薛建強張文洪劉艷東李東昊姚鑫王志彬
1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 ; 2.中國石化華北分公司;3.中國石油天然氣管道工程有限公司
考慮滑脫的氣液兩相嘴流新模型
薛建強1張文洪2劉艷東3李東昊1姚鑫1王志彬1
1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 ; 2.中國石化華北分公司;3.中國石油天然氣管道工程有限公司
正確預測油嘴允許氣液混合物通過的能力是開展油氣井井下或地面節流工藝設計的基礎,氣液兩相嘴流模型在采油氣工藝中有廣泛的應用。通過引入等效動量比容、等效動能速度概念,根據動量守恒原理建立了一個新的考慮氣液間滑脫的氣液兩相嘴流質量流速預測模型,并進行了數值求解。與其他4個模型相比,新模型計算簡單且方便。利用公開發表的亞臨界流和臨界流實驗數據對新建模型和其他4個常用兩相嘴流模型計算結果進行了比較。新建模型對質量流速預測能力的平均誤差為1.37%,平均絕對誤差為6.37%,標準差為5.79%;新模型對嘴前壓力預測能力的平均誤差為2.78%,平均絕對誤差為8.43%,標準差為4.10%;明顯優于Sachdeva、Perkins、Ashford & Pierce、Al-safran等模型。氣液兩相滑脫因子計算方法影響模型的準確性,為此對比分析了9個氣液兩相滑脫因子計算方法,發現本模型結合Chisholm的滑脫因子計算方法的預測結果最接近實驗測試結果。同時以某產水氣井為例開展了井下節流工藝嘴徑計算,新模型設計的嘴徑完成的配產率為96.5%。
兩相嘴流;臨界流/亞臨界流;質量流速;滑脫比;數值模型
油嘴是油氣井生產系統中非常重要的一部分,其重要作用是控制油氣井的產量,控制地層能量衰竭速度,從而充分利用地層的彈性開采能量,結合完井工藝可防止底水錐進。在油嘴臨界流條件下,可隔離油嘴上下游兩個子系統,避免油嘴下游不穩定因素造成的壓力波動傳遞到油嘴上游造成對地面設備的破壞和地層壓力的激動。油嘴廣泛應用于油井的注水、注氣及氣井的水合物防治工藝中。
氣液混合物通過油嘴的流動為氣液兩相嘴流,混合物通過油嘴的能力可用氣液兩相嘴流模型進行預測。混合物通過油嘴的能力常用質量流速或產氣量、產液量表征。氣液兩相嘴流模型在油氣井生產系統中有廣泛的應用。具體表現在:(1)根據油氣井的產量、氣液比、含水率、嘴前壓力和嘴后壓力設計嘴徑,達到控制氣井產量的目的。(2)井下節流和地面節流的油氣井,可以根據嘴徑大小、嘴前壓力、嘴后壓力、氣液比等參數預測油氣井的產量,掌握油氣井的生產動態;利用兩相嘴流模型開發簡易低成本氣液兩相流量計。(3)根據油氣井產量、油壓或嘴后壓力,結合兩相管流壓降模型可預測嘴前壓力和井筒的壓力分布,為氣井生產動態預測提供方法,節省壓力測試費用。
正確預測氣液混合物通過油嘴的能力是油氣井生產系統中合理應用油嘴工藝的基礎。油嘴的氣液兩相流要么是臨界流,要么是亞臨界流。1954年,Gilbert[1]最先提出三參數經驗關系式,關系式系數先后被Ros[2](1961)、Achong[3](1961)、Secen[4](1967)、Osman[5](1992)、Elibaly[6](1996)修正過。Towailib& Marhounl[7](1988)、Attar & Abdul-Majeed[8](1994)、Elibaly(1996)先后利用現場數據回歸得四參數經驗關系式。與三參數關系式相比,四參數關系式中產量與油嘴入口壓力為非線性關系,三參數關系式為線性關系。Towailib & Al-Marhounl(1988)、Attar &Abdul-Majeed(1994)分別引入儲罐油的API重度、油氣混合物的相對密度發展了五參數關系式。
1969年,Omana[9]利用量綱分析的方法提出新關系式,該關系式由5個因次變量組成,它們分別是液體產量、密度比、上游壓力、氣液比、直徑。由于該關系式回歸所用實驗數據范圍有限,因此適用的生產條件有限。
Ashford[10](1975)、Sachdeva[11](1986)、Perkins[12](1993)先后從質量守恒、動量守恒或能量守恒的角度建立了氣液兩相嘴流質量流速預測模型,這3個模型通過引入流出系數來考慮流動的不可逆損失。Selmer - Olsen[13](1995)利用控制體的方法,建立了Hydro模型,從機理上考慮了節流下游控制體流動不可逆損失,因此無需引入流出系數。Schüller[14-15](2003,2006)先后利用亞臨界流實驗數據和臨界流實驗數據,分析評價表明Hydro模型預測精度雖高于未考慮滑脫的Sachdeva模型、Perkins模型、均相模型,但是該模型計算較復雜,使用受限。Al-Safran[16](2007)在Sachdeva模型和Perkins模型基礎之上,引入滑脫因子,通過大量假設,建立了滑脫模型,滑脫模型的形式與Sachdeva模型類似。
基于氣液兩相動量守恒,考慮了節流過程中的氣液滑脫,建立了一種簡單實用的氣液兩相嘴流數值模型,具有一定的科學意義和應用價值。
Model establishment and solution
Basic de fi nition
氣液混合物流過節流件時壓力降低,氣體膨脹,氣體流速大于液體,氣液間產生滑脫。嘴流過程通常用滑脫因子描述氣液之間的速度關系。滑脫因子K定義為

