一种基于井筒模型的天然气井口流量计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于井筒模型的天然气井口流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)计算生产井井口的产出物在流动过程中的物性参数；2)将井筒按倾角和长度划分网格形成若干管段；3)设定井筒出口压力和井筒出口温度误差范围；4)预测井筒质量流量范围，设定初始的质量流量迭代值；5)设定每一管段的下游压力，对已建立的井筒的热力模型和水力模型进行求解，迭代计算得到井筒出口温度和井筒平均持液率；6)对计算的井筒出口温度与实际测量的井筒出口温度进行误差检验；7)得到天然气生产井井口产出物中油、气和水各自的质量流量；8)将油、气和水的质量流量转化为标况下的体积流量，本发明专利技术可广泛用于海上或沙漠天然气开采行业领域中。

A wellbore gas flow calculation method based on wellbore model

The invention relates to a wellbore flow calculation method based on the wellbore model, which is characterized by the following steps: 1) calculating the physical parameters of the output of the wellhead in the production well during the flow process; 2) the wellbore is divided into several pipe segments according to the angle and length of the wellbore, and 3) the wellbore outlet pressure and the wellbore outlet temperature are set. The error range; 4) forecast the wellbore mass flow range, set the initial mass flow iteration value; 5) set the downstream pressure of each tube section, solve the established wellbore thermal model and hydraulic model, iteratively calculate the wellbore outlet temperature and the wellbore average liquid holdup rate; 6) the calculation of the wellbore outlet temperature and reality. The measured output temperature of the wellbore is measured by error; 7) the mass flow of oil, gas and water in the production well of the gas production well is obtained; 8) the mass flow of oil, gas and water is converted into the volume flow under the condition of the standard, and the invention can be widely used in the field of offshore or desert natural gas mining industry.

【技术实现步骤摘要】
一种基于井筒模型的天然气井口流量计算方法
本专利技术是关于一种基于井筒模型的天然气井口流量计算方法，属于流体计算领域。
技术介绍
