气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定方法、系统及设备技术方案

气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定方法、系统及设备，其方法采用相平衡理论的能量最小原理预测全井段不同井斜位置下的气液相分布，建立基于Kelvin

【技术实现步骤摘要】
气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定方法、系统及设备


[0001]本专利技术涉及天然气开采
，特别涉及一种气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定方法、系统及设备。

技术介绍

[0002]我国已投入开发的气田中产水气田占80％以上，井筒积液是产水气田开采过程中的常见现象，严重影响了气井的正常生产，极大增加了低孔、低渗、致密等复杂地质条件下的开发难度。同时，随钻井技术的进步，水平井、大斜度井等特殊井型的大量使用造成排水采气工艺不适应问题日益突出，给现有排水采气工艺带来了严峻挑战。准确预测气井全井段全生命周期临界携液流速及积液位置对判断气井积液状况、优选采气工艺、提高单井产量和采收率具有重要意义。
[0003]国内外学者针对气井积液问题开展了广泛的研究，并提出了气井携液临界流速预测的理论模型和半经验模型。一类是基于雾状流的液滴模型假设，认为气流中最大尺寸的液滴不发生滑落，则井底不积液。另一类是基于环状流的液膜模型假设，认为井筒内液膜逆流是导致气井积液的主要原因，若井筒内气体能将管壁液膜连续携至井口则井底不积液。理论和实验研究均表明液滴在倾斜井筒中不能稳定存在，且势必撞击井筒内壁并形成液膜，分离流是气井两相流动过程中的主要流型，该流型下的液膜逆流导致了气井积液。
[0004]受井身结构和复杂流体流动特征的影响，全井段气井携液机理更加复杂。理论和实验研究表明，分离流是倾斜井筒内气液两相流的主要流型之一，该流型下的液膜分布即气液相分布随井斜角的不同而发生变化，气液两相流的宏观结构即流型也呈现不同状态，从分层流向环状流转变，表现出明显的相不均匀性和流动结构多值性；同时，受气液相分布和界面波的影响，剪切应力分布也不同，表现出流动参数的多值性。但目前还没有综合考虑空间尺度上相不均匀性以及流动结构和参数的多值性的更加科学可靠的气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定方法。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提出一种气井全井斜全生命周期临界携液流速及积液位置预测方法、系统及设备，针对井底积液问题，采用相平衡理论的能量最小原理预测全井段不同井斜位置的气液相分布，建立基于Kelvin
‑
Helmholtz不稳定性理论并考虑井筒内气液相分布影响的相界面摩擦因子计算模型，同时基于气液相分布下液壁面和相界面剪切应力分布特性，闭合基于多相流动力学理论的双流体模型，最终实现气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定；新模型具有更科学、准确和可靠的优点。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种气井全井斜全生命周期临界携液流速及积液位置预测方法，采用相平衡理论
的能量最小原理预测全井段不同井斜位置的气液相分布，建立基于Kelvin
‑
Helmholtz不稳定性理论并考虑井筒内气液相分布影响的相界面摩擦因子计算模型，同时基于相分布下液壁面和相界面剪切应力分布特性，闭合基于多相流动力学理论的双流体模型，最终实现气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定。
[0008]一种气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定方法，包括如下步骤：
[0009]步骤S1：根据天然气组分、压力和温度等参数计算天然气的压缩因子、密度和动力粘度，并计算矿化水的密度、动力粘度和表面张力；