式中,K為滑動因子,無因次;u為速度,m/s;下標G、L分別表示氣相和液相。
考慮滑脫的氣流平均速度

考慮滑脫的液流平均速度

考慮滑脫的混合物動量通量

式中,x為氣體質量分數;α為空隙率;M為質量流量,kg/s;A為流體流動截面積,m2;ν為流體比容,m3/kg;G為混合物質量通量,kg/(s·m2)。
式(4)引入滑脫因子,導出存在滑脫時的混合物動量通量

存在滑脫時的等效動量比容

存在滑脫時的等效速度

式中,MF為動量通量,Pa;下標e代表等效。
混合物等效比容與液相比容之比為

整理式(8),得

由式(8)導出

將氣體考慮成多變膨脹,則

根據熱力學定律,可推導出多變因子n的定義式(Perkins,1993)

式中,n為多變膨脹因子;C為比熱,J/(kg·K);下標P、V表示定壓和定容。
Model establishment
1.2.1 主要假設條件 物理模型如圖1所示,嘴流可簡化為2個控制體,第1個控制體起始于位置①,結束于位置②,代表突縮件;第2個控制體起始于位置②,結束于位置③,代表突擴件。①代表嘴流上游位置;②代表嘴流喉部位置;③代表嘴流下游位置,壓力恢復點;B代表嘴流出口位置。

圖1 嘴流物理模型Fig.1 Physical model of choke fow
模型推導過程,所做假設條件如下:(1) 流動為一維流動;(2) 氣液之間分相獨立流動,存在相間滑脫;(3) 忽略液相的壓縮性,氣相多變膨脹;(4) 整個嘴流過程,滑脫因子為一常數;(5) 流動過程無相間變化,氣體的質量分數不變。
1.2.2 模型的推導 對于第1個控制體,起始于位置①,結束于位置②,由力平衡原理知

式中,下標1、2分別代表圖1中的截面位置。
由于 A1>>A2,ue2>>ue1,故忽略 ue1,式(17)導出下式

式中,Cc為收縮系數;A1為油嘴上游管段過流面積,m2;σ為過流面積之比σ=A2/A1。
式(18)采用數值積分求解。根據嘴流特性知,油嘴喉部壓力p2從p1逐漸降低時,嘴子的過流能力逐漸增強,混合物的質量通量G2逐漸增加,當p2降低到某一臨界值pc時,混合物的質量通量不是增加而是降低,說明pc對應的流動條件為臨界流,pc與p1之比為臨界壓力比,此時的質量流量為嘴前壓力p1能達到的最大值。因此可根據pc與p2的大小關系判斷嘴流流態是臨界流或亞臨界流,并根據式(18)求取p2對應的混合物質量通量。詳細計算步驟在后面介紹。
流體經節流后,再流過突擴件,即控制體2,壓力得到一定程度的恢復。對于第2個控制體,起始于位置②,結束于位置③,由力平衡知

