适用于油气井的大流量多相流预测方法

技术领域

本发明涉及采油采气技术领域，更具体地说，涉及一种适用于油气井的大流量多相流预测方法。

背景技术

近年来一些油气田或区块产水量较大的井越来越多，甚至单井日出水量达百方以上。通过开展高压气源井气举、高压氮气气举等现场工艺试验后，发现运用高压气举能够取得较好效果。目前采用光油管气举，对于井底压力低，积液严重的气井，启动压差大，举升效果差，这就需要考虑采用气举阀降低启动压差。但还存在很多问题，如一口气井的最佳注气位置、最佳注气压力、最佳注气量等还缺乏科学计算方法。究其根本原因是现有的气液两相多相流计算方法针对大水量条件下多相流计算的不够准确。

准确的预测倾斜井筒压降变化不仅是进行油气井自喷、人工举升产量预测和参数优化设计的基础和依据，是采油采气工程研究中一项重要的工作和任务，也是合理高效开发油田的决定性因素之一。因此，开展高产液倾斜井井筒多相流压力预测方法的研究对目标油气田制定合理工作制度、高效开发具有重要指导意义。目前的多相流压力计算方法均还存在一些不够完善的地方，例如，现有多相管流压力计算方法大多为经验、半经验方法，且均是在一定的试验范围内得到的，超出这个范围后计算结果不能保证，使用方法具有较大局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种适用于油气井的大流量多相流预测方法，能够提高计算的准确率，有利于准确的预测倾斜井筒压降变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种适用于油气井的大流量多相流预测方法，包括以下步骤：

S1、获取不同倾斜角度、产液量及产气量下的多相管流试验数据；

S2、对步骤S1的试验数据进行分析处理，获取不同倾斜角度对于持液率、压降以及流流态的影响；

S3、根据步骤S2获取的分析处理结果，对Mukherjee-Brill的持液率和压降的计算方法重新拟合。

按上述方案，所述步骤S3中重新拟合后的持液率计算方法如下：

其中：H

按上述方案，所述压降的计算方法如下：

其中：ρ

按上述方案，所述试验数据包括了不同倾斜角度下的持液率数据、压降数据和流型流态数据。

按上述方案，所述持液率数据包括了同以液体流量和不同气体流量、不同倾斜角度下的试验数据。

按上述方案，所述压降数据包括了同一液体流量和不同气体流量、不同倾斜角度下的压降数据以及不同液体流量下的压降数据。

按上述方案，所述流型流态数据包括了同一液量下，不同气量和不同倾斜角度下的流型流态数据。

按上述方案，所述步骤S2中的分析处理结果包括了不同条件下所获取的相应数据对应的折线图及流型流态图。

实施本发明的适用于油气井的大流量多相流预测方法，具有以下有益效果：

通过持液率和压降计算方法验证研究，可知在大液量、较高气液比实验范围内，各种计算方法的计算误差均较大。鉴于此，本研究将展开Mukherjee-Brill方法基础上多相流新模型的研究。鉴于持液率的预测准确性对压降预测影响较大，即持液率预测准确了，压降预测准确性也会大大提高。本发明基于大液量气液两相流实验持液率等数据对Mukherjee-Brill的持液率计算方法进行了重新拟合，采用新方法进行多相管流压降预测，该方法在产液量大、气液比较宽的范围内预测平均相对误差小，预测结果稳定，可用于现场多相管流压力分布预测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是液体流量50m

图2是液体流量100m

图3是液体流量150m

图4是液体流量200m

图5是液体流量250m

图6是液体流量300m

图7是液体流量350m

图8是液体流量400m

图9是液体流量50m

图10是液体流量100m

图11是液体流量150m

图12是液体流量200m

图13是液体流量250m

图14是液体流量300m

图15是液体流量350m

图16是液体流量400m

图17是不同倾斜角下的流型图及变化情况示意图；

图18是拟合设置示意图；

图19是拟合出系数值及比对示意图；

图20是拟合结果匹配程度示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的适用于油气井的大流量多相流预测方法包括以下步骤：

