大产液量水平气井不同气举方式气液两相流研究

幸雪松， 陈欢*， 于继飞， 范白涛， 伍正华

(1.中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028； 2.海洋石油高效开发国家重点实验室， 北京 100028； 3.中国石油天然气股份有限公司吐哈油田分公司， 吐鲁番 838000)

随着开发的不断深入，大部分油气田都已经进入生产中后期，地层压力逐渐下降，边底水活跃程度逐渐加剧，气井出现了不同程度的产液和积液现象，导致了单井产量迅速下降、生产时间缩短以及水淹停产等现象，严重影响了气田的开发进程。现阶段主要依靠泡排、气举、柱塞泵、涡轮、间歇开关井等助措施生产，一般采用气举进行排水采气，常规气举方式包括正举、反举两种，其中，反举是指通过油套环空注气，气液两相扰动发生在油管中；正举是指通过油管注气，气液从油套环空排出。然而针对水平井积液，采用气举排水采气应用效果好坏不一，主要原因在于生产过程中对不同气举方式下井筒多相流规律认识不清，无法选择适当的气举排水采气方式，也无法制定相配套的排采措施，气举过程中，合理选择气举方式，可缩短作业时间，提高气举效率[1-2]。

目前，中外诸多学者对油套环空多相流以及单油管多相流均开展了相关研究，但针对两种不同气举方式的多相流研究相对较少。Sadatomi等[3]在常温常压下以空气—水为实验介质，对外管内径D为30 mm，内管外径d为15 mm的垂直同心环空管的流型及转换进行了初步的研究；Caetano等[4-5]在实验压力分别为200～430 kPa和320～400 kPa条件下分别对空气-水和空气-煤油为实验介质，对垂直同心、偏心环空管的流型进行研究；Kelessidis等[6]以空气-水为工质，运用概率密度函数对导电探针的信号进行分析的方法对流型及转换进行了较为客观的鉴别，对流型的分类及描述与Caetano等[4-5]的研究结果基本相同；张军等[7-10]对垂直同心环形管内上升气液团状流向环状流的转换进行研究，根据气液两相动力学理论建立了垂直同心环形管内上升气液团状流向环状流的转换模型。刘永辉等[11]为了准确判断产水水平气井井筒流型、井筒压降、合理制定排水采气方案，搭建水平井气液流动模拟实验装置，绘制得到描述水平气井两相管流三维流型图，准确率达到90%。王勇飞等[12]在双流体模型的基础上，建立了密度波特征波速判定环空多相流流型转变的模型。李黔等[13]在常规气举反循环钻井技术的基础上,设计了一种环空注气气举反循环钻井新工艺。赵京梅等[14]利用管径为25.7 mm的水平管道，进行了油气水三相流动流型试验研究。

针对中外学者的研究现状，对于油套管环空多相流以及单油管多相流的研究已有部分成果，但对于单管和环空内的气液两相对比研究较少，因此需要开展不同气举方式下的多相管流实验研究。鉴于此，采取室内建立水平井实验装置，通过改变参数变量来模拟现场生产的生产状态，针对反举和正举两种气举方式，对井筒内流型变化、持液率变化及其影响因素进行分析，探索不同气举方式下的两相流动规律，为现场正反举方式的选择提供参考。

1 实验设计

1.1 实验设备

图1 多相流试验平台装置Fig.1 Multiphase flow test platform

本实验在大尺寸多相流模拟试验平台上进行，多相流试验平台装置图如图1所示。该平台主要由动力系统、管路系统、控制系统、储存系统、数据采集系统等组成。实验观测装置采用全井段可视化有机玻璃管进行试验，整个实验管段内径127.3 mm，垂直段油管内径为62 mm，长度12.0 m，空压机气体流量在0～5×104m3/d，液体流量范围0～500 m3/d，基本可以覆盖中外大部分油气田产量范围，能够满足水平井大液量和高产气量的实验要求。实验系统可以模拟不同含水率、不同黏度、不同温度、不同气液比条件下的油气水三相多相管流实验。

