蘇里格氣田泡沫和井下工具類排水采氣工藝研究現(xiàn)狀

作者：王瑞 1,2*，張寧生 1 ，劉曉娟 1 ，陳潔 3 ，竇亮彬 1
1 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，西安710065
2 川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，西安710018
3 西安交通大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，西安710049

關(guān)鍵詞:排水采氣；泡沫；速度管柱；霧化；渦流工具

國家自然科學(xué)基金(51374172)，陜西省教育廳科研計劃項目(15JK1566)和陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃(2015JQ5147)聯(lián)合資助

摘要

蘇里格氣田隨著逐年開發(fā)，低壓低產(chǎn)井越來越多。此類井產(chǎn)能較差，部分存在嚴重積液，排水采氣工藝已在該區(qū)塊廣泛應(yīng)用，但是各類工藝的參數(shù)優(yōu)化，以及不同類型、不同時期產(chǎn)水氣井對各種工藝的適用性如何，仍是急待解決的現(xiàn)實問題。該區(qū)塊應(yīng)用較多的是泡沫排水采氣和井下工具類排水采氣(速度管柱、霧化和渦流工具)，本文對其工藝原理、工藝應(yīng)用、工藝優(yōu)化與適用性分析和室內(nèi)及現(xiàn)場實驗研究現(xiàn)狀進行了綜述，并提出了目前該領(lǐng)域研究需要關(guān)注和待解決的相關(guān)問題

0 引言

蘇里格氣田低壓低產(chǎn)氣井產(chǎn)能普遍較差，不能滿足攜液要求，部分氣井井底或井筒存在積液，嚴重影響了氣井連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。為應(yīng)對此問題，排水采氣工藝已在氣田廣泛應(yīng)用。但不同類型產(chǎn)水氣井對各種排水采氣工藝的適用性，以及如何提高現(xiàn)有排水采氣工藝的理論分析精度和深度以解釋蘇里格氣田實際生產(chǎn)中所出現(xiàn)的特有現(xiàn)象，最終有針對性的優(yōu)化各種工藝的設(shè)計參數(shù)，并達到更好的增產(chǎn)效果是待解決的現(xiàn)實問題。

目前國內(nèi)應(yīng)用的排水采氣工藝主要有泡排、速度管柱(連續(xù)油管和小直徑管)、氣舉(氣舉、柱塞氣舉和球塞氣舉)、渦流、超聲霧化和泵抽汲(有桿泵、電潛泵、螺桿泵、水力射流泵和氣體加速泵)等。國外主要著眼于降低成熟排水采氣工藝的成本，以及發(fā)展單井排水與氣藏工程相結(jié)合的治水技術(shù)^[1]。在蘇里格氣田，近年來則形成了以泡沫排水采氣為主，速度管柱、柱塞氣舉和氣舉復(fù)產(chǎn)為輔，以及發(fā)展霧化和渦流等新技術(shù)的系列排水采氣工藝^[2]。其中，泡排、速度管柱、霧化和渦流井下工具排水采氣工藝，不涉及復(fù)雜的井口及地面動力設(shè)備，且井下工具中沒有機械運 動部件，排液原理都僅基于單純的氣液兩相流動，研究方法也相近，適合集中進行分析。
蘇里格氣田應(yīng)用較多的是泡沫排水采氣和井下工具類排水采氣(速度管柱、霧化和渦流工具)，本文對其工藝原理、工藝應(yīng)用、工藝優(yōu)化與適用性分析和室內(nèi)及現(xiàn)場實驗研究現(xiàn)狀進行了綜述，并提出了目前該領(lǐng)域研究需要關(guān)注和待解決的相關(guān)問題。