随着油气田开发不断向深水及沙漠等无人区迈进，对于油气集输系统而言新的问题不断出现，在传统的石油天然气工业中，为了简单高效实时地测量油井的产油、产气量和含水量，通常在每口井上安装一台多相流量计。然而，在水下及无人值守的生产工艺诞生之后，传统的计量技术面临诸多新的问题，如果选择在水下或沙漠深处的生产系统中安装传统的多相流量计进行计量，该多相流量计不仅存在费用昂贵的问题，在深海或沙漠深处的条件下还存在日常的标定及维护困难的问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种费用低廉且能够方便在深海或沙漠深处的日常标定及维护的基于井筒模型的天然气井口流量计算方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于井筒模型的天然气井口流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：根据实际天然气生产井井筒的结构，建立天然气组份模型，并计算得到各压力和温度条件下生产井井口的产出物在流动过程中的物性参数；步骤2)：将井筒按照倾角和长度划分网格形成若干管段，并假设每一管段各截面处的质量流量相等；步骤3)：设定井筒出口压力和井筒出口温度的误差范围；步骤4)：根据实际测量的井筒入口温度、井筒入口压力、井筒出口温度和井筒出口压力，预测井筒的质量流量范围，并将该质量流量范围中的最低质量流量和最高质量流量的均值设定为初始的质量流量迭代值；步骤5)：设定每一管段的下游压力，根据物性参数、实际测量的井筒入口压力和井筒入口温度以及预设的管段下游压力、质量流量的迭代值和井筒出口压力的误差范围，自井筒上游至下游逐段推进，对已建立的井筒的热力模型和水力模型进行求解，迭代计算得到井筒出口温度和井筒平均持液率；步骤6)：根据预设的井筒出口温度误差范围，对计算的井筒出口温度与实际测量的井筒出口温度进行误差检验，若满足误差检验，则确定初始的质量流量迭代值为所求的气液混合质量流量，进入步骤7)；若不满足误差检验，则重新设定质量流量的迭代值，进入所述步骤5)；步骤7)：根据天然气组份模型以及计算的井筒平均持液率，将得到的气液混合质量流量进行拆分得到天然气生产井井口产出物中油、气和水各自的质量流量；步骤8)：将得到的油、气和水的质量流量分别转化为标况下的体积流量，完成天然气生产井井口产出物的流量计算。进一步，在进行所述步骤1)～8)的天然气井口流量计算前，建立井筒的热力模型和水力模型，其中，水力模型包括持液率模型和压降模型，具体过程为：A)建立井筒的热力模型对于每一管段，将气相和液相视为整体，通过混合能量方程描述热力过程，并在混合能量方程的基础上进一步简化得到温降的简化解析解，在稳态流动的假设下不考虑摩擦力做功，建立稳态的混合能量方程：式中，hm为气液混合物焓值；T为温度；P为压力；x为管段轴向；q为漏热量；g为重力加速度；θ为管段与水平面的夹角，在混合能量方程中：式中，U为总传热系数；D0为管段外径；Te为环境温度；Wm为井筒的气液混合质量流量即质量流量的迭代值；气液混合物的定压质量比热容cpm和气液混合物的Joule-Thomson效应系数αhm分别为：热力学参量的循环关系为：将公式(2)～(5)代入混合能量方程(1)中得到：将公式(6)整理后得到热力模型：式中，参数B)建立井筒的水力模型a)建立井筒的持液率模型假设气液相界面为平面，且气液相处于受力平衡状态，建立动量方程组：式中，Ag为管段中气相所占的流通截面积；Al为管段中液相所占的流通截面积；τwg为管段中气相与壁面的剪切力；τwl为管段中液相与壁面的剪切力；τi为管段中气液相界面的剪切力；Sg为管段中气相的湿周长度；Si管段中气液相界面的湿周长度；Sl为管段中液相的湿周长度；ρg为管段中气相的密度；ρl为管段中液相的密度；将动量方程组消去压力梯度整理后得到联合动量方程即持液率模型：b)建立井筒的压降模型将动量方程组中的两动量方程相加得到井筒的压降模型：进一步，所述步骤4)中井筒的质量流量范围采用IPR方程，根据实际测量的井筒入口温度、井筒入口压力、井筒出口温度和井筒出口压力得到。