步骤1：进行试验

1、试验设备主要技术参数。

(1)机架尺寸

试验台架的尺寸为15500×1300×17500mm。

(2)测试管段

常压(0～0.8MPa)部分：直管管径DN40～DN60～DN75，弯管管径DN60；

中压(0～3.5MPa)部分：直管管径DN60；

测量管线支架可实现0～90°任意倾角变化；

流体流量、压力可实现手动及自动控制，能够产生多相流动中全部流动型态，即气泡流、段塞流、扰流、环雾流等；

常压测试管段直管DN40～DN60～DN75、弯管DN60，全程(约14米长)透明可视；测试管段能测量压力、压差、温度等参数；测试管段有效长度为9.5m。

(3)试验介质

空气、水、白油(5号或7号，粘度可调)，油最大粘度1000厘泊。

(4)介质流量

油、水的最大流量：20m

空气压缩机的最大排量：35m

(5)流量计测量范围及精度

油、水流量计流量范围：0～20m

测试管段沿程损失压差测量准确度：±0.025％，差压测量分辨率≤1KPa；

空气流量计流量范围：0～35m

(6)气液工作压力范围

常压：0～0.8MPa，中压：0～3.5MPa。

(7)压力计测量精度

普通压力信号：±0.1％；压力损失计算段：±0.025-0.04％。

(8)介质温度

常温～90℃，须考虑流体加热和保温；温度传感器测量精度±0.5％。

(9)高速摄像仪

500帧/秒1920*1080分辨率，曝光时间：1μs，录制时长≥5秒。

2、试验内容

以空气、水为介质，在60mm管径的情况下，倾角不同、产液量不同、产气量不同，井斜角不同导致的气液两相在井筒流动过程中产生的压降不同，为了了解气液两相流在倾斜井筒中的流动规律以及压降变化规律，有必要模拟流动过程，用多相管流试验装置，测试不同倾角、产液量、产气量条件下的流态、持液率及压差，进而优选或优化拟合得到适合于中高产倾斜井井筒多相流压力预测的方法。

