油氣水多相管流預(yù)測(cè)方法研究

王修武，羅 威，劉 捷，廖銳全，陳元虎

(1.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石油氣舉試驗(yàn)基地多相管流實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100；3.中國(guó)石化江蘇油田分公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引 言

多相管流的研究已經(jīng)有30多年的歷史，研究得到的多相管流預(yù)測(cè)方法有二十幾種，被廣泛應(yīng)用的多相流計(jì)算方法接近10種。多相管流預(yù)測(cè)方法按導(dǎo)出原理可分為半經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚1-5]和機(jī)理模型[6-7]。盡管如此，多相管流還存在很多不完善和亟待解決的實(shí)際問題。早前，由于實(shí)驗(yàn)條件有限(介質(zhì)、流量范圍、測(cè)量?jī)x器精度[8]等)，能在油、氣、水三相流基礎(chǔ)上得到的多相流計(jì)算方法較少。近年來，中國(guó)著名科研院所開始側(cè)重于稠油多相流動(dòng)方面的研究[9]，直接忽略了對(duì)常規(guī)黏度原油與氣、水三相流動(dòng)的系統(tǒng)性研究。利用國(guó)外流行工程計(jì)算軟件PIPSIM、中國(guó)編制多相流計(jì)算軟件對(duì)中小產(chǎn)量、較高氣油比油井進(jìn)行多相流預(yù)測(cè)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，目前已有多相流計(jì)算模型預(yù)測(cè)壓力結(jié)果普遍偏高；而對(duì)中高產(chǎn)量、較高氣油比油井進(jìn)行多相流預(yù)測(cè)，與油田實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，目前已有多相流計(jì)算模型預(yù)測(cè)壓力結(jié)果普遍偏低[10]。針對(duì)以上問題，目前缺少常規(guī)黏度原油、氣、水三相流動(dòng)的系統(tǒng)性研究[11-12]。鑒于此，開展了常規(guī)黏度油、氣、水三相流動(dòng)的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上開展了多相管流涉及到的流型、持液率、壓降3個(gè)方面的預(yù)測(cè)模型研究。

1 流型預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證及優(yōu)選

在多相管流流型圖研究方面，目前比較認(rèn)可和備受關(guān)注的多相管流流型預(yù)測(cè)方法有Zhang Hongquan[6]、L.E.Gomez[13]、Kaya[14]、J.J.Xiao[15]、Beggs-Brill[5]、Barnea[16]、Mukherjee-Brill[8]。其中，Zhang Hongquan和Kaya屬于流型預(yù)測(cè)機(jī)理模型，L.E.Gomez和J.J.Xiao對(duì)流型的研究較少，Beggs-Brill、Barnea、Mukherjee-Brill屬于流型預(yù)測(cè)，非機(jī)理模型。鑒于此，開展了油、氣、水三相流研究，實(shí)驗(yàn)?zāi)M參數(shù)如表1所示。將通過實(shí)驗(yàn)繪制流型圖版(高速攝像機(jī)拍攝和肉眼觀察相結(jié)合)與現(xiàn)有模型繪制流型圖版進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。Zhang Hongquan模型和Beggs-Brill模型的實(shí)驗(yàn)條件均為51 mm管徑，空氣或水為介質(zhì)，傾角為20 °。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M參數(shù)選擇

圖1 不同含水及傾角多相流實(shí)驗(yàn)繪制流型圖與現(xiàn)有流型圖對(duì)比

由圖1可知，流型預(yù)測(cè)方法存在不準(zhǔn)確的地方。從總體上看，Mukherjee-Brill模型預(yù)測(cè)流型效果最好，Zhang Hongquan模型在傾斜角為60～90 °時(shí)流型預(yù)測(cè)效果較好，Barnea模型水平流型預(yù)測(cè)較好。因此，優(yōu)選Mukherjee-Brill流型預(yù)測(cè)模型作為研究預(yù)測(cè)流型。

2 持液率和壓降預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證及擬合

2.1 持液率和壓降預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在多相管流持液率和壓降預(yù)測(cè)方面，首先采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)常用的6種多相流計(jì)算方法進(jìn)行壓降預(yù)測(cè)驗(yàn)證(表2)，并對(duì)其中2種具有持液率計(jì)算能力的方法(Beggs-Brill、Mukherjee-Brill)進(jìn)行持液率預(yù)測(cè)驗(yàn)證(表3)。

2.2 不同組合條件下持液率計(jì)算誤差分析

對(duì)上述2種具有持液率計(jì)算能力的多相流方法分別進(jìn)行4種不同組合條件下的壓降預(yù)測(cè)對(duì)比(表4、5)。其中，4種不同組合條件為：A為持液率、流型和壓降均預(yù)測(cè)，B為持液率給出、流型和壓降均預(yù)測(cè)，C為流型給出、持液率和壓降預(yù)測(cè)，D為流型和持液率給出、壓降預(yù)測(cè)。

表2 6種方法壓降預(yù)測(cè)平均誤差統(tǒng)計(jì)

表3 2種方法持液率預(yù)測(cè)平均誤差統(tǒng)計(jì)

