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。
摘要:水平井已廣泛應用于油氣開(kāi)采中，在開(kāi)發(fā)底水油藏、薄層油氣藏等較直井有明顯的優(yōu)勢。在油氣田開(kāi)發(fā)中后期，常出現多相流動(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別。水平井地層兩相滲流、井筒內兩相變質(zhì)量流動(dòng)的分析理論與方法是水平井產(chǎn)能預測、水平井段長(cháng)度優(yōu)化的基礎。國內外有較多的學(xué)者進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究，了解該領(lǐng)域的研究進(jìn)展對深入研究和發(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。隨著(zhù)含水油氣田的不斷開(kāi)發(fā)，尤其是在氣田的開(kāi)采中后期，氣井產(chǎn)水的情況較為常見(jiàn)，此時(shí)的地層和井筒則變?yōu)槎嘞嗔�，井的產(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。當前，國內外針對水平井單相流動(dòng)的研究理論較為成熟，而針對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狀做了全面的評述，這為在該領(lǐng)域更進(jìn)一步的研究奠定了一定的基礎。
2 水平井兩相流動(dòng)實(shí)驗研究
水平井兩相流動(dòng)包含氣水、油氣、油水三方面的內容，以實(shí)驗為基礎的研究方法主要針對水平井地層兩相微觀(guān)滲流機理，通過(guò)實(shí)驗模擬地層及水平井筒條件下兩相滲流的微觀(guān)機理，掌握地層兩相滲流微觀(guān)特征。目前國內外有一些學(xué)者對水平井筒兩相流動(dòng)做了實(shí)驗研究，但很少關(guān)于水平井地層兩相流動(dòng)實(shí)驗的論文。
周生田等[7-8](1998)通過(guò)建立水平井筒變質(zhì)量流體流動(dòng)的模擬實(shí)驗裝置，對水平井變質(zhì)量流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗研究，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，對于一定的孔眼流速，隨著(zhù)主流流速的增加，加速損失及混合損失也相應增加。單孔眼段內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)設計并建立了水平井筒流體流動(dòng)模擬實(shí)驗裝置，在軸向為氣液兩相流動(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)驗研究，共進(jìn)行了304組分散泡狀流實(shí)驗，測得包括壓降、管道和流量計當地壓力、溫度、流型、入口氣相和液相流量、管壁液相流量在內的共2432個(gè)實(shí)驗數據，驗證了計算模型的正確性。吳寧等[10](2004)在常規水平管道間歇流動(dòng)壓降分析的基礎上，對氣、液兩相分別應用質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，考慮管壁入流或出流對壓降的影響，得到一種新的水平井筒間歇流流型壓降計算方法。
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西橢球三維滲流數學(xué)模型。并運用特征線(xiàn)法和有限差分法求解，得到了含油飽和度分布和活動(dòng)邊界的變化規律。為水平井注水開(kāi)發(fā)低滲油田數值模擬研究奠定了基礎。宋付權等 (2002)從Buckley-Leverret不混溶兩相滲流驅替理論出發(fā)，考慮啟動(dòng)壓力梯度的影響，對水平井兩相滲流進(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，在遠離井筒的地方用數值差分求解的思想。鄧英爾等在郭大力研究的基礎上建立了在水平井開(kāi)發(fā)的各向異性雙重介質(zhì)油藏中油水兩相滲流數學(xué)模：
作者用有限差分法求得了其解。并通過(guò)實(shí)例計算表明：滲透率較大的方向，前緣推進(jìn)速度較快，油井見(jiàn)水較早;吸滲使前緣推進(jìn)速度減慢，使油井見(jiàn)水晚。趙春森等[16](2005)根據擬三維原理，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(wèn)題。采用保角變換，將XY平面二維兩相復雜滲流問(wèn)題轉化為一維兩相問(wèn)題求解，從而確定出水平井在油水兩相流條件下XY平面內的滲流阻力，根據各部分的滲流阻力，確定出水平井的產(chǎn)液速度和無(wú)因次產(chǎn)液速度等各類(lèi)參數，該理論的建立為水平井整體注水開(kāi)發(fā)油田的動(dòng)態(tài)分析和預測提供了依據。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態(tài)產(chǎn)能公式。通過(guò)實(shí)例計算結果表明，水平井日產(chǎn)油量與水平井段長(cháng)度呈線(xiàn)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)性越強水平井日產(chǎn)油量越小，水平段越長(cháng)，日產(chǎn)油量受油藏非均質(zhì)性影響越嚴重。
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)規律是水平井產(chǎn)能預測及生產(chǎn)系統設計與動(dòng)態(tài)分析的基礎，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雜，國外對此開(kāi)展過(guò)較多的研究。目前，在水平段井筒的流動(dòng)規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)水平段井筒壓降計算模型。