式中,A3為油嘴下游管段過流面積,m2;下標B代表油嘴出口位置。
由嘴流特性和壓力波傳播理論知,當嘴流流態為臨界流時,油嘴喉部壓力p2與油嘴出口壓力pB不為一個壓力體系,即p2≠pB,pB為自由變量;當流動條件為亞臨界流時,油嘴喉部壓力p2與油嘴出口壓力pB為一個壓力體系,即p2=pB。
由式(19)得恢復壓力為

式(18)和式(20)是本數值模型的基本關系式。
Selection of slip ratio formula
氣液混合物流經節流件時,氣、液均將加速流動,但是氣相加速明顯快于液相,液相滯留落后于氣相,將產生滑脫現象。計算氣液兩相混合物流經突縮件或突擴件,如孔板、噴嘴、膨脹管等的滑脫因子關系式較多,如 Lockharmt & Martenelli[17](1949)、Baroczy[18](1961)、Moody[19](1965)、Thom[20](1966)、Fauske[21](1967)、Simpson[22]等(1979)、Chishom[23](1983)和 Schüller等(2003)。而各計算方法適用條件相差較大,因此選擇合適的氣液兩相滑脫關系式至關重要。
Chisholm[23](1983)關系式為

Moody[19](1965)、Fausk[21](1967)等提出的關系式可概括為

關系式系數a0、a1、a2、a3見表 1。

表1 滑脫因子關系式系數Table 1 Slip factor formula coeffcient
Schüller等(2003)提出的關系式為

通過兩相嘴流模型評價發現,Chisholm (1983)氣液兩相滑脫關系式能提高模型的準確性,為此在模型構建過程中選用了該關系式,即式(21)。
Numerical solution
式(18)和式(20)是新建數值模型的核心方程,結合數值逼近的方法可計算氣液混合物流過嘴子的質量流速。預測質量流速需要的已知基本參數包括:安裝油嘴的管徑、油嘴尺寸、嘴前壓力p1、嘴前溫度T1、嘴后恢復壓力p3、標況下氣液比。需要計算的中間參數包括:嘴前和嘴子喉部壓力溫度條件下氣體的密度比容νG、氣相質量分數x、液體的比熱CL、氣體的定壓比熱CPG、氣體的定容比熱CVG、多變膨脹因子n、滑脫因子K、質量通量M、油嘴出口處恢復壓力Δp。最終計算參數:混合物質量通量G、混合物質量流量M。
新建模型求解關鍵是對式(18)進行數值積分,根據梯形積分方法,其積分式可寫成