由表4、5可知，不同組合方法下，當(dāng)給出持液率時(shí)，與其他組合條件下相比，壓降預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率大大提高。這也說明，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)持液率能大大提高傾斜管流壓降預(yù)測(cè)的精度。

表4 Beggs-Brill方法不同組合條件壓降預(yù)測(cè)平均誤差統(tǒng)計(jì)

表5 Mukherjee-Brill方法不同組合條件壓降預(yù)測(cè)平均誤差統(tǒng)計(jì)

同時(shí)，對(duì)Beggs-Brill方法和Mukherjee-Brill方法進(jìn)行不同組合條件下持液率預(yù)測(cè)檢驗(yàn)，結(jié)果如表6、7所示。

表6 Beggs-Brill方法不同組合條件持液率預(yù)測(cè)平均誤差統(tǒng)計(jì)

由表6、7可知，Beggs-Brill方法流型預(yù)測(cè)與實(shí)際有較大差別，傾斜段預(yù)測(cè)存在較大偏差，因此，給出流型時(shí)，持液率計(jì)算誤差差別較大，而Mukherjee-Brill則基本相同，進(jìn)一步驗(yàn)證該模型流型圖判斷的準(zhǔn)確性。

表7 Mukherjee-Brill方法不同組合條件持液率預(yù)測(cè)平均誤差統(tǒng)計(jì)

2.3 持液率預(yù)測(cè)模型擬合

鑒于持液率的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性對(duì)壓降預(yù)測(cè)影響較大，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)持液率能夠大幅度提高壓降預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性?；诔Ｒ?guī)黏度油氣水三相多相管流系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(40、60、75 mm 3種管徑、不同傾角、不同含水率條件)對(duì)Mukherjee-Brill[14]的持液率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了重新擬合。由表7可知，水平狀態(tài)和傾斜狀態(tài)計(jì)算誤差差別較大，因此，對(duì)水平和傾斜2種條件分別進(jìn)行了擬合(表8)。

3 新預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證和誤差分析

分別從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)新預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。由于新模型是在系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上擬合得到，因此，首先需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)新模型進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的符合情況，即驗(yàn)證擬合過程的正確性，再通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)新預(yù)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)新模型的檢驗(yàn)

持液率和壓降預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間平均誤差如表9所示。

表8 水平狀態(tài)、斜井狀態(tài)持液率擬合結(jié)果

表9 新模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均誤差統(tǒng)計(jì)

將表9與表2、3、5、7對(duì)比可知，持液率預(yù)測(cè)和壓降預(yù)測(cè)精度均有較大提升，在傾斜狀態(tài)(包括垂直狀態(tài))可以滿足工程計(jì)算預(yù)測(cè)需要，證明擬合方法過程可行；由于水平管流壓降中摩阻項(xiàng)占主導(dǎo)，持液率重新擬合后壓降預(yù)測(cè)精度提升較小，而傾斜管流壓降中重力項(xiàng)占主導(dǎo)，持液率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確后該項(xiàng)預(yù)測(cè)精度提升幅度較大。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)新模型檢驗(yàn)

以新疆瑪湖油田多口生產(chǎn)井的實(shí)測(cè)流壓數(shù)據(jù)為例，對(duì)現(xiàn)有常用的6種井筒多相管流計(jì)算方法和新模型進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)驗(yàn)證。

3.2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

統(tǒng)計(jì)瑪湖地區(qū)7井次(5口井，測(cè)試井套管管徑為139.7 mm，油管平均傾斜角為0 °)的測(cè)試數(shù)據(jù)(表10)。

3.2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果誤差分析

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)7種多相管流壓力預(yù)測(cè)方法(包含新模型)進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果平均誤差統(tǒng)計(jì)如表11所示。

由表11可知，新預(yù)測(cè)模型平均相對(duì)誤差最小，為5.08%，其次為Mukherjee-Brill[14]方法，為8.53%?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的多相管流預(yù)測(cè)模型可降低多相管流壓降預(yù)測(cè)誤差，新預(yù)測(cè)模型可用于現(xiàn)場(chǎng)多相管流壓力分布預(yù)測(cè)。

4 結(jié) 論

(1) 在多相管流流型劃分方面，結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)流型圖版對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最適合的流型判斷方法為Mukherjee-Brill方法。

(2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)表明，現(xiàn)有6種多相流壓降預(yù)測(cè)方法誤差均較大，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)持液率能極大提高傾斜管流壓降預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步說明Mukherjee-Brill方法流型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

(3) 對(duì)Mukherjee-Brill持液率方法進(jìn)行了重新擬合，檢驗(yàn)表明，新模型擬合效果較好，且其傾斜管流壓降預(yù)測(cè)誤差明顯降低?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，新預(yù)測(cè)模型較其他模型預(yù)測(cè)精度至少提高3個(gè)百分點(diǎn)，預(yù)測(cè)更加可靠。

(4) 研究表明，傾斜管流壓降中重力項(xiàng)占主導(dǎo)，持液率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確后，壓降預(yù)測(cè)精度提升幅度較大，而由于水平管流壓降中摩阻項(xiàng)占主導(dǎo)，持液率重新擬合后壓降預(yù)測(cè)精度提升較小。

表10 7井次(5口井)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表11 壓力計(jì)算平均相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)(平均7井次)

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