进一步，所述步骤5)中设定每一管段的下游压力，根据物性参数、实际测量的井筒入口压力和井筒入口温度以及预设的管段下游压力、质量流量的迭代值和井筒出口压力的误差范围，自井筒上游至下游逐段推进，对已建立的井筒的热力模型和水力模型进行求解，迭代计算得到井筒出口温度和井筒平均持液率，具体过程为：步骤5.1)：设定管段的下游压力，根据物性参数、实际测量的井筒入口压力和井筒入口温度以及预设的管段下游压力和质量流量的迭代值，对已建立的井筒的热力模型进行求解，计算得到管段的下游温度Ti：式中，Ti-1为该管段的上游温度即上一管段的下游温度，且井筒入口处管段的上游温度和上游压力即为实际测量的井筒入口温度和井筒入口温度；步骤5.2)：根据管段的分层流几何关系，对已建立的井筒的持液率模型进行求解，计算得到该管段的当量液面高度和平均持液率；步骤5.3)：根据管段的分层流几何关系、摩阻封闭关系和得到的当量液面高度，对已建立的井筒的压降模型进行求解，计算得到该管段的下游压力；步骤5.4)：重复所述步骤5.1)～5.3)，自井筒上游至下游逐段推进，迭代求解得到井筒中每一管段的下游温度、下游压力和平均持液率，其中，最后一次预设的管段下游压力为实际测量的井筒出口压力；步骤5.5)：根据预设的井筒出口压力误差范围，对最后一次迭代得到的下游压力与最后一次预设的管段下游压力进行误差检验，若满足误差检验，则将最后一次迭代得到的下游温度、下游压力以及平均持液率视为井筒出口温度、井筒出口压力和井筒平均持液率，进入所述步骤6)；若不满足误差检验，则重新设定管段的下游压力，进入所述步骤5.1)。进一步，所述步骤5.2)中管段的分层流几何关系包括：管段中液相的体积含率与当量液面高度的几何关系：式中，γ为管段中分层流液相所对应的圆心角；hl为管段中液相的液位高度；d为管段内径；αl为管段中液相的体积含率即管段的平均持液率；管段中气相和液相的湿周长度与当量液面高度的几何关系：管段中气相和液相所占流通截面积与当量液面高度的几何关系：式中，A为管段中气相和液相的总流通截面积；管段中气相和液相水力直径的几何关系：式中，dl为管段中液相的水力直径；dg为管段中气相的水力直径。进一步，所述步骤5.3)中管段的摩阻封闭关系为：通过范宁公式计算气液相、管壁以及气液相之间的范宁摩阻系数：式中，fg为管段中气相的范宁摩阻系数；fl为管段中液相的范宁摩阻系数；fi为管段中气液相界面的范宁摩阻系数；vg为管段中气相的速度；vl为管段中液相的速度；管段中气液相界面的范宁摩阻系数fi在层流时采用Hagen-Poiseill相关式进行计算，即：式中，Rei为管段中气液相界面的雷诺数，且Rei＞2300；管段中气液相界面的范宁摩阻系数fi在湍流时采用Colebrook-White相关式进行计算，即：式中，di为管段中气液相界面的水力直径，且Rei≤2300；对于管段中气液相界面的范宁摩阻系数fi，认为其与管段中气相的范宁摩阻系数相同fg。进一步，所述步骤6)中根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于井筒模型的天然气井口流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：根据实际天然气生产井井筒的结构，建立天然气组份模型，并计算得到各压力和温度条件下生产井井口的产出物在流动过程中的物性参数；步骤2)：将井筒按照倾角和长度划分网格形成若干管段，并假设每一管段各截面处的质量流量相等；步骤3)：设定井筒出口压力和井筒出口温度的误差范围；步骤4)：根据实际测量的井筒入口温度、井筒入口压力、井筒出口温度和井筒出口压力，预测井筒的质量流量范围，并将该质量流量范围中的最低质量流量和最高质量流量的均值设定为初始的质量流量迭代值；步骤5)：设定每一管段的下游压力，根据物性参数、实际测量的井筒入口压力和井筒入口温度以及预设的管段下游压力、质量流量的迭代值和井筒出口压力的误差范围，自井筒上游至下游逐段推进，对已建立的井筒的热力模型和水力模型进行求解，迭代计算得到井筒出口温度和井筒平均持液率；步骤6)：根据预设的井筒出口温度误差范围，对计算的井筒出口温度与实际测量的井筒出口温度进行误差检验，若满足误差检验，则确定初始的质量流量迭代值为所求的气液混合质量流量，进入步骤7)；若不满足误差检验，则重新设定质量流量的迭代值，进入所述步骤5)；步骤7)：根据天然气组份模型以及计算的井筒平均持液率，将得到的气液混合质量流量进行拆分得到天然气生产井井口产出物中油、气和水各自的质量流量；步骤8)：将得到的油、气和水的质量流量分别转化为标况下的体积流量，完成天然气生产井井口产出物的流量计算。...