[0010]步骤S2：根据气井产气量和产液量，预测全井段沿井筒轴线不同井斜位置处最稳定的气液相分布结构，按照最稳定的气液相分布结构分别计算气壁面、液壁面和相界面湿周；
[0011]步骤S3：根据产气量，计算全井段不同井斜位置处的气壁面摩擦因子和气壁面剪切应力；
[0012]步骤S4：根据界面波动特性，计算全井段不同井斜位置处的相界面摩擦因子和相界面剪切应力；
[0013]步骤S5：根据气液相分布参数，计算全井段不同井斜位置处的液壁面摩擦因子和液壁面剪切应力；
[0014]步骤S6：根据步骤S2求解的全井段不同井斜位置处的气壁面、液壁面和相界面湿周，以及步骤S3～S5分别求解的全井段不同井斜位置处气壁面剪切应力、相界面剪切应力以及液壁面剪切应力，并基于多相流动力学理论的双流体模型，求解该产液量下，全井段不同井斜位置处实现连续携液所需的最小气速，即临界携液气速(m/s)，将其转化为临界携液流量(m3/d)，进行积液判定与积液位置预测。
[0015]所述步骤S2具体为：
[0016]步骤2.1：已知气井产气量和产液量，采用相平衡理论的能量最小原理预测全井段不同井斜位置处最小能量下(最稳定)的气液相分布，单位井筒长度气液两相系统的能量相对于初始水平气液相分布下能量的改变量采用下式计算：
[0017]ΔE
tot
＝ΔE
p
+ΔE
s
+ΔE
k,g
+ΔE
k,l
[0018]2.1.1)重力势能改变量表示为：
[0019]ΔE
p
＝(A
g
ρ
g
+A
l
ρ
l
)[g(Y
GPC
‑
Y
GP
)cosβ][0020][0021][0022]2.1.2)表面自由能改变量表示为：
[0023]ΔE
s
＝σ(ΔA
gw
cosα+ΔA
gl
)
[0024][0025][0026]2.1.3)气相动能改变量表示为：
[0027][0028][0029][0030]2.1.3a)对水平气液相分布：
[0031][0032]2.1.3b)对弯曲气液相分布：
[0033][0034]2.1.4)液相动能改变量表示为：
[0035][0036][0037]2.1.4a)对水平气液相分布：
[0038][0039]2.1.4b)对弯曲气液相分布：
[0040][0041]当系统能量最小时，满足：
[0042][0043]输出全井段不同井斜位置处最稳定的液相分布角和相界面弯曲角，分别表示为和
[0044]式中：ΔE
tot
表示单位管长气液两相系统的总能量改变量，J/m；ΔE
p
表示单位管长气液两相系统的重力势能改变量，J/m；ΔE
s
表示单位管长气液两相系统的表面自由能改变量，J/m；ΔE
k,g
表示单位管长气相的动量改变量，J/m；ΔE
k,l
表示单位管长液相的动量改变量，J/m；A
g
表示气相流动通道面积，m2；ρ
g
表示气相密度，kg/m3；A
l
表示液相流动通道面积，m2；ρ
l
表示液相密度，kg/m3；g表示重力加速度，m/s2；Y
GPC
表示弯曲相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气井全井斜全生命周期临界携液流速及积液位置预测方法，其特征在于，采用相平衡理论的能量最小原理预测全井段不同井斜位置下的气液相分布，建立基于Kelvin
‑
Helmholtz不稳定性理论并考虑井筒内气液相分布影响的相界面摩擦因子计算模型，同时基于气液相分布下液壁面和相界面剪切应力分布特性，闭合基于多相流动力学理论的双流体模型，最终实现气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定。2.根据权利要求1所述的一种气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：根据天然气组分、压力和温度等参数计算天然气的压缩因子、密度和动力粘度，并计算矿化水的密度、动力粘度和表面张力；步骤S2：根据气井产气量和产液量，预测全井段沿井筒轴线不同井斜位置处最稳定的气液相分布结构，按照最稳定的气液相分布结构分别计算气壁面、液壁面和相界面湿周；步骤S3：根据产气量，计算全井段不同井斜位置处的气壁面摩擦因子和气壁面剪切应力；步骤S4：根据界面波动特性，计算全井段不同井斜位置处的相界面摩擦因子和相界面剪切应力；步骤S5：根据气液相分布参数，计算全井段不同井斜位置处的液壁面摩擦因子和液壁面剪切应力；步骤S6：根据步骤S2求解的全井段不同井斜位置处的气壁面、液壁面和相界面湿周，以及步骤S3～S5分别求解的全井段不同井斜位置处的气壁面剪切应力、相界面剪切应力以及液壁面剪切应力，并基于多相流动力学理论的双流体模型，求解该产液量下，全井段不同井斜位置处实现连续携液所需的最小气速，即临界携液气速(m/s)，将其转化为临界携液流量(m3/d)，进行积液判定与积液位置预测。