1 文獻調(diào)研簡況

經(jīng)文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)排水采氣工藝的研究始于1992年，2005年和2015年前后文獻量處于峰值，現(xiàn)今期刊論文數(shù)量仍在逐年增長(見圖1)，說明此方向仍是一個研究熱點。國內(nèi)的企業(yè)研究單位主要有：西南油氣田公司采氣工程研究院、長慶油田公司油氣工藝技術(shù)研究院和中國石油勘探開發(fā)研究院。代表性研究人員有：白曉弘、黃艷和曹光強等。國內(nèi)研究高校主要有西南石油大學(xué)李穎川教授團隊和中國石油大學(xué)(北京)。國外高校有University of Tulsa等。研究涉及的排水采氣工藝主要有：泡排、氣舉、速度管柱、渦流和霧化5種。涉及到的機理研究主要有臨界攜液流量和產(chǎn)水氣井井底節(jié)點分析等。

排水采氣相關(guān)專利中，涉及到的工藝主要有：泡沫、柱塞氣舉、渦流、霧化和速度管柱等。排水采氣相關(guān)的國家自然科學(xué)基金主要針對氣井的攜液機理研究。軟件著作權(quán)主要針對排水采氣工藝的優(yōu)選和工藝設(shè)計。成熟的排水采氣工藝行業(yè)標準主要有泡排和氣舉。

為滿足蘇里格氣田氣井排水系統(tǒng)工藝技術(shù)需求，長慶油田在 2013-2014年期間引進大量研究人員，開展了深入的研究工作，形成數(shù)量眾多的專利。

2 泡沫排水采氣工藝優(yōu)化研究現(xiàn)狀

泡沫排水采氣工藝的基本原理為：起泡劑加入后，氣井內(nèi)的液柱將變?yōu)榕菽?，形成穩(wěn)定的充氣泡沫(泡沫由充氣泡、泡膜和液溝構(gòu)成)，這樣就降低液體表面張力，改變井底及油管內(nèi)的氣液分布結(jié)構(gòu)，減少油管內(nèi)液相滑脫損失，降低油管內(nèi)混合流體的相對密度，減小井底回壓，減少井筒積液，從而增加氣井產(chǎn)氣量，延長氣井后期生產(chǎn)時間，提高采收率。
對泡沫排水采氣工藝，研究的核心為起泡劑及其加注方式。起泡劑的效應(yīng)有4種^[3-4]： ①分散效應(yīng)。降低液相表面張力，液滴在相同動能條件下更易分散； ②泡沫效應(yīng)。使水和氣形成水包氣的乳狀液，這樣將液柱變?yōu)榕菽?，可以減少井底回壓、減少水的滑脫，使氣和水同步流出井口，而且因為氣泡壁形成的水膜較厚，泡沫攜液量較大；③增加鼓泡高度。加入發(fā)泡劑后增加了泡沫的穩(wěn)定性，使泡沫柱的增高數(shù)倍；④促進流態(tài)的轉(zhuǎn)變。表面張力下降，促使水相分散。起泡劑的性能參數(shù)包括表面張力、起泡力、動態(tài)性能(起泡高度和攜液能力)和熱穩(wěn)定性等。使用的儀器主 要有羅氏米樂泡沫儀和動態(tài)性能評價儀。Jiang Yang等(2013)認為泡沫柱測試比攪拌法更適合評價泡排劑的動力表面活性^[5]。關(guān)于新型泡排劑，武俊文和雷群等(2016)通過加入納米二氧化硅球作為固態(tài)穩(wěn)泡劑，形成了耐高溫、高礦化度和凝析油的泡排劑^[6]。李兆敏等(2015)也開展了納米顆粒穩(wěn)定泡沫壓裂液的研究^[7]。泡排劑的加入方式嚴重影響其工藝效果，已形成多項加注裝置專利^[8-10]。