2.1、试验步骤(1)试验前的准备工作：

a试验开始前首先检查管路密封性和流程管路通道是否畅通，检查压缩机、水泵是否能正常工作。

b打开控制台总开关，观察各仪表是否正常工作。

c打开数据记录电脑，检查记录数据软件是否正常工作。

d确定试验内容，根据试验方案选择测试管的倾斜角度。

e利用绞车升起试验架，当调整到需要的角度时，停止提升绞车。

f打开选定测试管的进气阀和出气阀开关，关闭其他测试管的阀门。

g反复检查，确保流程正确、试验管路进出口畅通、不存在憋压现象。

(2)试验步骤

A打开控制台软件系统，调整测试管柱倾斜角。

B启动空气压缩机，可以观察到储气罐上压力显示仪表压力升高。

C在控制台上打开水泵。

D调整进入管柱中的液量、气量值，气量通过慢慢调整进气阀开度实现，液量通过慢慢调整泵的频率和回流阀开度共同实现，观察总控制台上仪表读数，直到调整到目标值。

E调整到目标值后，观察试验现象，记录仪表上显示的压力、压差、温度、液量、气量值。

F设定实验数据记录时间范围，保存试验数据，使用高速摄像机拍照，记录管中流体流型并保存。

G利用快关阀截断试验管柱中的气液流体，静止后读出液体在有机玻璃管中的高度，计算持液率大小。

H重新调整测试管柱中气量、液量以及倾斜角，按以上步骤重复，记录不同倾斜角情况下测试的气体流量、液体流量、压力、压差、温度、流态、持液率数据。

I试验完毕，关闭水泵，空气压缩机，将测试架放置水平，关闭计算机、总控制台电源开关。

2.2、具体试验方案

(1)不同倾角、不同产液量、不同产气量条件下的多相管流试验方案

用多相管流试验装置，测试不同倾角、产液量、产气量条件下的流态、持液率及压差。

实验介质：空气、水。

试验压力、温度：常压、常温。

管径：60mm。

倾斜角：0、30、60、90度。

产液量：50m

产气量：5000m

共224组试验。

(2)综合分析倾斜角、产量和注气量对多相流动过程中流态、持液率及压降的影响。

(3)多相管流压力计算方法实例计算分析

用实测数据对现有常用的9种井筒多相管流压力计算方法和新建方法进行检验和分析对比。

步骤2：实验数据分析处理

1、倾斜角度对持液率的影响

相同液量和气量条件下，持液率随不同倾角的变化规律如图1到图8所示。从图中可以看出持液率随角度的增加呈先上升后下降趋势，但从整个液量范围上看，持液率在0°到90°角度范围内的变化不是很大。

2、倾斜角度对压降的影响

相同液量和气量条件下，压降随角度的变化规律如图9到16所示。从图中可以看出在气量625m

3、不同倾斜角流型流态

在项目规定的试验范围条件下，多相管流流型在水平状态气量小的情况时出现了层流，在倾斜状态下没有出现层流的情况。水平和倾斜状态下大部分流型为段塞流和过渡流，水平状态下没有出现环状流，并且水平和倾斜状态下都没有出现泡状流，弹状流和雾流。

在水平状态中，只出现了层流，段塞流和过渡流三种流型，并且层流和过渡流只是在气量很小和很大的条件下出现，大部分情况为段塞流。在同一液量下，随着气量的增加，水平状态实验中流型转变趋势为层流—段塞流—过渡流。随着管路的倾斜，由于重力的作用，在30°，60°和90°时，已经不再出现层流。在同一液量下，随着气量的增加，30°，60°，和90°倾斜状态实验中流型转变趋势为段塞流—过渡流—环状流，如图17所示(45°以上角度时由于灯光照射不到，照射图片太暗)。

步骤3：建立井筒多相流压力预测模型

1、新模型的建立。通过持液率和压降计算方法验证研究，可知在大液量、较高气液比实验范围内，各种计算方法的计算误差均较大。鉴于此，本研究将展开Mukherjee-Brill方法基础上多相流新模型的研究。鉴于持液率的预测准确性对压降预测影响较大，即持液率预测准确了，压降预测准确性也会大大提高。本研究基于大液量气液两相流实验持液率等数据对Mukherjee-Brill的持液率计算方法进行了重新拟合，拟合结果如下。

(1)持液率拟合情况见图18～图20所示，持液率计算公式为：

其中：H

表1拟合新持液率公式参数值

(2)压降计算方法

压降计算方法仍然采用Mukherjee-Brill压降计算方法。具体如下：

其中：ρ

2、对新模型的检验。通过实验数据对拟合新公式持液率和压降预测进行检验，计算结果见表2所示，从表中可知，持液率预测和压降预测精度都有较大提升，在倾斜状态(包括垂直状态)可以满足工程计算预测需要。

表2拟合新方法预测结果(小数)

新拟合持液率方法计算误差明细减小，压降预测精度也得到了提高，具体提高百分比见下表3所示。

表3新旧计算模型预测结果对比

二实例分析

(1)实测数据

通过调研，共获得37井次的测试数据，见表4统计37口井数据。37口井的套管尺寸均为7in，油管尺寸均为3.5in，生产层位均为Mishrif，原油密度为0.922g/cm

表4 37口井数据

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(2)根据表4中的测试数据进行10种压力计算方法的误差验证，压力计算平均误差统计表如下。

表5压力计算平均误差统计(37井次平均)

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通过现场37井次实测数据对现有9种方法和1种新方法进行检验，误差分析表明：新方法平均相对误差最小，预测最稳定。因此，推荐采用新方法进行多相管流压降预测，该方法在产液量大、气液比较宽的范围内预测平均相对误差小，预测结果稳定，可用于现场多相管流压力分布预测。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。