采氣井筒不同流動階段兩相管流流態模擬實驗

韓 倩，徐 騫，陸俊華

（中國石化華東油氣分公司石油工程技術研究院，江蘇南京 210000）

目前，國內外對于氣液兩相管流的流態特征研究主要以實驗模擬和理論分析為主，其中對采氣井筒不同采氣工藝方式下的氣液流動規律及影響因素研究很少，尤其是對接近生產條件下的流態特征及影響流動規律的關鍵因素認識不夠明確。因此，在前期研究的基礎上，通過對不同采氣工藝和不同流動階段的氣液兩相流進行了實驗模擬，根據實驗結果分析采氣井筒不同流動階段的流態規律和主要影響因素[1]。

1 實驗裝置

開展不同條件下空氣/水兩相管流流型的水平管流流態模擬實驗。設計內徑為65 mm、水平段長為10 m的有機玻璃管實驗回路，進氣系統由螺桿式空氣壓縮機、液壓管線和儲氣罐組成；進水系統包括儲罐、液壓管線和計量水箱；測量系統包括壓差傳感器、壓力傳感器、超聲波計量水箱、數字式溫度計、氣體流量計、高速攝像儀、數據采集模塊和計算機等，能夠實現實時記錄。

實驗設備包括BK系列噴油螺桿式空氣壓縮機、柱塞計量泵、測控設備（氣體渦輪流量計、液體渦輪流量計、壓力傳感器、溫度傳感器）、輔助設備（注氣、注水短節、底座及支撐部件）等。

2 實驗原理

氣液兩相流流型是指氣液兩相流體在圓管中混合流動時呈現出的流動型態。水平管中氣液兩相流流型可分為泡狀流、段塞流、分層流和環狀流。由于氣液兩相均具有可壓縮性，且氣相為高度可壓縮，因此井筒中的氣液兩相管流流型變化十分復雜。流動氣液流量比是流型變化最主要的控制因素，另外，圓管的幾何尺寸、流動過程中的熱量質量傳遞以及流體的物理性質等也是影響氣液兩相管流流型的重要因素[2]。

3 實驗流程

在溫度20 ℃、1個標準大氣壓條件下開展實驗，從小到大調節氣流量，觀察氣液兩相流流型變化，實時記錄液流量、氣流量和井底壓力等相關數據，總結流型變化情況。實驗介質采用水和空氣，水由柱塞計量泵從水池抽出，經過流量調節閥調控目標流量，通過液體流量計測定水量；空氣通過空氣壓縮機加壓后，經過氣體流量計計量，再與水混合，一同流入水平井模擬實驗裝置，此時觀察水平井段內氣液兩相流型。具體實驗步驟如下：

（1）檢查實驗管路，調節水平管位置，使其保持水平；

（2）給定液流量，向水平井氣液兩相管流模擬器注水；

（3）根據不同的實驗要求，給定實驗參數，設置相應的實驗條件，觀察并記錄各井段的流型、井底壓力、傾斜管段壓差，同時計量單位時間內井口氣流量和液流量；

（4）重復步驟（3），分別完成氣流量為10，20，50 m3/h的模擬實驗；

（5）重復步驟（2）、（3）、（4），分別完成液流量為0.10，0.15，0.20 m3/h的模擬實驗。

4 結果與分析

4.1 自噴條件下氣井水平管流流態模擬實驗

4.1.1 實驗過程

使用螺桿式空氣壓縮機和柱塞泵進行供氣和水，先用空氣壓縮機將空氣輸送進儲氣罐，儲氣罐保證了穩定的供氣壓力，形成一個指向井筒方向的壓力降，以模擬自噴條件下的井筒流態，然后打開進氣開關，氣體從進氣系統的注氣短節注入井筒末端，而水則通過柱塞式計量泵，進入注水短節。待流動穩定后，采集工況數據，并利用高速攝像儀拍攝流型。在同一實驗條件下，采用多個進口壓力進行模擬實驗。在不同氣量、水量下進行實驗，進氣量分別為10，20，50 m3/h，水量分別為0.10，0.15，0.20 m3/h。

4.1.2 實驗結果

實驗結果如表1所示。

表1 自噴條件實驗結果

4.1.3 實驗結論

如圖1所示，在自噴條件下水平管內出現的氣液兩相流型主要為分層流，當進氣量和進液量增大到一定程度，會出現段塞流。由實驗數據可以看出，受重力作用影響，一般液體在管內下部流動，氣體在管內上部流動。在流量較小時，氣液兩相流動互相影響不明顯，呈現穩定的分層流動。只有當進液量和進氣量都增大到一定程度時，才會改變流態，出現段塞流。當進液量小，進氣量大、氣速較快時則會出現環狀流。

圖1 自噴條件下的分層流、段塞流、環狀流

4.2 泡排條件下氣井水平管流流態模擬實驗

4.2.1 實驗過程

首先啟動空氣壓縮機供氣、柱塞泵供水，在實驗管段中形成氣液兩相流；再在水平段指端注入Y–4型起泡劑，注劑量與進水量之比達到臨界膠束質量分數的0.3%；待流動穩定后，采集工況數據，利用高速攝像儀拍攝流型。實驗中要考慮水平段靶點高差影響，調節范圍為–5°～5°。在不同氣量和水量下進行實驗，壓力為0.12 MPa，進氣量分別為10，20，50 m3/h，水量分別為0.10，0.15，0.20 m3/h。

