液压模拟加载与测试系统的设计与试验研究

李化

[摘 要]大多数气井在开发过程中都会有凝析液或地层水产出，若不能及时排出，就会造成井底积液，并最终导致气井水淹停产。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。选用适合各气井的临界携液流量计算模型，对气井的合理配产、防止气井积液、准确判断气井井筒的开始积液点以及把握产水气井的排液时机等都具有十分重要的意义。因此，研究气井携液能力，建立对各类气井都普遍适用的临界携液流量计算模型及临界气提流量计算模型，对出水气井的高效开发有着十分重要的意义。

[关键词]气井，井底积液，临界携液流量，计算模型

中图分类号：TE377 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）30-0094-01

1、研究的目的与意义

随着气田开发的不断深入，气井井底压力和天然气流动速度逐渐降低，致使气井携液能力降低，气藏的产出水不能有效地排出井筒，滞留于井筒中形成积液。并最终导致气井水淹停产。为避免井筒积液，气井产气量必须大于携液临界流量，因此确定携液临界流量是非常值得研究的问题。

在气井实际生产过程中，气液两相流的流态一般可以分为雾状流、过渡流、段塞流和气泡流。本文针对高气液比（气液比高于1400m3（標）/m3）的环雾状流条件下携液临界流量进行了研究。本论文的研究目的，通过室内实验装置，测试在环雾状下垂直井筒内气体携带运动液柱的临界携液流量以及气体携带静止液柱的临界气提流量。

2、高气液比临界携液流量物理模拟实验

2.1 实验目的及内容

拟通过理论结合实验的手段为气井现场提供具有切实指导意义的积液判断方法。为了更好地对高气液井携液机理进行研究，开展了垂直角度下的气井临界携液室内模拟实验。

在90°的井斜角下，通过改变气液注入量的方式，观测井筒中液体的运动状态尤其是高速气流中液滴的实际形状，测试不同液体流速条件下气体的临界携液流量。旨在通过实验现象观测及实验数据处理，得到液滴存在的实际形状，并最终研究液体流速对临界携液流速的影响。

2.2 实验方法

本实验主要观察模拟产水气层不同液流量、气流量下气井中气液两相的流动状态、液体的存在形式以及气体对液体的携带状况。通过气液供给系统提供具有一定压力的气源及实验液体，气液在各自流动管道中达到稳定后，分别经高压水龙带流至实验管段。

通过数码照相机对气流中液滴的实际形状进行捕捉，采用涡轮流量计对气液进行流量计量。实验中先采用小气量实验，然后逐渐增加气量，当井口处刚好有液体回落而不能携出时，认为此时的注气量即为该液量下的临界携液流量。同时记录此时压力传感器及温度传感器上的数值，作为对应的井口压力及井口温度。

2.3 实验介质

气相介质选为空气，

在标准状态下实验室配制的地层水主要物性参数如下：

*水型：氯化钙型CaCl2；

*液体密度：1.00mg/l；

*液体粘度：17.4mPa.s；

*表面张力：60mN；

2.4 实验装置及流程

2.4.1 实验装置简介

实验管段安置在钢架基座上，该基座下设导轨，上与起吊机相连，可以进行倾斜角0～90度任意角度下的临界携液实验。实验管段采用有机玻璃材料，便于实验现象的观测，且配备有先进的测控系统。在携液实验中具体使用的实验配套设备如表1：

2.4.2 实验流程

高气液比临界携液实验流程，主要由气、水回路及数据采集装置组成。来自空压机的恒压气源与水泵供液，分别经高压钢丝水龙带中达到稳定流动后进入实验测试管段中混合。气、水在管段中呈明显的气液两相流，经回路管段直接排入高位水箱，液体循环使用，气体则直接放空。

2.5 实验步骤

2.6 实验现象

在垂直井筒携液实验中，实验初始管段内气液呈环雾流，管段出口处逐渐出现液滴停滞间断携液、液滴回落少量携液以及液滴回落不能携的现象；随着气体流量的升高、液体流量的升高，流动形态仍是环雾流，但还是不能连续携液，轻微回落；随着气量不断升高，气液在最高点上不去下不来的现象，也就是达到临界携液的状态。实验中对上升气流中液体的存在形式进行了观察，发现当流动接近临界携液状态时，可以观察到管壁处的液膜刚要下落又因上升气流的举升作用而发生停滞现象，此后下降液膜逐渐增厚，与上升气流发生撞击，液膜破碎成大量小液滴，部分液滴仍可随气流携出管段。通过放大图片可以发现，接近临界状态时井口处的液体是以液滴形式分散在气流中的，且运动液滴近似为椭圆体的形状，这点与李闽模型类似。在连续携液阶段，管段中液体主要以依附在管壁处的薄液膜以及分散在中央气流区的小液滴两种形式存在（如表2）；

综上所述：在垂直井筒中，气体携液接近临界状态时，液体主要是以液滴的形态分散在气体当中，且液滴形状为类椭球体。

3、结论

本文针对高气液比临界携液流量物理模型研究的不够准确，以及传统经验公式不能很好地满足高气液气井临界携液流量的计算等一系列问题，对包括直井在内气体对液体的携带状况进行了研究，通过理论分析及实验论证，推导出在高气液比的垂直气井中液体流量对临界携液流量有一定的影响，但是影响不大。在研究过程中主要取得以下几点结论：

（1）通过对国内外气井携液理论的调研，发现不同垂直气井临界携液流量计算模型的主要区别在于液滴形状的判断以及曳力系数的选择。（2）通过对几种液滴模型的研究发现，垂直气井不同液滴模型对于曳力系数均取为不同的定值，而研究表明，该值应该是与雷诺数相关的函数，是不断变化的。（3）开展了气井携液室内模拟实验，通过实验现象的观察发现，垂直管段气体处于临界携液状态时，液滴主要以类椭球体的形态存在于气相中。（4）通过理论分析及实验论证，推导出了在高气液比的垂直气井中液体流量对临界携液流量有一定的影响，但是影响不大。通过开展气体携带液柱的实验，论证了这一观点。

参考文献

[1] 吴志军，何顺利.低气液比携液临界流量的确定方法[J].石油勘探与开发，2004年8月，31（4）：108-109.

[2] 王毅忠，刘庆文.计算气井最小携液临界流量的新方法[J].大庆石油地质与开发，2007年12月，26（6）：82-84.endprint