3.根据权利要求2所述的一种气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：步骤2.1：已知气井产气量和产液量，采用相平衡理论的能量最小原理预测全井段不同井斜位置处最小能量下(最稳定)的气液相分布，单位井筒长度气液两相系统的能量相对于初始水平气液相分布下能量的改变量采用下式计算：ΔE
tot
＝ΔE
p
+ΔE
s
+ΔE
k,g
+ΔE
k,l
2.1.1)重力势能改变量表示为：ΔE
p
＝(A
g
ρ
g
+A
l
ρ
l
)[g(Y
GPC
‑
Y
GP
)cosβ])cosβ]2.1.2)表面自由能改变量表示为：ΔE
s
＝σ(ΔA
gw
cosα+ΔA
gl
)
2.1.3)气相动能改变量表示为：2.1.3)气相动能改变量表示为：2.1.3)气相动能改变量表示为：2.1.3a)对水平气液相分布：2.1.3b)对弯曲气液相分布：2.1.4)液相动能改变量表示为：2.1.4)液相动能改变量表示为：2.1.4a)对水平气液相分布：2.1.4b)对弯曲气液相分布：当系统能量最小时，满足：输出全井段不同井斜位置处最稳定的液相分布角和相界面弯曲角，分别表示为和式中：ΔE
tot
表示单位管长气液两相系统的总能量改变量，J/m；ΔE
p
表示单位管长气液两相系统的重力势能改变量，J/m；ΔE
s
表示单位管长气液两相系统的表面自由能改变量，J/m；ΔE
k,g
表示单位管长气相的动量改变量，J/m；ΔE
k,l
表示单位管长液相的动量改变量，
J/m；A
g
表示气相流动通道面积，m2；ρ
g
表示气相密度，kg/m3；A
l
表示液相流动通道面积，m2；ρ
l
表示液相密度，kg/m3；g表示重力加速度，m/s2；Y
GPC
表示弯曲相界面的重心位置，m；Y
GP
表示水平相界面的重心位置，m；β表示井斜角，(
°
)；D表示油管内径，m；表示水平相界面时的液相分布角，rad；表示相界面弯曲角，rad；σ表示气液界面的表面张力，N/m；ΔA
gw
表示单位管长气壁相接触面面积的变化，m2/m；ΔA
gl
表示单位管长气液相接触面面积的变化，m2/m；ΔA
lw
表示单位管长液壁接触面面积的变化，m2/m；α表示润湿角，rad；表示弯曲相界面的液相分布角，rad；u
g
表示气相真实流速，m/s；r表示距离井筒轴心的径向位置，m；R表示油管半径，m；u
g,max
表示最大气相真实速度，m/s；u
g,ave
表示平均气相真实速度，m/s；C
g
表示气体流速系数；a，b表示与湍流速度分布有关的常系数，无因次；δ
l
表示液膜厚度，m；u
l
表示液相真实流速，m/s；u
l,ave
表示平均液相真实速度，m/s；u
l,max
表示最大液相真实速度，m/s；C
l
表示液体流速系数；ε表示持液率；步骤2.2：采用下式计算湿周：S
g
＝πD
‑
S
l
式中：表示系统能量最小时最稳定的弯曲相界面的液相分布角，rad；表示系统能量最小时最稳定的相界面弯曲角，rad；S
g
表示气相湿周，m；S
i
表示相界面湿周，m；S
l
表示液相湿周，m。4.根据权利要求2所述的一种气井全井斜全生命周期临界携液流速跟踪及积液判定方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：步骤3.1：根据产气量和持液率计算气相水力直径：A
g
＝A(1
‑
ε)步骤3.2：根据气...

【专利技术属性】
技术研发人员：王武杰，张鑫海，魏耀奇，潘杰，陈军斌，李冉，吕涛，李叶赛，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：