工藝氣井井筒內(nèi)泡沫流的流動特性是分析泡排工藝攜液機理和工藝優(yōu)化研究的基礎(chǔ)，對其的分析多是通過理論計算和在模擬井筒上進行實驗來完成的。 M.Solesa等(2006)認為研究泡排工藝的關(guān)鍵在于如何模擬泡排劑注入后井筒內(nèi)壓力梯度的變化。他計算發(fā)現(xiàn)若泡排井筒內(nèi)多相流體處在段塞流區(qū)，泡排效率較低。若多相流體在泡沫區(qū)，因不存在兩相邊界，攜液效果最好^[11]。王燕和周芳德等(2008)年在模擬管柱中觀測了不同濃度和氣液比下泡排劑對兩相流態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)管柱內(nèi)流態(tài)由彈狀流轉(zhuǎn)變成了泡沫兩相流^[12]。 A.T.Van Nimwegen等(2016)在有機玻璃井筒上進行了泡沫排水采氣模擬實驗。觀察發(fā)現(xiàn)，表面活性劑可以增加高氣流速時的井筒壓力梯度，減小低氣流速時的井筒壓力梯度。而且在高濃度表面活性劑時，攪動流不再出現(xiàn)，環(huán)狀流直接轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?sup>[13]。泡排在水平井上效果欠佳，程金金和李穎川(2014)針對此問題，進行了水平井的泡沫排水采氣模擬實驗(圖2)，發(fā)現(xiàn)泡沫流型與泡排劑濃度、進液量和氣體流速都有關(guān)系，并用實驗回歸建立了泡沫流壓降模型^[14]。

泡排工藝的參數(shù)優(yōu)化，主要是確定起泡劑的類型、用量、濃度、加注方式和制度。常將起泡劑性能評價、泡沫流動特性、臨界攜液模型和氣井流入流出動態(tài)節(jié)點分析結(jié)合起來進行。W.Jelinek等(2005)認為泡排井的攜液分析應(yīng)將臨界流量模型和節(jié)點分析結(jié)合起來進行^[15]。M.Solesa等(2006)推薦的泡沫排水采氣用節(jié)點分析流程如圖3所示^[11]。B.P.Reice等(2007)提到泡排并非在所有井上都有效果，應(yīng)注重井的診斷、泡排劑的選擇和恰當?shù)纳a(chǎn)管理^[16]。H.Li等(2007)測定了表面張力和泡沫密度隨表面活性劑濃度的變化，并將其與臨界攜液流速模型和井筒流入動態(tài)結(jié)合，以最大產(chǎn)氣量和最少泡排劑用量為目標建立了泡排工藝優(yōu)化模型^[17]。M.Farooq等(2015)分析了泡排井工藝現(xiàn)場問題，提出應(yīng)注意緩蝕和防垢劑與泡排劑的配伍性、優(yōu)化井口裝置、減小回壓、優(yōu)化不同地層壓力下的注入速度和與其它工藝相結(jié)合等4點認識^[18]。

可見，對泡沫排水采氣工藝，泡排劑的性能評價研究較多，但井筒內(nèi)泡沫流的流態(tài)、持液率和壓降等流動特性及泡排劑的用量和濃度、氣井產(chǎn)氣量和水氣比對其的影響研究還不充分。泡排工藝的優(yōu)化常根據(jù)經(jīng)驗進行，缺少可靠的理論依據(jù)，如節(jié)點分析、泡沫管流和滲流耦合等。

3 速度管柱等工具類排水采氣工藝優(yōu)化研究現(xiàn)狀

3.1 速度管柱排水采氣工藝
速度管柱(Velocity String)排水采氣工藝的基本原 理為：在原有生產(chǎn)管柱內(nèi)下入小直徑油管作為生產(chǎn)管柱,減少液體滑脫，提高氣井排液能力,使氣井恢復(fù)自 噴生產(chǎn)^[19]。

速度管柱排水采氣的井下工具為速度管柱。具體又可分為撓性管(連續(xù)管)速度管柱、連接管速度管柱和微管柱^[20]。與常規(guī)小尺寸油管相比，速度管柱強度相對較高，可下入較深的井。此工具施工現(xiàn)場圖見圖4。國內(nèi)相關(guān)專利有橇裝式小直徑管和機抽-速度管復(fù) 合裝置^[21-22]等。