4.2.2 實驗結果

實驗結果如表2所示。

表2 泡排條件實驗結果

加入起泡劑后，生成了大量泡沫，由于重力作用，泡沫大多位于管道下部，管道上部則是氣體，氣液兩相相互不影響，分層流動。由于液量及氣量都增大，形成的泡沫較多，管內形成泡沫夾著小段氣泡的段塞流，如圖2所示。

圖2 泡排條件下的泡沫分層流、泡狀段塞流

4.2.3 實驗結論

加入起泡劑后，水平管內形成大量的泡沫，氣液兩相流型發生了一定的變化，流型不再是明顯的分為氣、液兩相，而是形成泡沫流動，水平管內存在的流型主要是泡沫分層流和泡沫段塞流。實驗中只有當進液量為0.2 m3/h、進氣量為50 m3/h時，才出現了泡沫段塞流，其他實驗條件下均為泡沫分層流，與自噴條件相比，流型有所不同，說明起泡劑對水平管內氣液兩相流型起到了一定的影響作用。

4.3 氣舉條件下氣井水平管流流態模擬實驗

4.3.1 實驗過程

采用壓縮機模擬氣舉排水采氣，先在水平管末端通入一定量的水，模擬井底積液，再通過螺桿式空氣壓縮機往儲氣罐中注入氣體，保證穩定的供氣與足夠的壓力，以模擬連續氣舉條件，然后通過儲氣罐從注氣短節往管內注氣。儲氣罐內壓力大于水平管內壓力，從而會形成生產壓差，使氣體流入井筒內帶動積液流動。同時柱塞泵按實驗設計的流量往水平管內持續注水，保證適當的水流量，并且通過儲氣罐持續注入高壓氣體，保證井筒內的壓力，模擬氣舉排水采氣時的狀態。待流動穩定后，觀察水平管內氣液兩相流型。

4.3.2 實驗結果

實驗結果如表3所示。

4.3.3 實驗結論

從表3、圖3中可以看出，氣舉條件下水平管內氣液兩相流型與自噴條件下水平管內氣液兩相流型類似，在不同的進液量與進氣量條件下，氣液兩相流型主要以分層流為主。當進液量較小、進氣量較大時，會出現環狀流（表3中序號3），當進液量和進氣量增大到一定程度時，則會出現段塞流（表3中序號6和9），實際影響氣舉條件下井筒流態的因素主要是注氣量的大小，這是因為注氣量的大小影響井底壓力以及氣體流速，從而影響了水平管內兩相流流型。

表3 氣舉條件實驗結果

圖3 氣舉條件下的分層流、段塞流、環狀流

4.4 電泵液條件下氣井水平管流流態模擬實驗

4.4.1 實驗過程

電潛泵井下機組主要包括離心泵、氣體分離器、保護器、電機和電纜等，其工作原理是通過潛油電纜將地面電能傳給潛油電機，潛油電機將電能轉換為機械能，帶動潛油泵高速旋轉，潛油泵中的每級葉輪、導殼均使井液壓力逐步提高，在潛油泵出口處達到潛油電泵機組要求的舉升揚程，所提升的井液通過油管被舉升至地面[4–6]。實驗中采用電潛泵代替柱塞泵供水，以模擬電潛泵條件下水平管內氣液兩相流流型。

4.4.2 實驗結果

實驗結果如表4所示。

表4 電泵液條件實驗結果

4.4.3 實驗結論

從圖4中可以看出，在電泵液條件下只出現了分層流和段塞流，并未出現環狀流，說明在電泵液條件下，在低進氣量與低進液量的情況下，氣液兩相各自能更穩定地流動，而當進氣量增大到50 m3/h時，水平管內氣液兩相流型也會發生變化，形成了段塞流。

圖4 電泵液條件下的分層流、段塞流

5 結論及建議

（1）自噴條件下，水平管內氣液兩相流流型主要是分層流和段塞流，當進液量小、進氣量大、氣體流速大時會出現環狀流，因此自噴條件要合理控制產量，才能保持較長的自噴期。

（2）泡排條件下，水平管內氣液兩相流流型主

要是泡沫分層流和泡沫段塞流，其中只有當進液量為0.2 m3/h、進氣量為50 m3/h時，才出現泡沫段塞流，其他實驗條件下均為泡沫分層流。

（3）氣舉條件下，水平管內氣液兩相流流型主要為分層流和環狀流，當進液量和進氣量增大到一定程度時，則會出現段塞流，注氣量的大小是影響氣舉條件下井筒流態的主要因素，因此調節注氣量大小可以實現對不同流型的控制。

（4）電泵液條件下，低進氣量與低進液量時水平管內氣液兩相流流型為分層流，而當進氣量增大到50 m3/h時，水平管內形成了段塞流。