復合射孔氣液作用后氣體上移運動規(guī)律實驗研究

趙旭,丁士東,周仕明

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院博士后工作站,北京100083;2.中國石油大學,北京102249; 3.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101)

復合射孔氣液作用后氣體上移運動規(guī)律實驗研究

趙旭1,2,3,丁士東3,周仕明3

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院博士后工作站,北京100083;2.中國石油大學,北京102249; 3.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101)

利用復合射孔壓井液運動相似模擬實驗裝置,研究了復合射孔過程中氣液作用結(jié)束后氣柱在壓井液中的上移運動規(guī)律。觀測了復合射孔過程中氣液沖擊作用結(jié)束后氣體在模擬井筒的上移運動過程,考察了不同氣體壓力、不同氣體體積作用下的氣液作用結(jié)束后氣體在液柱中的上移運動狀態(tài)及變化規(guī)律。分析了實測的氣體上移運動速度變化曲線。作用的氣體壓力越大、作用的氣體的量越多,氣泡的上移速度就越快。此外井筒內(nèi)液柱的波動對氣體的上移運動速度有增大作用。通過與Taylo r模型的計算結(jié)果對比,結(jié)合油田實際狀況,得出目前大部分油田現(xiàn)場復合射孔施工后,井底的高能氣體均是以Taylor泡的形式在壓井液中向上運動。實驗結(jié)果對深入研究復合射孔氣液作用結(jié)束后氣體上移運動機理有一定的指導意義。

復合射孔;壓井液;氣液作用;爆生氣體;實驗研究

0 引 言

復合射孔技術(shù)[1-6]在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛應用。在有些復合射孔的壓裂火藥設(shè)計中,為了延長高能氣體壓裂藥劑在地層的作用時間,必然要加大裝藥量或是加入延遲劑,因此在反應過程中產(chǎn)生了大量的CO氣體。近幾年,中國一些低滲透油田在應用高能氣體壓裂的過程中出現(xiàn)了頻繁的CO氣體中毒事件,給油田及員工帶來極大的損失[7-8]。因此,對復合射孔過程中產(chǎn)生的高能氣體在井筒中的流動規(guī)律進行全方位的監(jiān)測以及深入細致的研究非常必要。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

實驗在復合射孔壓井液運動模擬實驗裝置[9]上進行。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)裝置示意圖

1.2 實驗方法和實驗參數(shù)

底部高壓氣體沖擊上部壓井液的實驗現(xiàn)象共分3個階段[10],分別是氣體沖擊階段、壓井液波動階段、氣柱上移階段。在大多數(shù)的情況下,氣液作用結(jié)束后底部作用的高壓氣體會形成一個大氣柱向上運動。即使在增加底部高壓氣體壓力和作用的高壓氣體的體積實驗時,由于作用層位形狀的不規(guī)則,有可能由底部瞬時沖出多個氣段,但這些氣段在上移的過程中,由于底部壓井液體的波動作用,進而又很快地合成一個大氣柱進行上移。因此,為了研究氣柱的上移規(guī)律,在實驗裝置模擬管道的觀察段上設(shè)置4個觀測計時點,用以測量氣柱運行2個計時點間距離所需的時間及觀測氣柱在上移過程中的實驗現(xiàn)象,每2個計時點之間的距離為2 m,進而計算出氣柱在2個計時點間運動的平均速度。實驗中,底部作用高壓氣體壓力、底部作用高壓氣體的體積、模擬井筒內(nèi)的壓井液高度分別對應著模擬復合射孔過程中的爆生氣體壓力、火藥量的大小和井筒內(nèi)的壓井液。根據(jù)實驗裝置的特點和此次實驗的要求選取的實驗參數(shù)見表1。

表1 實驗相關(guān)參數(shù)