速度管內(nèi)的氣液兩相流動特性是分析速度管柱工藝攜液機理和工藝優(yōu)化研究的基礎(chǔ)。相關(guān)管流理論模型研究就是在常規(guī)井筒內(nèi)氣液兩相流模型的基礎(chǔ)上 通過減小管徑進行的，與優(yōu)選管柱排水采氣工藝相同^[23-24]。S.A.Putra(2002)認為，速度管柱排水采氣的臨界流速可用Chen-Brill段塞-攪動流動邊界。室內(nèi)管流模擬實驗有在氣井攜液模擬實驗裝置上，使用小直徑模擬井筒進行的(圖5)，沒有考慮速度管-油管環(huán)空間的流動。

速度管柱排水采氣工藝優(yōu)化，主要是確定合適的管徑、下放位置和采氣方式。P.Oudeman(2007)認為，速度管柱的尺寸是工藝成敗的關(guān)鍵，可通過節(jié)點分析來選擇，需準確計算速度管柱內(nèi)和速度管柱-油管環(huán)空內(nèi)的氣液兩相流壓降^[26]。趙彬彬和白曉弘等(2012)根據(jù)現(xiàn)場試驗，分析了速度管柱排水采氣工藝在蘇里格氣田的適用性，優(yōu)選出?38.1mm連續(xù)管作為速度管柱，該工藝可解決產(chǎn)氣量大于0.3萬m³ /d氣井的積液問題^[27]。Juan Quintana等(2015)通過氣井流入流出動態(tài) 節(jié)點分析，結(jié)合臨界攜液模型來確定速度管柱尺寸^[28]。 相關(guān)工藝優(yōu)化研究未考慮速度管柱排水采氣的方式，如速度管柱或速度管柱-油管環(huán)空生產(chǎn)方式等(圖6)。

可見，速度管柱排水采氣工藝，相關(guān)理論模型可在常規(guī)井筒內(nèi)氣液兩相流模型的基礎(chǔ)上通過減小管徑來實現(xiàn)。有的室內(nèi)實驗就是使用小直徑模擬井筒來模擬氣井攜液，不涉及速度管-油管環(huán)空間的流動。

3.2 霧化排水采氣工藝
霧化(Atomizing)排水采氣工藝的基本原理為，使氣流中的液滴霧化，即讓其變?yōu)楦〉囊旱危瑥亩岣邭饩臄y液能力，達到排水采氣的目的。

霧化排水采氣的井下工具為霧化噴嘴。分為氣泡(流)霧化、直射霧化、離心旋流霧化和超聲波霧化噴嘴等多種^[29]。其中，直射霧化噴嘴與井下節(jié)流器有一定的相似性，使用較多。杜堅和秦崴嵬等(2004)提出可以在井下建立人工功率超聲波場，通過功率超聲對地層積水的空化作用，使地層積水局部的溫度和壓力升高實現(xiàn)快速霧化[30-31]。有關(guān)霧化器的專利已有多項^[[32-35]]。

加裝霧化噴嘴后井筒內(nèi)的氣液兩相流動特性，是分析霧化工藝攜液機理和工藝優(yōu)化研究的基礎(chǔ)，具體涉及氣液兩相變徑管流或節(jié)流。李虎和李增亮(2009)用流體力學(xué)軟件Fluent，對霧化效果進行了仿真研究，證明了噴嘴能減小液滴粒徑^[36]。相關(guān)的室內(nèi)模擬實驗和CFD數(shù)值模擬還較少，更多只是現(xiàn)場直接的應(yīng)用^[29]，以及其它工程中噴嘴霧化后液滴的粒度分析研究(圖8)。文獻中還有霧化技術(shù)在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、鍋爐和水霧降塵等領(lǐng)域的實驗研究^[37-39]。

