机理研究。S1气田属于疏松砂岩储层,气藏由于埋藏较浅、岩石胶结性差,并且粘土和杂基质含量高,使得这类气藏在开采过程中容易出砂。地面能否监测到出砂,主要取决于井筒流体的携砂能力。文章中基于理论与实验研究了砂粒在水平井段以及垂直井段的沉降流动规律,该研究最终可确定砂粒在井筒中处于沉降、悬浮或上升的临界条件,对于S1气田在不产水或低产水条件下,临界携砂条件为产气量5~8×10~4m~3/d,此临界条件可为气井是否出砂提供判断依据,对于保障地面安全生产有重要意义。     

裂缝性致密砂岩气藏出砂原因及对产气量的影响——以塔里木盆地克深气田为例

为了解决塔里木盆地克深气田面临的气井出砂问题,从储层改造方式、裂缝壁面上岩石颗粒脱落条件、产气量及井筒完整性等4个方面分析了该气田气井出砂的原因,并基于井筒内砂粒受力分析,建立气井临界携砂产气量计算公式,进而研究气藏出砂对产气量的影响。在此基础上,针对气井出砂的不同阶段提出了相应的治砂对策。研究结果表明:(1)引起裂缝性致密砂岩气藏出砂的原因包括储层裂缝发育、储层改造规模大、产气量高及井筒完整性差等方面,其中储层裂缝发育和产气量高是主要的出砂原因;(2)对于无游离砂的情况,当气井产气量大于21.2×10~4m~3/d时,近井区域裂缝壁面的砂粒逐渐脱落;(3)对于存在游离砂的情况,当气井产气量大于9.4×10~4m~3/d时,近井区域裂缝壁面砂粒逐渐脱落;(4)井口及井底积砂是影响气井产气量的关键因素,在出砂早期阶段井口积砂是导致产气量降低的主要因素,在出砂中后期阶段井底积砂是导致产气量降低的主要因素;(5)克深气田出砂临界产气量较低,临界携砂产气量相对较高,及时排砂以避免井筒大规模积砂是治理该类气藏出砂的关键。结论认为,该研究成果可以为裂缝性致密砂岩气藏治理出砂问题提供借鉴。     

出砂气井携砂产能研究

疏松砂岩气藏在开采过程中容易出砂,采取完全防砂的方式进行开采,既增加了气井的成本,又降低了气藏的开发速度.为此,提出疏松砂岩气藏采取允许地层适量出砂的开采方式.通过对井筒中固体颗粒的受力分析,建立了颗粒的力学平衡方程,并由此得到了气井携砂的临界产量公式.经过实例分析证明,所推导的临界携砂产量公式较为准确和适用.     

气井连续携液临界产量的计算方法

针对产水气井的实际生产状况，运用流体力学相关理论，对气井连续携液临界产量的计算方法进行了深入研究，分别提出了高气液比携液临界产量模型和低气液比携液临界产量模型。在高气液比携液临界产量模型中，液滴存在形式为圆球形，模型推导中充分考虑了井筒内流动状态的变化，采用与Turner经典液滴模型相同的力学分析方法，得到了针对不同雷诺数范围的临界产量计算公式，使经典液滴模型在理论上更加完善。在低气液比携液临界产量模型中，以Hagedorn和Brown井筒压力计算方法为基础，定义了理论持液率、实际持液率的概念和计算方法，并通过整个井筒内理论和实际持液率的对比来确定低气液比条件下气井连续携液临界产量，解决了低气液比条件下携液临界产量的确定方法问题。现场应用结果表明，这种方法能准确预测气井连续携液的临界产量，对气井合理生产制度的制定有一定的指导意义。     

气井井筒携液模型研究与应用

在气井生产过程中,当气井的产气量小于气井井筒携液的临界产量时,液体就会在井底聚集,从而增加对气层的回压,尤其在低压井中,井筒积液易造成气井停产。20世纪以来,气井临界携液模型有很多,常用的Turner模型、Minli模型,但是都忽略了在气井生产过程中,液体在井筒中所受到的上下表面的压差力。在考虑了液体在井筒中所受到上下表面压差力的基础上,提出了一个新的井筒临界携液模型。从理论上看,该模型计算的最小携液速度和产量比Turner模型、Minli模型计算的要小很多,同时结合实例分析可知运用新模型计算的井筒积液时间更符合于实际生产积液时间,也验证了模型的可行性,从而能更好地指导气田开发。     