2 實驗結(jié)果

圖2為壓井液高度為11 m、作用氣體體積為30 m L的條件下,改變作用的高壓氣體壓力實驗時氣液作用后所形成的大氣柱向上運移速度的關(guān)系曲線圖。由圖2可見,3條曲線都比較平穩(wěn),底部高壓氣體壓力為1、2、3 M Pa的實驗中的氣柱上升速度均有一定的上升,但變化不大。結(jié)合觀測到的實驗現(xiàn)象能夠得到:1 M Pa高壓氣體的實驗,氣柱的上移速度均為0.2 m/s左右,而氣柱的長度約為20 cm,液柱中清晰明了;2 M Pa高壓氣體的實驗,氣柱的上移速度均為0.21 m/s左右,而氣柱的長度約為45 cm,液柱中清晰明了;3 M Pa高壓氣體的實驗,氣柱的上移速度均為0.218 m/s左右,而氣柱的長度約為45 cm,氣柱上升時液柱中仍然是清晰明了。可以得出結(jié)論,在壓井液柱中沒有明顯干擾的情況下,氣柱越長其上升速度就越快,由于底部作用的氣體壓力越高,氣液作用結(jié)束后形成的氣柱就越長,故作用的氣體壓力為1 M Pa的實驗氣柱上升最慢,作用的氣體壓力為3 M Pa的實驗氣柱上升最快。為了進一步研究不同的底部作用氣體體積的實驗條件下氣柱的上移速度,將與圖2中對應的實驗參數(shù)單獨改變作用氣體的體積進行實驗,所測得的氣柱的上升速度見圖3至圖5。

圖2 氣泡運移速度隨計時點位置變化關(guān)系圖A

圖3 氣泡運移速度隨計時點位置變化關(guān)系圖B

圖4 氣泡運移速度隨計時點位置變化關(guān)系圖C

結(jié)合圖2可以看出,隨著作用的氣體體積的增加,氣液作用后形成的氣柱的長度也增加,無論是作用的高壓氣體壓力是1、2、3 M Pa的實驗,氣柱的運動速度都有了明顯的增加。氣柱在上移的過程中底部氣體壓力為1 M Pa實驗的速度增加的不十分明顯,相對而言增加最少。而3 M Pa實驗的氣柱在上移的過程中速度增加最快。由圖5可以得到3 M Pa實驗的氣柱最快上移速度已達到了0.272 m/s。這也說明了1 M Pa的實驗形成的氣柱很小,氣柱在上移的過程中上覆壓力的減少對其影響不大;而3 M Pa的實驗形成的氣柱較大,自身的所受浮力也較大,上覆壓力的減少,促使其運移速度快速的提升。實驗中也觀測到當用底部氣體壓力為3 M Pa,壓井液高度為11 m,作用的氣體體積為70 m L的參數(shù)實驗時,氣液作用結(jié)束后形成的氣柱長約2 m。而且當作用的高壓氣體壓力較高,作用氣體體積較大或是壓井液的高度過低時,在氣液作用結(jié)束后壓井液中有較大幅度的壓力波動。這些波動會對氣柱的上移產(chǎn)生一定影響,從實驗所測得的結(jié)果看,這些波動會促使氣柱在上移過程中速度進一步加快。從圖4和圖5中能看到,當2 M Pa和3 M Pa的實驗在計時觀測點1和計時觀測點2測得的氣柱運移速度的變化有些混亂,這是由于計時觀測點1和計時觀測點2距離模擬管道的底部相對較近,當用較高的氣體壓力或是壓力較高的氣體體積作用時,由于底部作用的高壓氣體的能量較大,因此在實驗中其氣液作用的影響范圍較大,作用的時間較長,進而影響了氣柱在這2個計時觀測點的運移速度,實驗中也觀察到當?shù)撞繗怏w壓力為2 M Pa和3 M Pa,作用的氣體的體積在60 m L和70 m L時,模擬管內(nèi)氣液現(xiàn)象混雜,沒有明顯的氣液界面,上部壓井液柱出現(xiàn)明顯的氣液波動現(xiàn)象。為了更準確地分析氣柱在上升中速度的變化規(guī)律,單獨改變底部作用氣體的體積,來對比分析在不同氣體壓力的作用下氣柱在第4計時點的速度差異(見圖6)。