噴嘴霧化排水采氣工藝的優(yōu)化，主要是確定噴嘴的尺寸、結(jié)構(gòu)和下放位置。此方面研究較少，更多的是現(xiàn)場應(yīng)用的分析。

3.3 渦流排水采氣工藝
井下渦流(Swirl/Vortex Flow)排水采氣的工藝原理為，通過改變流體介質(zhì)流體的運動方式，使原有的垂直向上紊流流態(tài)變?yōu)榭墒沽黧w流動截面積減小的螺旋向上的渦旋層流，這可有效降低油管的流動摩阻與滑脫損失，充分依靠氣體自身膨脹能量提高流體的攜液舉升能力^[41]。渦流原理的應(yīng)用不僅僅在排水采氣工藝上，在鉆井過程中的水平段巖屑攜帶、壓裂中支撐劑運移、儲運中的油氣水混輸、氣液分離及兩相計量^[42]、管道彎曲處減壓[43]和其它工程中的固體顆粒的管道輸送等都有涉及。

渦流排水采氣的井下工具為渦流工具，依據(jù)工作原理不同又分多種。渦流“起渦方式”文獻中有螺桿式^[44]、葉片式^[45]、飛輪式^[46]、漏斗式^[42]和分流式^[47]等，見圖9。長慶油田使用的是螺桿式[48]，具體由打撈頭、繞流器、導(dǎo)流筒和座落器4部分組成，其工具實物見圖10。作業(yè)時用鋼絲或測井電纜連接在渦流工具打撈頭上部，然后緩慢、平穩(wěn)地下入油管，到設(shè)計位置時，上提鋼絲，卡簧彈開，下放鋼絲，工具沿油 管下滑，接箍擋環(huán)在油管接箍處自動卡住，完成渦流工具的安裝^[41]。其它的相關(guān)專利有螺旋流、多螺線渦流和雙向卡瓦渦流等^[49-51]。

加裝渦流工具后，井筒的氣液兩相流動為螺旋分層流，其流動機理十分復(fù)雜，給分析其攜液機理并進行工藝優(yōu)化研究造成較大困難。對用于制冷或制熱效應(yīng)的“渦流管”的研究^[53]雖與此有聯(lián)系，但本質(zhì)不同。G.Falcone(2003)在分析“漏斗型”的氣液旋轉(zhuǎn)分離器時，使用了相關(guān)環(huán)膜流的流動模型^[42]。Ahsan J. Ali(2005)進行了渦流工具排水采氣室內(nèi)模擬實驗，獲得了氣體流量與液體流量、持液率、井筒壓降和井口壓力間的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)渦流工具適用于低壓氣井，它使氣井臨界流速降低，壓降減小了 17%，同時提出 渦流工具所能影響或控制的流動區(qū)域還有待分析^[54]。 Jacobssons S等(2006)為了改進天然氣分離洗滌器的設(shè)計，進行了一系列渦流管內(nèi)流體流動實驗和CFD數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)數(shù)模無法模擬渦流管出口處的復(fù)雜流動[46]。Surendra M等(2009)分析了渦流在排水采氣、砂泥傳輸對管道彎曲段的沖蝕和濕氣計量中的應(yīng)用，并進行了相關(guān)模擬計算[55]。Meher Surendra(2009)用CFD初步模擬了氣液兩相渦流流動過程，相關(guān)初始參數(shù)取自G.Falcone(2003)和Falcone.G.(2006)的實驗結(jié)果[56]。Texas A&M University的BOSE R等人，進行了渦流排水采氣室內(nèi)模擬實驗研究^[44](圖11)。國內(nèi)，王樹立等(2013)出于研究螺旋輸送的目的，開展了水平圓管氣液兩相螺旋流實驗^[45]，但采用的是類似風(fēng)扇一樣的葉片“起渦”。李穎川和徐建寧等進行了渦流排水采氣工藝的室內(nèi)實驗，如圖12和圖13所示。