1.2 实验装置测量范围和实验方案

为确保实验的数据的可靠性，实验室中的实验设备均为高精度的仪器。各装置的测量参数和精度如表1所示。

具体实验操作步骤如下。

步骤1实验前检查设备以及管线的气密性及破损情况；准备实验所需介质，水与空气，确定实验值。

步骤2打开柱塞泵和阀的相应流量，通过控制系统来调节液体和气体的流量，从水箱输出的液体经过增压泵后会稳定，并与空气压缩机混合测量压缩气体进入测试管段部分。

步骤3当实验现象趋于稳定时，仔细观察气液分布。通过控制系统实时记录测试部分中气相的体积流量，温度，压力和压差。记录时间为3 min，获取数据。

步骤4记录数据后。通过安装在测试部分两端的快速截止阀关闭测试部分。液体滞留率通过快开阀方法确定。气体通过气液分离器分离后，管道中的液体返回到储罐进行循环。

表1 实验装置参数

步骤5通过改变气体和液体的流量，记录液体体积流量和气体体积流量的水平截面，以获得不同条件下的实验结果。

2 实验分析

2.1 大液量反举气液两相模拟实验

反举气液两相模拟实验主要通过环空注气，气液两相扰动发生在油管中，油套环空内无气液扰动，因此气液两相流动可以简化为单油管内的流动[15]，模拟实验采用中石油气举试验基地大尺寸多相流实验平台完成，具体的实验流程如图2所示。

实验流程图中，液相经液泵增压、稳压、计量再与压缩气体混合，经稳定器后进入测试管段，出口流出后经气液分离器分离气体后回到油水混合罐，实现实验介质的循环利用，由测试管段出来的气体直接排到大气中。

注气过程中的压力随着空压机波动，范围为0.7～0.9 MPa。反举实验倾角、气液流量的取值范围如表2所示。

图2 反举实验流程图Fig.2 Back gaslift experiment flow chart

表2 反举实验参数

2.1.1 油管内流型变化规律

在实验过程中，根据实时观察与利用高速摄影仪捕捉到管道中间稳定段的图像相结合对流型进行判断。以液量300 m3/d为例。通过分析不同流量条件下的流型可知，在相同液体流量条件下，随着气体流量增加，垂直管中依此出现的流型为：搅动流、环状流、环雾流，如图3所示。

图3 实验观察流型图Fig.3 Experimental observation flow pattern

2.1.2 油管内持液率变化规律

通过环空注入高压气体后，油管内持液率的变化规律如图4、图5所示。在同一液体流量条件下，随着注气量的增加，油管内持液率逐渐下降，主要原因是气体在油管内加剧了气液两相的流速和湍流频率，提高了气体的液体承载能力，随着注气量的增加，流型变为环状流，本身持液率较小，继续增加气量对持液率的影响也变小。由图5可以看出，相同注气气量条件下，随着液相流量的增加，液相流速增加，截面的液相含率增加，从而使得油管内持液率逐渐增加。

图4 固定液体流量不同气体流量下持液率变化曲线Fig.4 Change curves of liquid flow holdup under different gas flow rates

图5 固定气体流量不同液体流量下持液率变化曲线Fig.5 Change curve of liquid flow holdup under fixed gas flow and different liquid flow

图6 固定液体流量不同气体流量下压降变化曲线Fig.6 Pressure drop curves under fixed liquid flow and different gas flow

2.1.3 油管内压降变化规律

通过环空注入高压气体后，油管内压降变化规律如图6、图7所示。根据不同注气量、不同液体流量下油管内压降变化规律，在同一液体流量条件下，随着注气量的增加，油管内压降呈逐渐增大的趋势；随着后期气体流量的增加，井筒内压力损失逐渐降低并趋于稳定。

在同一注气量条件下，随着液体流量的增加，油管内压降呈逐渐增大的趋势。当液体流量≤150 m3/d时，随着注气量的增加，油管内压降差别不大；当液体流量>150 m3/d时，随着气体注气量的增加，油管内压降逐渐增大。

图7 固定气体流量不同液体流量下压降变化曲线Fig.7 Pressure drop curves under fixed gas flow and different liquid flow

图8 正举实验流程图Fig.8 Flow chart of forward gaslift experiment

2.2 大液量正举气液两相模拟实验

正举气液两相模拟实验主要通过从油管注入，气液从油套环空排出。因此，正举过程中气液两相流主要发生在油套环空内。正举模拟实验的实验装置流程图如图8所示。

实验装置油管与套管均为有机玻璃管，便于观测流型与持液率。液相经液泵增压、稳压、计量，气体经空压机压缩，经过干燥箱与储气罐稳定通过气液混合器进入测试管段，出口流出后经气液分离器分离气体后回到油水混合罐，实现实验介质的循环利用，由测试管段出来的气体直接排到大气中。

液相(自来水)经液泵增压、稳压、计量，气体经压缩机增压与压缩气体混合进入测试管段，通过实验管段后，最后经气液分离器分离气体后回到油水混合罐，实现实验介质的循环利用，由测试管段出来的气体直接排到大气中。

