氣液兩相嘴流臨界壓力測試及模型評價
——以伊朗北阿油田為例

高強

1.中國石油天然氣集團公司氣舉試驗基地,新疆 鄯善 832002 2.中國石油吐哈油田分公司工程技術研究院，新疆 鄯善 832002

北阿扎德干油田(簡稱北阿油田)位于伊朗胡齊斯坦省Ahwaz 城市以西約80km，地處伊朗和伊拉克邊界。伊朗北阿油田自投產以來，已經連續自噴采油3年多，日產油量都在75000桶(1桶≈0.159m3)以上。隨著油田的開發，部分井出現了供液不足、產量大幅下降的現象。為解決這些問題，筆者對北阿油田自噴井生產狀態和氣液兩相嘴流模型進行了深入的研究。國內外著名專家學者根據自己油區條件，建立了很多氣液兩相嘴流評價模型[1-9]。但由于流體性質和油藏類型的區別，以及模型實驗條件和建模思路各異，不同類型的評價模型計算結果有較大差異。

為選取最適合本油田的氣液兩相嘴流模型，在全油田范圍內展開大規模的氣液兩相嘴流實驗，利用測試數據篩選處于臨界狀態和亞臨界狀態的油井。對處于亞臨界生產狀態的13口井進行參數優化，采取有效的措施使其達到臨界生產狀態，防止油層低于泡點壓力生產，導致油層嚴重脫氣。處于臨界生產狀態的41口油井，根據實際的生產數據對四參數的氣液兩相嘴流模型進行綜合對比。筆者運用相對誤差、相關系數和綜合評定系數評價各類模型，選取相對最準確的評價模型來模擬計算每口油井的產能，以期為合理調節油嘴直徑和延長油井自噴期提供依據和指導。

1 氣液兩相嘴流模型

油嘴是油氣井生產系統中非常重要的組成部分，調節油嘴直徑可以控制產量以及地層能量衰竭速度。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。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，常用質量流速、產氣量或產液量表征[10]。氣液兩相嘴流模型在油氣井生產系統中有廣泛的應用，具體表現如下:

1)可根據油氣井的氣液比、產量、含水率、嘴前壓力和嘴后壓力設計油嘴直徑，達到控制油氣井產量的目的。

2)根據油氣井產量、生產氣油比和嘴后壓力，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，為油氣井生產動態預測提供方法，節省測試費用。

3)井下節流和地面節流的油氣井，可以根據油嘴直徑大小、氣液比、嘴前壓力及嘴后壓力等參數預測油氣井的產量，掌握油氣井的生產動態[11]。

目前常用的評價模型主要有Ashford 模型、Ros模型、Achong模型、Gillbert模型及Sachdeva 模型等[1-9]。由于氣液兩相嘴流的描述要比單相嘴流復雜得多，滑脫速率、含水率、黏度、摩擦阻力及油藏類型等因子都會影響計算結果[12-16]，一般根據測試數據得出的經驗公式計算。當流體處于臨界流動狀態時，油嘴流量不受嘴后壓力(即回壓)的影響，而只與油壓、油嘴直徑及生產氣油比有關，即:

表1 臨界流動時產量方程中的經驗系數Table 1 Empirical coefficient in production rateequation for critical flow評價模型abcGillbert0.1950.5461.89Ros0.2820.5002.00Achong0.0890.6501.88Elgibaly & Nashawi0.0510.6771.62童憲章0.2530.5002.00 pwh=aRbpDcQo (1)

式中：pwh為油壓，MPa；D為油嘴直徑，mm；Qo為產液量，m3/d；Rp為生產氣油比，m3/m3；a，b，c為經驗常數。

國內外著名專家學者根據自己油區條件及流體性質，建立了很多著名的氣液兩相嘴流臨界模型，其經驗常數取值見表1。

2 氣液兩相嘴流測試

2.1 氣液兩相嘴流臨界狀態理論

圖1 油氣井節流特征示意圖Fig.1 Schematic diagram of choke characteristics for oil and gas wells

2.2 測試裝置及測試流程

對于嘴流臨界狀態測試，前人使用室內試驗的方法展開模擬[18]，但由于不同的油藏類型、油區特點及流體性質等因素，在實際應用中會出現很大偏差。為獲取最符合油田實際情況的Rc，首次運用了現場儀器測試的方式：選取井口壓力、產量或油嘴直徑均有很大差別的25口油井，主要監測油嘴前后壓力、嘴后溫度、流量、含水率、產氣量和產液量等參數。具體測試參數范圍是：油嘴前后壓力0～15MPa，精度為0.001MPa；油嘴直徑5～20mm；產氣量0.1×104～ 10×104m3/d；產液量1～1000m3/d。測試參數通過壓力變送器、智能流量計、溫度變送器、兩相分離器上配套的電磁流量計與雷達液位計、含水分析儀和電動調節閥等現場儀器儀表，利用SCADA系統實現自動控制和采集(見圖2)。

圖2 氣液兩相嘴流臨界壓力測試流程示意圖Fig.2 Flow chart of critical pressure test for gas-liquid two-phase flow