不同产能气井携液能力的定量分析

在老气田的生产开发过程中,井筒积液是一个非常严重的问题。为了保证气井不产生积液,国内外很多学者对气井的最小携液流量都进行了研究,建立了一系列的数学模型,但对气井产量大于临界流量时其液体能否被携带至地面的问题尚未深入探讨。为此,在井筒积液水力学分析的基础上,运用多相流理论,从垂直管柱内环雾流的动量方程出发,建立了气井最大携液量计算的数学模型,并利用VB软件实现了对该模型的求解。分析和计算结果表明：在气井产量大于最小临界携液流量的条件下,不是所有的液体都能够被携带至井口,而是存在一个最大的临界携液量。该临界携液量随着井口压力的减小而增大,随着管径的增大而减小。因此,应用气井临界携液量资料可以分析井筒积液,从而确定气井实施排水采气工艺的时机。这对于气井的稳定生产具有重要的支撑和指导作用。     

垂直井简低黏度液流最小携砂速度研究

油气井出砂开采或储层出砂后的垂直井筒最小携砂速度是井筒携砂的重要设计参数,一般的方法是对颗粒自由沉降末速附加一个固定的修正系数.基于理论和试验分析,用颗粒的等沉降速度当量直径取代了等体积当量直径,进而利用沉降试验解决了颗粒的形状系数测定问题,并通过携砂试验得到了埕北地区东营组油藏砂粒的最小携砂速度计算公式.研究结果表明,在低黏度流体中最小携砂速度的修正系数随颗粒直径减小而增加,在携砂试验条件下其变化范围为1.45～2.90.研究成果可用于计算垂直井筒内低浓度砂粒无淤塞的最低携砂流速,对于解决其他地质区块和微小颗粒的垂直井筒携砂问题具有借鉴意义.     

气井携液临界流速公式的推导及影响因素分析

气井开始积液时,井筒内气体的最低流速称为气井携液临界流速,对应的流量称为气井携液临界流量.曳力系数是推导临界流速公式的重要参数,本文引用西南石油学院彭朝阳推导出的临界流速公式进行计算,经过实验验证,此公式更能较为准确地预测气井积液情况.根据所引用的临界流速公式,对某气井进行分析表明:在不改变气液的表面张力和天然气相对密度,并同时增大温度和压力的情况下,天然气的压缩系数及气体的密度会发生变化,随着温度和压力的增加,气体的临界流速增大,而临界流量随之减小.为了保证该气井能够连续携液生产,将井底的积液完全排出井口,气井在生产过程中的产气量应大于井口的临界流量.     

应用人工神经网络方法预测气井积液

气井井筒积液对天然气的开采影响极大,准确地计算气井临界流量对气井开发至关重要。气井携液临界流量理论计算模型主要有液滴模型和携液率模型,然而在实际计算过程中往往会出现计算结果偏差大、不能满足工程需要等问题。文中提出一种应用人工神经网络方法预测井筒积液的新模型,该模型充分利用了气井现有的生产测试数据,简化了大量复杂的机理研究,具有更广泛的实用性。生产井的计算结果表明,应用神经网络模型预测气井积液的成功率较高,可以用来判断气井积液。     

积液倒灌和水锁效应对气井生产的危害

目前国内绝大部分气井在生产过程中析出凝析水或产生地层水,气井产量达不到临界携液流量,致使气井产生不同程度的井底积液。随着气田的开发和天然气的不断采出,地层压力逐渐降低,生产气井在关井过程中的积液倒灌和水锁效应问题显得尤为突出。以大牛地气田为例,分析了生产气井关井过程中井筒压力、井底气体流量的变化规律,阐述了产生积液倒灌和水锁效应的原因和对地层的伤害,提出了相应的预防措施,对改善低渗透气藏的开发效果具有重要意义。