注气过程中的压力随着空压机波动，范围为0.7～0.9 MPa。正举实验倾角、气液流量的参数范围如表3所示。

表3 正举实验参数

2.2.1 油套环空内流型变化规律

在实验过程中，根据实时观察与利用高速摄影仪捕捉到的图像相结合对流型进行判断。以液体流量300 m3/d为例，通过分析不同流量条件下的流型可知，在相同液量条件下，随着气量增加，垂直管中依此出现的流型为：段塞流、搅动流、环状流，如图9所示。

图9 实验流型图Fig.9 Experimental flow diagram

2.2.2 油套环空持液率变化规律

通过油管注气，相同液体流量，不同气体流量条件下环空内持液率的变化如图10所示。可以看出，同一液体流量条件下，随着气体流量增加，持液率下降，且在气体流量小于10 000 m3/d持液率下降幅度较大，大于10 000 m3/d后持液率变化逐渐稳定。主要原因是注入气体后增大了气体携带液体能力，使得液相流速增加，从而使环形空间内截面的液相含率减小，整体变化规律与反举相同。

在相同的气体流量下，不同液量条件下环空内持液率的变化如图11所示。可以看出，与反举相同，同一气量条件下，随着液体流量的增加，环形空间内的持液率也增加。

图10 固定液体流量不同气体流量下持液率变化曲线Fig.10 Change curve of gas volume with liquid holdup under constant liquid volume

图11 固定气体流量不同液体流量下持液率变化曲线Fig.11 Change curve of liquid volume with liquid holdup under constant gas volume

2.2.3 井筒压降的变化规律

压降随气液流量的变化规律如图12、图13所示。可以看出，在同一液体流量条件下，压降随着气体流量的增加逐渐减小。气体流量小于6 000 m3/d时，压降随气体流量增加下降较快，气体流量大于6 000 m3/d小于20 000 m3/d时，压降的变化不大，当气体流量大于20 000 m3/d后，压降有上升趋势；在一定的气体体积下，随着液体流量的增加，气液两相以及与壁面之间的摩阻损失会导致压降增加。

图12 固定液体流量不同气体流量下压降变化曲线Fig.12 Change curve of gas volume with pressure drop under constant liquid volume

图13 固定气体流量不同液体流量下压降变化曲线Fig.13 Change curve of liquid volume with pressure drop at constant gas volume

2.3 水平井正、反举排液实验对比分析

2.3.1 正、反举持液率对比研究

固定液体流量(200、250、300 m3/d)，不同气举措施下井筒持液率随气体流量的变化对比如图14所示。可以看出，实验条件下，在气体、液体流量相同时，反举的持液率比正举的持液率小，主要原因是由于在相同气体、液体流量条件下，环空流域当量流动面积比油管流动面积大，因此，环空中的气体流速和液体流速均较小，使得气体两相滑脱较大。因此，导致在相同气液量条件下，反举的持液率比正举持液率小。

图14 正反举持液率对比Fig.14 Comparison of liquid holdup between normal and inverse air lift

2.3.2 正、反举井筒压降对比研究

选取固定液体流量(200、250、300 m3/d)，不同气举措施下井筒压降随气体流量的变化对比如图15所示。通过对比可以看出，不同举升方式下的压降随气体流量的增加呈不同的变化趋势，实验范围内，气体、液体流量相同时，反举的压降随气体流量的增加而增加，而正举时压降随着气体流量的增加先减小后稳定再增加。整体上看，反举时的井筒压降均比同工况下正举的压降大，主要原因是实验范围内的气液流量都比较大，导致气液流速均较大，此时摩阻压降起主导作用，而反举流体流动截面小，气液流速较正举更大，因此，气液两相间以及流体与壁面间产生的摩阻压降较正举大。

图15 正反举压降对比Fig.15 Comparison of pressure drop between normal and inverse air lift

3 结论

通过建立室内正举、反举精细模拟气液两相流动实验装置，以空气-水为实验介质，展开了不同注气方式条件下气液两相管流流动规律实验，得到以下结论。

(1)在相同气液流量条件下，由于持液率随气体流速的增加而减小，而环空流域的当量流动面积比油管流动面积大，环空中的气液流速小，因此，正举时的持液率比反举持液率大。

(2)在气体、液体流量相同时，反举的压降随气体流量的增加而增加，正举时压降随着气体流量的增加呈现先减小后稳定再增加的趋势，不同举升方式下的压降随气量的增加呈不同的变化趋势，液量较大时(200～300 m3/d)，由于摩阻损失的影响，反举时的井筒压降比同工况下正举的压降大。

综上，气体流速越大，携液能力越强，但能量损失也越大，因此，针对产水量较大，已经产生积液且有一定地层能量的水平气井，推荐采用反举的气举方式进行排水采气。