氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型的建立

摘要: 本文重點介紹了一種基于天然氣在氣井中管流和積液特征的氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型的設計過程，通過分析天然氣在氣井中的垂直管流以及垂直管流中舉升能量的來源和消耗與舉升關系、積液特征來建立氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型，旨在有利于目前我國天然氣的開發和利用。

關鍵詞: 天然氣田開發積液氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型

1.引言

隨著國民經濟的快速發展，我國對于天然氣的需求將大幅度上升。據專家預測，到2010年，我國天然氣的需求量將達到1000—1400千萬立方米，而開采能力僅為800—1000千萬立方米。為實現能源的可持續發展，加快實現油氣并舉戰略，保證下游用戶對天然氣量的需求，就我國一定要加快天然氣的開發步伐。

2.天然氣在氣井中的垂直管流

(1)天然氣在氣井中的垂直管流

天然氣從地層中流到井底后，還必須從井底上升至井口才能采出地面，我們一般把天然氣從井底流向井口的垂直上升過程，稱為氣井的垂直管流。在垂直管流過程中，因為壓力和溫度不斷下降，其流體的流動形態就隨之發生變化，從而影響到舉升的效果。

對于不產油(或很少)、不產水的純氣井，井筒天然氣一般呈單向氣流。而對于存在兩相或多相流動的氣水同產井和凝析氣井，氣液混合物在上升過程中，隨著壓力、溫度的逐漸降低，氣體不斷膨脹、冷凝、分離，則形成各種不同的流動形態。

①氣泡流:當氣量相對較小，流速不大時，氣體以氣泡狀存在于液體中。

②段塞流:當氣液體積較大，速度較小時，混合物出現含有氣泡的液柱和含有液滴的氣柱互相交替的狀態。

③過渡流:當氣液體積比較大，流速較大時，則液體沿管壁上升，而氣體在井筒中心流動，氣流中還可能含有液滴。

④環霧流:當氣液平均流速很大時，液體呈霧狀分散在氣相中。

在實際采氣中，同一氣井可能同時出現多種流態。如在水量較大的氣井中，油管下部為氣泡流，當氣泡上升時，由于壓力降落而膨脹，體積增大并互相結合成大氣泡，充滿油管整個截面積，因而轉變為段塞流;隨著混合物的上升，壓力不斷下降，氣相體積繼續增大，氣段伸長，漸漸突破氣段之間的液段，使液相成為液滴分散于流動的氣相中，并且有薄層液相沿管壁流動，形成環霧流。在一般情況下，氣井的流態多為環霧流，油氣井則常見段塞流。

(2)垂直管流中舉升能量的來源和消耗與舉升關系

從地層中流入井底的流體若是純氣相，則容易舉升至地面，但是在一般情況下，地層中流入井底的氣體都混有凝析油、凝析水或地層水等液體，把這些混液氣體舉升到地面則要消耗一定量的能量。

氣井舉升流體(氣、油、水)出井口的能量來源主要是井底流動壓力和氣體的彈性膨脹能;能量消耗主要是流體本身的重力、流動摩擦阻力、井口回壓(油壓)和滑脫損失。

氣體的膨脹能一方面是攜帶、頂推液體上升的動力，另一方面又出于氣液之間產生的滑脫現象而增加滑脫損失。

流動摩租隨流速、產量的增大而增大，汽液混合物在油管中的上升速度為:氣泡流<段塞流<過渡流<環霧流。

氣井中的滑脫損失與以下因素有關:

①流動形態:氣泡流>段塞流>過渡流>環霧流。

②油管直徑:油管內徑越大，滑脫現象越嚴重，滑脫損失越大。

③氣液比:舉升一定量的流體，氣量越大，滑脫損失越小。

只有當流體從地層中帶入井底的能量大于舉升消耗的能量時，舉升才能正常進行，即井底流壓+氣體膨脹能>氣液柱重力+摩阻損失+滑脫損失+井口回壓。

3.積液特征

氣井中液體主要來自氣態烴類的凝析作用(凝析液)、地層中儲集層的地層水或層間水。也就是說，井筒積液有兩個明顯的液體來源:一是隨天然氣進入到井筒的游離液體，二是由于井筒熱損失導致天然氣凝析形成的液體，如液態烴和水都可能存在，這與具體的儲層條件有關。氣井中液體通常是以液滴的形式分布在氣相中，流動總是在霧狀流范圍內，因為氣體是連續相流動，而液體則是非連續相流動。因為天然氣通常在井筒的上部達到它的露點，所以凝析液初期主要滯留在井筒的上部，當氣相不能提供足夠的能量使井筒中的液體連續流出井口時，液體就會在氣井井底形成積液，增加對氣層的回壓。氣井隨積液增加，產量降低，氣井無法將液體滯留在井筒上部時，液體泡沫柱隨之崩潰，落入井底。高壓井中液體以段塞形式存在，它會損耗更多的地層能量，限制氣井的生產能力。在低壓井中積液可完全壓死氣井，造成氣井水淹關井，使氣藏減產。

在對氣井井筒積液的研究中，人們提出了能將氣流中最大的液滴攜帶到地面的最低流速這一課題。1969年Turner建立了液滴和其他模型對氣帶液問題進行了研究，最后以液滴模型為依據提出了計算氣流攜帶液滴的最低氣體流速公式。假設油管內的流動符合牛頓液體的流動規律，當氣流速度等于液滴沉降的最終速度時，液滴就能攜帶到地面，井底就不會發生液體積聚。當井筒內氣體實際的流量小于連續排液所必需的臨界流量時，氣流就不能將進入井筒的液體和在井內析出的液體全部排除井口，這部分液體會在井底聚積，增加井底壓力，降低氣井產量，甚至使井停噴。

氣井攜液最小流量是壓力和溫度的函數，井底的壓力和溫度都較高，而井口壓力和溫度則較低。壓力高的氣體的密度大，氣井攜液需要的流量大，而溫度小也會使氣體的密度大，同樣會使氣井攜液需要的流量增大。因此，在實際氣井中是井底攜液需要的流量大還是井口攜液需要的流量大，與井的條件有關。

如果氣井的實際井口流速和井底流速大于對應的氣體臨界流速，則氣體能帶水。相反，如果氣井的實際井口流速和井底流速小于對應的氣體臨界流速，則氣體不能帶水。井底出現積液是見水氣井的積液條件。

4.氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型的建立

(1)建立模型的方法

地層出液垂直氣井的井筒流動狀態呈現兩相流，而兩相流態又分為泡流、段塞流、過渡流和環霧流四種。對于以產氣為主的出液氣井來講，井筒內液體流態主要是以液柱、液滴和霧的形式被氣流攜帶出地面。可以假定井筒內的液體是以直徑大小不同的液滴被攜帶到地面，然后對液滴在氣流中受力情況進行分析，這樣就可以建立液滴模型。

(2)模型的建立過程

從牛頓流體力學的質點運動來看，氣流中液滴主要受三種力的作用，即液滴自身重力、氣體對液滴的懸浮力和氣體在流動過程中對液滴的攜帶力。

液滴在氣流中的浮力F■和液滴的自重力G可以合稱為液滴的沉降重力G■，那么就有:

5.結語

本文介紹了一種可用于天然氣田開發的氣流攜帶液滴的最小氣體流速模型，它能夠以最精確的計算和分析方法深化開展氣藏開發研究，力求最大的經濟效益和社會效應。

參考文獻:

[1]馮叔初.油氣集輸與礦場加工.山東:中國石油大學出版社，2006.

[2]李長俊.天然氣管道輸送.北京:石油工業出版社，2000.