圖5 氣泡運移速度隨計時點位置變化關(guān)系圖D

圖6 氣泡運移速度隨底部作用壓力變化關(guān)系圖

圖6顯示的是當壓井液高度為10 m,作用的高壓氣體體積分別為30、60、90 m L時,在第4個計時觀測點所測出的伴隨底部作用氣體壓力增加的氣柱向上運移速度的變化曲線。由圖6可見,隨著作用的高壓氣體體積增加,在不同的底部氣體壓力作用下測得的氣柱運移速度均有一定提升。但隨著作用的氣體體積增加,在不同壓力的底部高壓氣體的作用下的氣柱運移速度的提升幅度差距較大。當?shù)撞孔饔玫母邏簹怏w的壓力相對較低時,提升作用的氣體體積對氣液作用結(jié)束后形成的氣柱的上移運動速度影響不太明顯,但隨著底部作用的高壓氣體的壓力提升,模擬管道底部作用的高壓氣體的體積對氣液作用結(jié)束后形成的氣柱的上移運動速度的影響就越來越大。由圖6中可以明顯看到,當用1 M Pa的底部氣體壓力作用時,隨著作用氣體體積的增加,氣液作用結(jié)束后,形成的氣柱的上移速度相差不大。而用4 M Pa的底部氣體壓力作用時,隨著作用氣體體積的增加,氣液作用結(jié)束后,形成的氣柱的上移速度相差較大。這是因為當用較高壓力的氣體實驗時,氣液作用結(jié)束后由于氣體壓力大幅度降低,氣體體積迅速增大,形成的氣柱也就較長,進而其上升的速度也就越快,而用低壓的氣體實驗時,氣液作用結(jié)束后形成的氣柱較短,上移的速度相對較低。圖6中用4 M Pa的底部高壓氣體、壓井液高度為10 m、作用的高壓氣體體積為100 m L時的參數(shù)實驗時,通過觀察,其氣液作用后形成的大氣柱約為4.2 m。從圖6中可看出大氣柱在第4計時點所測出的氣柱上升速度為0.372 m/s。

通過上面的分析,結(jié)合油田現(xiàn)場復合射孔工作實際能夠得出,在復合射孔過程中,當爆生氣體的爆壓相對較低且使用的壓裂火藥量較少,或是壓井液的高度較高時,復合射孔氣液作用結(jié)束后形成的氣柱較短,在向上運動的過程中運動速度相對穩(wěn)定,也不會引起壓井液柱的較大的波動。而當爆生氣體的爆壓較高且使用的壓裂火藥量較多,或是壓井液的高度較低時,復合射孔氣液作用結(jié)束后生成的氣體的量會極大增加,會在向上運動中形成大的氣柱。壓井液會存在明顯的上下波動,而且氣柱在上移的過程中速度會明顯加快,且體積不斷膨脹,最終以大氣段的形式排出井外。

3 實驗結(jié)果分析

在氣液作用結(jié)束后,模擬管道底部的氣體是以一個大氣段形式上升。如果作用的氣體壓力高,或是作用的氣體體積較大,形成的大氣段就較長,反之較短。在氣液作用結(jié)束后,當氣柱的長度較短時,氣柱在上升的過程中速度的提升變化不大,而隨著氣柱的長度的增加,氣柱在上升的過程中速度的提升越來越大。由于氣液作用結(jié)束后形成的氣柱的向上運移過程與段塞流的流動形式比較相似。

在氣液兩相流的研究中,通常把彈狀流與段塞流氣體上升速度模型看作有同樣的表達式,彈狀流是以氣彈為特征的。氣彈的尺寸很大,其直徑幾乎等于管子的直徑,周圍有一層薄薄的緩慢向下流動的液膜。氣彈又稱 Taylor泡。段塞流是以液塞為特征的,其英文為Slug。在兩相流理論中,Slug是指液體。而在井控理論中,Slug是指氣體。正是氣液概念的顛倒,致使氣柱失去了兩相流理論中的特征。Weisman等將彈狀流與段塞流統(tǒng)稱為間斷狀流,這種工況下改變氣體上升速度主要是研究Taylo r泡的上升速度。Taylo r泡在靜液相中的上升速度[11-12]對于直徑較大(D>10 mm)的管子速度為

式中,K依不同研究可以取0.328、0.345、0.35等; D為管子內(nèi)徑,m;g為重力加速度,m/s2。

根據(jù)式(1),在實驗所用裝置的條件下,可求出單個氣柱在靜液相中的上升速度為

或是當 K=0.35時

實驗中底部氣體壓力為1 M Pa,壓井液高度為11 m,作用的氣體體積為30 m L的實驗,氣液作用后所測出的氣柱上升速度(0.20 m/s)與上面的計算結(jié)果相近。增加氣體壓力或氣體的作用體積的實驗后形成氣柱的上移速度都要大于 Taylor泡在靜液相中的上升速度。但考慮到實驗中由于實驗條件的限制,與油田現(xiàn)場實際復合射孔的施工條件有一定的差距。實驗中盡管采用了11 m高的模擬管道,但11 m高壓井液經(jīng)相似原理所計算出的模擬壓井液高度仍然要遠低于實際復合射孔過程中所到的壓井液的高度。目前油田現(xiàn)場應用復合射孔技術(shù)中用到的壓裂火藥量相對較少,在復合射孔過程中很難在整個壓井液中引起強烈并持久的波動,復合射孔氣液作用結(jié)束后形成的氣柱很有可能以 Taylor泡的形式在壓井液中向上運動。只有在壓裂火藥量較大時,或者壓井液的高度過低時,在氣液作用后形成的氣柱較大,在氣柱向上運動的過程中隨著壓井液上覆的壓力減小,其運移的速度會加快,相應的氣柱也會進一步增大。根據(jù)井筒中氣液兩相流理論,如壓井液的高度足夠高,那么完整的大氣柱在增大到一定程度時有可能發(fā)生斷裂,以多個氣段的形式排出井外。