渦流工具排水采氣工藝優(yōu)化，主要是確定渦流工具的結(jié)構(gòu)、下放深度和級數(shù)。近2年，國內(nèi)相關(guān)單位 對此進行了大量研究，主要是集中在數(shù)值模擬方面，涉及渦流工具的現(xiàn)場應(yīng)用效果評價^[41,59]、室內(nèi)模擬實驗^[60]和CFD模擬及優(yōu)化工具結(jié)構(gòu)^[61-63]等，研究發(fā)現(xiàn)渦流工具的螺旋角度是影響工藝效果的關(guān)鍵參數(shù)^[64-65]。 如，馮崔菊等(2013)用Fluent軟件進行仿真計算，分析天然氣流速、井底含水率和渦流工具結(jié)構(gòu)對其排液效果的影響^[61]。需注意，渦流工具具有氣液分離的作用，將井內(nèi)氣液分離后，如果是多層合采，還有用油套環(huán)空生產(chǎn)，油管收集產(chǎn)層積液后，再自動注入產(chǎn)層 下一層的做法^[66]，思路新奇，值得關(guān)注。

可見，渦流排水采氣工藝的攜液理論模型涉及氣液兩相螺旋分層流，其流動機理復(fù)雜，相關(guān)室內(nèi)實驗研究不多。渦流工具排水采氣工藝優(yōu)化，目前國內(nèi)主要是集中在數(shù)值模擬以及現(xiàn)場應(yīng)用方面。

4 不同類型排水采氣工藝的適用性研究現(xiàn)狀

關(guān)于排水采氣工藝適應(yīng)性的選擇，通常是基于現(xiàn)場工藝效果統(tǒng)計和經(jīng)驗。Fitrah Arachman(2004)比較了氣舉、間歇生產(chǎn)和速度管柱 3 種工藝相場的應(yīng)用效果^[67]。曲林[68](2004)提了的四川氣田氣井排水采氣工藝的選型方法，根據(jù)地層壓力、日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)水量 3 項參數(shù)分析(表1)。黃艷(2008)[69]和曲林(2004)^[68]提出了針對四川盆地的幾種常用排水采氣工藝適應(yīng)性及其技術(shù)界限，結(jié)合文獻[3]中的相關(guān)表述，匯總列于見 表2。李文魁(2009)根據(jù)產(chǎn)氣量和氣水比2項參數(shù)提出了澀北氣田排水采氣優(yōu)選控制圖[70]。針對蘇里格氣田，張書平（2005）^[71]提出低壓低產(chǎn)氣井可采用優(yōu)選管柱、柱塞氣舉、泡排、產(chǎn)水井復(fù)產(chǎn)等單一排水采氣工藝，以及常規(guī)泡排接替小直徑管復(fù)產(chǎn)的復(fù)合排水采氣工藝。

以上都是一些較簡單的選擇標準，鞏艷芬(2007)^[72]認為這些方法“考慮問題角度單一，停留在定性分析基礎(chǔ)上”，她將TOPSIS方法應(yīng)用到排水采氣技術(shù)的優(yōu)選中,充分利用原始數(shù)據(jù)信息，使排序結(jié)果定量反映不同評價對象的優(yōu)劣程度。鄭新欣(2008)^[73]針對目前比較常用的泡排、氣舉、優(yōu)選管柱、機抽、電泵和射流泵等6種排水采氣工藝，確定了以工藝成本、投資回收期和最短作業(yè)周期為主的排水采氣工藝方法優(yōu)選的經(jīng)濟指標體系和以產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和舉升效率為主的排水采氣工藝方法優(yōu)選的技術(shù)指標體系，并根據(jù)模糊評價理論建立了以模糊一致矩陣為基礎(chǔ)的排水采氣工藝優(yōu)選模型。