式中,i為積分迭代步數。
計算步驟如下:
(1) 賦初值,I(0)=0,i=1,j=1 (j代表試錯次數);
(2) 根據式(21)計算p1、T1條件下的滑脫因子;
(3) 根據式(8)計算p1、T1對應的混合物的等效比容νe1;
(4) 根據式(12)計算喉部壓力為p2(i)=p1-0.02i×(p1-p3)的氣相比容νG2;
(5) 根據式(21)計算p2(i)的氣液滑脫因子K;
(6) 根據式(8)計算p2(i)的混合物的等效比容νe2;
(7) 根據式(24)、式(25)計算p2(i)的I(i)和質量通量G2(i);
(8) 計算質量流量M(i)=G2(i)×A2;
(9) 重復步驟(4)~(8),計算不同喉部壓力p2(i+1)的質量流量M(i);
(10) 如果M(i)>M(i+1),并且i< 50,此時質量流量達到最大,流態為臨界流,臨界壓力比為r(j)=p2(i+1)/p1,最大質量流量Mmax(j)為[M(i)+M(i+1)]/2;如果M(i)<M(i+1),并且i=50,說明質量流量未達到最大值,流態為亞臨界流,質量流量Mmax(j)為M(50)(j代表試錯次數);
(11) 如果不考慮油嘴喉部出口恢復壓力的影響,計算過程結束,質量流量M(i)=Mmax(j);如果需進一步考慮油嘴喉部出口恢復壓力的影響,需完成步驟(12)和(13)的計算過程;
(12) 代G=Mmax(j)/A2到式(20)計算恢復壓力Δp;
(13) 代p3(j)=p2(j)+Δp到式(24),重復步驟(2)~ 步驟(12),得到r(j+1)和Mmax(j+1)。如果|r(j+1)?r(j)|r(j)≤εr(εr代表臨界壓力比的計算精度要求)和|Mmax(j+1)?Mmax(j)|/Mmax(j)≤εM(εM代表質量流量的計算精度要求),計算結束。
預測嘴前壓力需要已知的基本參數和需要計算的中間參數基本相同,但需已知質量流速(或已知產氣量和產液量),計算過程與上述類似,通過反復試錯嘴前壓力,直到計算的質量流速和已知質量流速滿足一定精度為止。
進行嘴徑設計時需要已知的基本參數和需要計算的中間參數也基本相同,但需已知質量流速及嘴前壓力,計算過程與上述也類似,通過反復試錯嘴徑,直到計算的質量流速和已知質量流速滿足一定精度為止。
Evaluation on the model
Evaluation on the subcritical fl ow/critical fl ow distinguishing capacity
應用Schüller等(2006)公開發表的臨界流和亞臨界流實驗數據對5個機理模型對亞臨界流向臨界流過渡的判別能力進行了評價,如圖2所示。Ashford模型、Al-safran模型、Perkins模型及新模型預測的亞臨界流與臨界流之間的過渡線基本重合,Sachdeva模型計算的臨界壓力比稍微大于其他4個模型,但差別不大。從圖2可知,5個模型預測的過渡線均能將實驗測得的亞臨界流數據點和臨界流數據點分離開,說明4個模型能較準確的判別流態是臨界流或亞臨界流。從圖2可知,當嘴后當地氣液比大于10 m3/m3時,臨界壓力比逐漸趨于一常數。

圖2 模型計算臨界壓力比與亞臨界流/臨界流實驗散點數據對比Fig. 2 Comparison between the critical pressure ratio calculated by the model and the scatter data obtained from subcritical fow/critical fow experiment
Evaluation on the mass velocity prediction capacity
應用 Schüller等(2003,2006)發表的亞臨界流數據和臨界流數據對新建模型和其他兩相嘴流機理模型給予評價。模型評價使用了16組臨界流數據和61組亞臨界流數據。嘴流模型評價誤差統計結果如表2所示。

表2 模型評價質量流速誤差統計結果Table 2 Statistical results of mass velocity error of the model
質量流速預測值和實測值對比如圖3所示,由圖3可知,新模型預測質量流速與測試值最接近,其質量流速平均誤差為1.37%,平均絕對誤差為6.37%,標準差為5.79%,明顯優于未考慮滑脫的Sachdeva等(1986)、Perkins (1993)、Ashford&Pierce(1975)所提出模型的計算結果,同時也優于Al-safran等(2007)模型的計算結果。

圖3 質量流速實測值與模型預測值對比Fig. 3 Comparison between the measured mass velocity and the predicted value
Evaluation on the capacity of predicting the pressure before the choke
根據嘴后壓力和油氣井生產數據準確預測嘴前壓力,可對井下節流井的井底流壓進行計算,進而了解油氣井的生產動態,節省井下壓力測試費用。利用Schüller等(2003,2006)發表的實驗數據對新模型、Sachdeva模型、Perkins模型、Ashford模型、Al-safran模型開展了嘴前壓力預測能力評價,嘴前壓力的誤差統計結果如表3所示,計算值與測試值對比如圖4所示。

表3 模型評價嘴前壓力誤差統計結果Table 3 Error statistics of pressure before the choke evaluated by the model