具體測試流程為：油井正常生產時，讀取嘴前壓力(p1)和嘴后壓力(p2)，通過SCADA系統遠程控制分離器電動調節閥開度，進而設定不同的p2和R21，然后每口井按照預設的R21逐一計量測試，在產量變化區間反復加密測試，以獲取最準確的Rc。歷時近3個月的現場測試，對所有數據進行統計分析后，最終確定該油田Rc為0.532。當Rc小于0.532時，油井處于臨界生產狀態；當Rc大于0.532時，油井處于亞臨界生產狀態。

3 氣液兩相嘴流模型評價

3.1 產量變化趨勢評價

為驗證不同氣液兩相嘴流模型在北阿油田不同生產階段模擬計算的準確性，選取AZNN-005井對實際日產量與嘴流模型計算的日產量進行對比，結果見圖3。

圖3 3種模型計算的產液量與實際產液量對比圖 Fig.3 Comparison of calculated liquid production and actual liquid production

從圖3中可以看出，在2019年8月之前，3個模型計算的產量與現場生產數據具有較好的一致性，計算的產量的變化趨勢與實際情況相符。其中Achong模型計算產量的平均相對誤差為9.09%，Ros模型計算產量的平均相對誤差為12.31%，Gillbert模型計算產量的平均相對誤差為11.49%。在2019年8月之后，由于該井處在亞臨界生產狀態，使用上述模型計算時誤差增大，適用性變差。

3.2 產量預測能力評價

由于目前常用的氣液兩相嘴流評價模型主要針對于臨界流態，為避免處于亞臨界流態的油井帶來的誤差，根據試驗測得的Rc，剔除R21大于0.532的13口井，剩余的41口井由于處于不同生產階段，各項生產參數差異較大的數據(見表2)使用Gillbert模型、Ros模型、Achong模型、Elgibaly&Nashawi模型和Surbey-Kelka-Brill模型分別評價。用4個指標定量表征各評價模型對該油田的適應性，分別為平均相對誤差δ、平均絕對誤差Δ、相關系數η和綜合評定系數φ。即：

表2 評價數據取值范圍

(2)

(3)

(4)

φ=0.5(1-δ)+0.5η

(5)

式中：Qa,i為第i口井的實際產液量，m3/d；Qc,i為第i口井的模型計算的產液量，m3/d；N為測試總井數;i為第i口測試井,i=1,2,…,N。

表3 不同嘴流模型在油田的適用性評價

由式(2)～(5)可得出不同氣液兩相嘴流模型在北阿油田的適用性評價表(見表3)，通過定量對比可知，Achong模型的平均相對誤差為13.26%，平均絕對誤差為15.12%，相關系數為85.54%，綜合評定系數為0.86，三項指標均優于其他評價模型，應用Achong模型計算產能和設置油嘴直徑更符合該油田的生產特征。

3.3 產量-壓力關系評價

當油井處于臨界生產狀態，且油嘴直徑沒有變動的情況下，產量與壓力呈線性關系，并隨著壓力的降低而降低。以AZNN-020井為例，各類模型綜合評價(見圖4)后發現，Achong模型計算的產量-壓力關系與實際產量-壓力關系曲線最相符，比其他模型評價精度更高。

圖4 不同嘴流模型計算的油壓與產液量關系同實際情況的對比Fig.4 Relationship between tubing pressure and liquid production

4 應用實例

該油田某油井于2019年4月16日投產，油嘴直徑為32/64in(約12.7mm)，配產2000桶/d(約290m3/d)，初期油壓為8.124MPa，外輸管線壓力為0.91MPa。因油嘴直徑與配產量嚴重不匹配，油壓短期內下降至3.609MPa，產液量由初期的日產3374桶(約489m3)大幅下降至1754桶(約254m3)。

2019年7月4日對該井的油嘴直徑進行調整，參考其他小直徑油嘴且處于臨界生產狀態油井的生產參數，根據井口壓力、管線壓力、氣油比和配產量模擬計算該井的油嘴直徑。運用Achong模型計算的油嘴直徑為10.164mm；Ros模型計算的油嘴直徑為10.755mm；Gillbert模型計算的油嘴直徑為11.271mm；Elgibaly&Nashawi模型計算的油嘴直徑為10.517mm，最終使用直徑為25/64in(約9.922mm)的油嘴。生產參數優化后，該井的實際日產量為2136桶(約310m3)，實際產量與配產量僅相差6.3%(見圖5)。其他油井也存在著配產量與實際產量嚴重不匹配的情況，通過Achong模型計算并優化參數后，平均匹配率誤差僅有9.25%，很好地解決了這個問題。

圖5 參數調整前后產液量與油壓變化趨勢Fig.5 Variation trend of liquid yield and oil pressure before and after parameter adjustment

5 結論

1)經過現場測試和數據統計分析后，確定該油田的臨界壓力比值Rc為0.532;當Rc小于0.532時，油井處于臨界生產狀態；當Rc大于0.532時，油井處于亞臨界生產狀態。

2)利用生產數據逐一驗證不同氣液兩相嘴流模型，結果表明Achong模型的平均相對誤差為13.26%,平均絕對誤差為15.12%,相關系數為85.54%,綜合評定系數為0.86，4項評價指標均優于其他模型。

3)綜合運用Rc和Achong模型計算產能更符合油田的生產特征，對合理選擇該油田油嘴直徑、完成日產指標及延長油井自噴期提供了理論依據，同時對其他類似油田也具有一定的借鑒和指導意義。