【技术特征摘要】
1.一种基于井筒模型的天然气井口流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：根据实际天然气生产井井筒的结构，建立天然气组份模型，并计算得到各压力和温度条件下生产井井口的产出物在流动过程中的物性参数；步骤2)：将井筒按照倾角和长度划分网格形成若干管段，并假设每一管段各截面处的质量流量相等；步骤3)：设定井筒出口压力和井筒出口温度的误差范围；步骤4)：根据实际测量的井筒入口温度、井筒入口压力、井筒出口温度和井筒出口压力，预测井筒的质量流量范围，并将该质量流量范围中的最低质量流量和最高质量流量的均值设定为初始的质量流量迭代值；步骤5)：设定每一管段的下游压力，根据物性参数、实际测量的井筒入口压力和井筒入口温度以及预设的管段下游压力、质量流量的迭代值和井筒出口压力的误差范围，自井筒上游至下游逐段推进，对已建立的井筒的热力模型和水力模型进行求解，迭代计算得到井筒出口温度和井筒平均持液率；步骤6)：根据预设的井筒出口温度误差范围，对计算的井筒出口温度与实际测量的井筒出口温度进行误差检验，若满足误差检验，则确定初始的质量流量迭代值为所求的气液混合质量流量，进入步骤7)；若不满足误差检验，则重新设定质量流量的迭代值，进入所述步骤5)；步骤7)：根据天然气组份模型以及计算的井筒平均持液率，将得到的气液混合质量流量进行拆分得到天然气生产井井口产出物中油、气和水各自的质量流量；步骤8)：将得到的油、气和水的质量流量分别转化为标况下的体积流量，完成天然气生产井井口产出物的流量计算。2.如权利要求1所述的一种基于井筒模型的天然气井口流量计算方法，其特征在于，在进行所述步骤1)～8)的天然气井口流量计算前，建立井筒的热力模型和水力模型，其中，水力模型包括持液率模型和压降模型，具体过程为：A)建立井筒的热力模型对于每一管段，将气相和液相视为整体，通过混合能量方程描述热力过程，并在混合能量方程的基础上进一步简化得到温降的简化解析解，在稳态流动的假设下不考虑摩擦力做功，建立稳态的混合能量方程：式中，hm为气液混合物焓值；T为温度；P为压力；x为管段轴向；q为漏热量；g为重力加速度；θ为管段与水平面的夹角，在混合能量方程中：式中，U为总传热系数；D0为管段外径；Te为环境温度；Wm为井筒的气液混合质量流量即质量流量的迭代值；气液混合物的定压质量比热容cpm和气液混合物的Joule-Thomson效应系数αhm分别为：热力学参量的循环关系为：将公式(2)～(5)代入混合能量方程(1)中得到：将公式(6)整理后得到热力模型：式中，参数B)建立井筒的水力模型a)建立井筒的持液率模型假设气液相界面为平面，且气液相处于受力平衡状态，建立动量方程组：式中，Ag为管段中气相所占的流通截面积；Al为管段中液相所占的流通截面积；τwg为管段中气相与壁面的剪切力；τwl为管段中液相与壁面的剪切力；τi为管段中气液相界面的剪切力；Sg为管段中气相的湿周长度；Si管段中气液相界面的湿周长度；Sl为管段中液相的湿周长度；ρg为管段中气相的密度；ρl为管段中液相的密度；将动量方程组消去压力梯度整理后得到联合动量方程即持液率模型：b)建立井筒的压降模型将动量方程组中的两动量方程相加得到井筒的压降模型：3.如权利要求1所述的一种基于井筒模型的天然气井口流量计算方法，其特征在于，所述步骤4)中井筒的质量流量范围采用IPR方程，根据实际测量的井筒入口温度、井筒入口压力、井筒出口温度和井筒出口压力得到。4.如权利要求2所述的一种基于井筒模型的天然气井口流量计算方法，其特征在于，所述步骤5)中设定每一管段的下游压力，根据物性参数、实际测量的井筒入口压力和井筒入口温度以及预设的管段下游压力、质量流量的迭代值和井筒出口压力的误差范围，自井筒上游至下游逐段推进，对已建立的井筒的热力模型和水力模型进行求解，迭代计算得到井筒出口温度和井筒平均持液率，具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李清平，王珏，宫敬，吴海浩，程兵，姚海元，庞维新，王清，
申请(专利权)人：中国海洋石油集团有限公司，中海油研究总院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11