圖4 嘴前壓力實測值與模型預測值對比Fig. 4 Comparison between the measured pressure before the choke and the predicted value
從表3可知,模型對嘴前壓力預測能力的準確性排序依次是新模型、Sachdeva模型、Perkins模型、Al-safran模型、Ashford模型,這與模型對質量流速預測能力準確性的排序一致。
Discussion
模型評價表明,盡管Al-safran等(2007)考慮了氣液相間滑脫,但在模型的推導過程中,忽略了節流過程中氣相內能的變化,導致計算精度不及Sachdeva等(1986)、Perkins (1993)模型。這說明通過大量的假設,從一般守恒的角度,描述復雜的嘴流流動過程難度大,通過采用控制體和數值計算方法是比較好的研究思路,如Hydro模型。
Sachdeva等(1986)、Perkins (1993)、Ashford &Pierce (1975)、Al-safran等(2007)分別使用了流出系數修正模型的不完善性,而本模型和Hydro模型采用控制體的方法從機理上對嘴流過程進行描述,考慮了節流過程的不可逆損失,不再使用流出系數修正模型。
9個不同的氣液兩相滑脫因子計算方法對新模型質量流速的預測性能的影響如表4所示。

表4 不同滑脫因子關系式誤差統計Table 4 Error statistics of different slip factor formulas
從表4可看出,氣液兩相滑脫因子計算方法對模型有一定程度的影響。由于滑脫因子經驗關系式是根據不同流動壓力、溫度條件,以及流體物性,如表面張力、黏度等實驗數據點回歸得到的,因此滑脫因子計算方法應根據嘴流流動條件進行恰當選取。本模型結合Chisholm的滑脫因子計算方法的預測結果最接近實驗測試結果。
Application case
某產水氣井地層壓力為22.54 MPa,地層溫度為71.6 ℃;一點法試井求產,穩定后井底流壓為12.4 MPa,產氣量為6.53×104m3/d,試井解釋的特征參數為0.85,平均液氣比0.81 m3/104m3。油管下至產層中部且深度為2 590 m,油管內徑為50.3 mm。
2015年3月13日下入節流嘴生產,油嘴尺寸為3.0 mm,下入深度為1 760 m,配產量2.5×104m3/d,平均套壓為15.1 MPa,井口外輸壓力為4.7 MPa。因油嘴尺寸和下深不合理,產氣量迅速降至0.8×104m3/d,期間平均產液量0.99 m3/d。
2015年4月28日將嘴深由1 760 m增至2 200 m,配產增至2.85×104m3/d。根據連續攜液理論[24],油嘴出口至井口的連續攜液流量為(1.83~1.69)×104m3/d,產氣量大于連續攜液流量。因該配產能保證氣井連續攜液生產,為此選用Hagendorn-Brown模型計算井筒壓力分布,具有較高的準確性。根據配產氣量和一點法產能方程,計算得到配產氣量2.85×104m3/d下的井底壓力為19.1 MPa,嘴子入口壓力18.0 MPa。根據井口外輸壓力,利用Hagendorn-Brown模型和配產量計算的嘴子出口壓力為7.67 MPa。根據嘴子入口壓力、出口壓力及氣液比計算嘴徑,新模型計算嘴徑為3.23 mm,Sachdeva模型計算嘴徑為3.35 mm,Perkins模型計算嘴徑為3.10 mm,Al-safran模型的嘴徑為3.12 mm,最后安裝的氣嘴嘴徑為3.25 mm。井下節流工藝參數完善前后生產綜合曲線如圖5所示。工藝參數完善后,產氣量升至2.9×104m3/d,完成配產要求;同時產氣量、產水量、水氣比增加明顯,說明排液能力明顯增強。設計配產量與實際產氣量相差3.5%,氣井配產完成率為96.5%。對比4個模型設計的嘴徑、配產量及實際產量,新模型較其他模型的設計值最接近實際值,誤差最小。