4 結(jié) 論

(1)通過實驗,模擬了復合射孔過程中射孔壓裂作用結(jié)束后爆生氣體在井筒中的上移運動情況。

(2)增大作用的氣體壓力和增大作用的氣體體積均會對氣液作用結(jié)束后的氣體在液柱中的上移運動規(guī)律產(chǎn)生影響,作用的氣體壓力越大、作用的氣體的量越多,氣泡的上移運動速度就越快,此外液柱的波動對氣體的上移運動速度有促進作用。

(3)通過與 Taylor泡理論模型的計算結(jié)果相對比,結(jié)合油田的實際狀況,得出目前大部分的油田現(xiàn)場復合射孔施工后,井底的高能氣體均是以Taylo r泡的形式在壓井液中向上運動。

[1] 刁剛田,劉志華,周家駒,等.復合射孔技術(shù)的應用[J].鉆采工藝,2003,26(6):39-42.

[2] 孫新波,劉輝,王寶興,等.復合射孔綜述[J].爆破器材,2007,36(5):29-31.

[3] 李克明.高能復合射孔技術(shù)及應用前景[J].石油鉆探技術(shù),2002,30(3):72-74.

[4] 王海東,孫新波,梁純,等.國內(nèi)外射孔技術(shù)發(fā)展綜述[J].爆破器材,2005,35(3):33-36.

[5] 張國按,孫志明.高能復合射孔(FracGun)在國外A油田的應用[J].石油鉆探技術(shù),2006,31(1):62-64.

[6] 項忠華.射孔壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究[D].北京:中國石油大學,2002.

[7] 鄒鴻江,蒲春生,秦文龍.高能氣體壓裂過程中CO氣體濃度擴散規(guī)律[J].石油鉆采工藝,2007,29(1):58-60.

[8] 鄒鴻江,蒲春生,秦文龍.HEGF中CO井筒流動及擴散規(guī)律研究[J].石油礦場機械,2006,35(6):11-14.

[9] 趙旭,丁士東,周仕明.復合射孔上部封擋效果的試驗研究[J].測井技術(shù),2010,34(5):89-92.

[10]趙旭,柳貢慧,張濤.不同體積高壓氣體對復合射孔壓井液運動的影響[J].石油學報,2009,31(2):295-300.

[11]李相仿.井涌期間氣液兩相流動規(guī)律的研究[D].東營:中國石油大學,2005.

[12]陳家瑯.石油氣液兩相管流[M].北京:石油工業(yè)出版社,1988.

Experimental Study on Gas M ovement M echan ism in Wellbore after Com pound Perforation

ZHAO Xu1,2,3,D ING Shidong3,ZHOU Shiming3
(1.Research Institute of Petroleum Exp loration&Development Postdocto ral Workstation,SINOPEC,Beijing 100083,China; 2.China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 3.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China)

The similar control fluid movement stimulated experimental device is used to study the exp losive gas movement mechanism in the w ellbo re after compound perfo ration.The flow phenomenon of gasmovement is observed in the stimulated wellbore.The gas movement state and gasmovement rule at the different initial gas p ressures and different initial gas volumes are analyzed.The velocity curve of gas movement that w as measured is analyzed.The results indicate that,the higher initial gas p ressure,the more initial gas volume,and the faster gasmovement, after initial gas-liquid interaction.Mo reover,the function of liquid column is benefit to increase the velocity of gasmovement.Through contrasting the resultsw ith Taylo r fo rmation and experimental results,and also considering the compound perforation in the oilfield,it is concluded that the gasmovement in the wellbore is similar to the Taylor bubble after compound perforation in themost part of compound perforations in the oilfield.The experimental results have directive significance in studying gasmovement mechanism in the w ellbo re after compound perfo ration.

compound perfo ration,control fluid,gas-liquid interaction,exp losive gas,experimental study

TE257.1 文獻標識碼:A

中國石油科技創(chuàng)新基金研究項目“復合射孔井下壓力變化與裂縫擴展機理研究(2009D-5006-03-09)”資助

趙旭,男,1981年生,在站博士后,主要從事完井工程技術(shù)相關(guān)方面的研究。

2010-12-17 本文編輯 王小寧)