4.1 水平井兩相流流型判別理論吳寧等根據波的迅速成長(cháng)機理，在Taitel和Dukler的研究基礎上，得到水平井筒分層流向非分層流轉變的判別方法;通過(guò)對分散氣泡進(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變的判別方法。吳寧等[23]人通過(guò)對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變的判別方法。
并分別應用氣、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算方法。并認為在分散泡狀流中，每個(gè)單獨的氣泡上存在三個(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)驗兩方面對水平井筒氣液兩相變質(zhì)量流的流型判別與壓降計算進(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算模型，并繪制了流型圖。國外學(xué)者TAITEL等和A.SKaya等建立了判斷流型的數學(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)，應用數值模擬的方法更精確地預測水平井產(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(cháng)度生產(chǎn)指數為常數的假定進(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(guò)對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算方法。
作者根據連續性方程和動(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，并結合實(shí)例證明了蛇曲井不能用常規水平井壓降模型計算壓降。孫福街等[32]人在在混合損失計算模型的基礎上，應用動(dòng)量守恒原理推導出了新的水平井筒氣液兩相分層流型壓降計算模型。該模型較全面地考慮了井筒流動(dòng)各方面的參數，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)例計算結果表明，管壁入流量越大，井筒壓降越大，且井筒壓降的增長(cháng)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(guò)把不規則斜井近似為規則斜井，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)井井底流壓計算公式。利用Cullender和Smith計算方法求解，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)理論與方法對于垂直管流，在20世紀80年代以前，主要有經(jīng)驗或半經(jīng)驗方法，如Duns-Ros方法、Hagedorn- Brown方法等。在20世紀80年代以后，人們加強了應用水動(dòng)力學(xué)方法研究各種流動(dòng)形態(tài)的物理機制。Taitel等從一種流型到另一種流型轉變發(fā)生的機理出發(fā)，解釋和預測了轉變條件，提出了描述流型轉變的物理模型。劉曉娟等根據目前的機理化模型存在流型預測界限不封閉、流型覆蓋不全的問(wèn)題，從多相流動(dòng)介質(zhì)的連續性出發(fā)進(jìn)行了流型劃分，建立了傾斜井筒流型轉變的物理模型，并修正了壓降計算模型。認為傾斜井筒氣液兩相流的流型應劃分為泡狀流、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上提供了一個(gè)更系統的、更綜合的適合于傾斜角度為0°到90°的井眼和管道計算模型。L.E.Gomez等把五種流型的判斷模型和壓降計算以及持液率的計算模型均進(jìn)行了推導。詹廷選等 (2007)總結出一種適宜現場(chǎng)應用的計算氣水同產(chǎn)井流壓的經(jīng)驗方法。該方法通過(guò)部分參數無(wú)因次化，統計分析得到計算流壓的經(jīng)驗式，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算流壓。
當前，國內外針對水平井斜井段和直井段的兩相流的文獻較多，但基本與上述分析方法類(lèi)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方法對該模型進(jìn)行求解。同時(shí)，將該模型應用于沁水盆地TL煤層氣井水氣運移、產(chǎn)出的模擬計算，通過(guò)歷史擬合，對影響該井水氣產(chǎn)量的主要參數進(jìn)行了識別和校正，預測了該井未來(lái)水氣產(chǎn)量動(dòng)態(tài)變化特征。蘇玉亮等[41] (2007)通過(guò)勢的理論研究油氣兩相穩定滲流問(wèn)題，在描述無(wú)界地層三維穩態(tài)勢基礎上，結合水平井上射孔孔眼在無(wú)界地層中產(chǎn)生的勢分布，建立了把油層中的滲流與水平井筒內的流動(dòng)耦合的數學(xué)模型，利用迭代的方法求解，實(shí)例計算表明水平井水平段的流量分布曲線(xiàn)成“凹”型，其壓力分布變化較為平緩。該模型為水平井的產(chǎn)能預測及水平井長(cháng)度的優(yōu)化提供了理論依據。
6 展望
水平井兩相滲流是一個(gè)較為復雜和困難的研究課題，而尤其氣水兩相流在氣田開(kāi)發(fā)中后期對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(lái)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(kāi)研究，而沒(méi)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(guò)耦合模擬才能揭示水平井水平段內的變質(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該在以下幾方面的研究有所突破：
(1)開(kāi)展水平井氣液兩相變質(zhì)量流動(dòng)機理研究，建立模型及優(yōu)化計算方法;
(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)的耦合模型和計算方法;
(3)開(kāi)展對水平井氣水兩相流的研究，為高效開(kāi)發(fā)含水氣田提供理論基礎;
(4)將解析法和數值方法相結合，求解水平井筒和地層耦合滲流的數學(xué)模型。
參考文獻
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