圖5 某井節流前后生產綜合數據Fig. 5 Comprehensive production data before and after the throttle in a certain well
Conclusions
(1) 在優選滑脫模型的基礎上構建了新的氣液兩相嘴流模型,并給出了求解方法,該模型從機理上考慮了嘴流過程的不可逆損失,不需使用流出系數修正模型的不完善性。
(2) 模型評價表明,新模型可準確判別臨界流向亞臨界流過渡的臨界壓力比,同時能較準確計算質量流速和根據嘴后壓力計算嘴前壓力。模型對嘴前壓力預測準確性的排序與模型對質量流速預測能力準確性的排序一致。
(3) 對比分析了9個氣液兩相滑脫因子計算方法發現,新模型結合Chisholm的滑脫因子計算方法的預測結果最接近實驗測試結果。
(4) 實例井嘴徑設計計算表明,新模型設計嘴徑使實際產氣量接近配產氣量,僅相差3.5%,氣井配產完成率為 96.5%,優于 Sachdeva(1986)、Perkins(1993)、Ashford & Pierce(1975)、Al-safran(2007)等4 個模型。
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(修改稿收到日期 2017-06-03)
〔編輯 景 暖〕
A new model for predicting gas-liquid two-phase choke fl ow considering the slip
XUE Jianqiang1, ZHANG Wenhong2, LIU Yandong3, LI Donghao1, YAO Xin1, WANG Zhibin1
1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China;2. SINOPEC North China E&P Company, Zhengzhou 450042, He'nan, China;3. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Langfang 065000, Hebei, China
The accurate prediction on the ability of choke to allow gas/liquid mixture to fow through it is fundamental for the design of downhole or surface throttle process of oil and gas wells. And gas-liquid two-phase choke fow model is extensively applied in oil and gas production process. A new model for predicting the mass velocity of gas-liquid two-phase choke fow was established according to the principle of conservation of momentum based on the concepts of equivalent momentum specifc volume and equivalent kinetic velocity, combined with gas-liquid slip ratio, and its numerical solution algorithm was worked out. Compared with four other models,this new model is simpler and more convenient. Then, the accuracy of this newly built model and four commonly used two-phase choke fow models was evaluated by using the published experimental data of subcritical fow and critical fow. It is shown that this new modelis much superior to Sachdeva, Perkins, Ashford & Pierce and Al-safran models. Its average error of mass velocity prediction capacity is 1.37%, average absolute error is 6.37% and standard deviation is 5.79%. And its average error of pressure prediction capacity before the choke is 2.78%, average absolute error is 8.43% and standard deviation is 4.10%. The accuracy of this new model is affected by gas-liquid two-phase slip ratio calculation methods. Therefore, 9 methods for calculating gas-liquid two-phase slip ratio were comparatively analyzed in this paper. It is indicated that the prediction value is the closest to the experimental result when this model is combined with Chisholm slip ratio calculation method. And fnally, a certain water producing gas well was taken as the example to calculate the choke diameter of downhole throttle process. And the proration ratio of the choke diameter which is designed based on this new model is 96.5%.
two-phase choke fow; critical fow/subcritical fow; mass velocity; slip ratio; numerical simulation
薛建強,張文洪,劉艷東,李東昊,姚鑫,王志彬.考慮滑脫的氣液兩相嘴流新模型[J] .石油鉆采工藝,2017,39(4):464-471.
TE375
A
1000 – 7393( 2017 ) 04 – 0464 – 08
10.13639/j.odpt.2017.04.013
:XUE Jianqiang, ZHANG Wenhong, LIU Yandong, LI Donghao, YAO Xin, WANG Zhibin. A new model for predicting gas-liquid two-phase choke fow considering the slip[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(4): 464-471.
國家自然科學基金項目“垂直氣井井筒環狀流場中液滴的動力學模型及其特征研究”(編號:51504205);中國博士后科學基金面上項目“垂直氣井井筒環狀流場中液滴的動力學特征研究”(編號:2015M582668) ;十三五國家科技重大專項“杭錦旗地區致密低滲氣藏水平井井筒干擾模擬測試及助排工藝技術”(編號:2016ZX05048001-06-LH)。
薛建強(1968-),在讀博士研究生,研究方向為提高采收率理論與技術。通訊地址:(710018)陜西省西安市未央區鳳城四路長慶科技大廈超低滲透油藏開發部。E-mail:xjq1_cq@petrochina.com.cn
王志彬(1982-),副教授,博士,2012年畢業于西南石油大學油氣田開發工程專業,主要從事石油工程多相流實驗測試、理論建模、數值模擬及人工舉升工藝方面的研究工作。通訊地址:(610500)四川成都市新都區新都大道8號。E-mail:swpuwzb@163.com