可見，目前對排水采氣工藝的適用性研究，各種工藝適用性準則劃分較為粗糙，只涉及到部分產(chǎn)能和儲層參數(shù)，如產(chǎn)氣量、水氣比、井深和地層壓力等， 還未落實到最終的攜液和增產(chǎn)效果上，工藝種類的選取更多還是憑借經(jīng)驗進行。

5 排水采氣工藝實驗裝置和方法研究現(xiàn)狀

為氣井攜液及排水采氣工藝機理涉及到的氣液兩相管流較復(fù)雜，如果沒有實驗觀察和驗證，理論模 型計算的結(jié)果可信度低，所以很有必要對研究的實驗手段進行調(diào)研。

5.1 室內(nèi)氣井攜液和排水采氣模擬實驗
室內(nèi)氣井攜液和排水采氣模擬實驗是在模擬井筒內(nèi)，用模擬排水采氣井下工具以空氣和水為流體介質(zhì)，進行攜液和排水采氣工藝實驗。它的優(yōu)勢在于透過有 機玻璃模擬井筒可直觀的觀察兩相的流態(tài)和液滴、液膜的形狀及運動軌跡，以用于理論計算。缺點則在于模擬井筒承壓能力有限，特別是其長度與真實氣井的井深差別很大。調(diào)研文獻中及相關(guān)研究單位的實驗裝置信息如表3所示，實物圖如圖14所示。

可見，排水采氣工藝優(yōu)化的室內(nèi)實驗研究多是在氣井攜液模擬實驗平臺(圖7-9)的基礎(chǔ)上，加裝相應(yīng)的工具管段進行的，安裝位置多在模擬井筒(直垂直 或傾斜段)底端。模擬排水采氣工具，不必與直實井下工具一致，而只要原理相同即可，也不用考慮與真實井況類似的工具下放和提取問題。

對于模擬氣井井筒，其材質(zhì)為有機玻璃和鋼質(zhì)，以有機玻璃居多。井筒放置有垂直、水平和傾斜3種方式，以垂直居多。井筒的尺寸多為?50mm×10m。玻璃井筒所配氣泵壓力1~3MPa排量，45~653m3/h，水泵排量0.6~30m3/h，鋼質(zhì)井筒所配氣泵壓力1~3MPa， 排量45~653m3/h，水泵排量0.6~30m3/h。對持液率的測量，普遍的計量方式是測量井筒里的液體量或氣、液流量，即所得為整個井段的體積持液量或質(zhì)量持液率，模擬井筒通常為單個圓管，安裝有套管和模擬儲層裝置的較少，特別是模擬儲層，如G.Falcone(2007) 所提[86]，這是模擬井筒實驗普遍存在的缺憾。

對泡沫排水采氣，通常的室內(nèi)實驗是在較短的模擬管柱內(nèi)進行泡沫性能動態(tài)評價實驗。泡排劑由模擬油套環(huán)空加入，不再涉及專門的工具，即目前的研究對泡沫流的流動特性，如流態(tài)和壓降等關(guān)注較少。對工具類排水采氣：①速度管柱相關(guān)室內(nèi)實驗中，僅完全用不同尺寸的小管徑有機玻璃管來模擬速度管柱(圖5)，未考慮速度管柱-油管的環(huán)空問題；②霧化排水采氣室內(nèi)實驗中，多進行經(jīng)噴嘴霧化后液滴的粒度 分析(圖8)，未見有在室內(nèi)模擬井筒進行模擬采氣實驗的，可能因為霧化要求氣壓較高，模擬井筒無法承受。對室內(nèi)實驗用霧化器，可用有機玻璃加工成拉瓦爾管進行模擬；③渦流排水采氣室內(nèi)實驗中，有利用多種起渦原理加工成的簡易工具裝入井筒進行模擬實驗的(圖11-13)。

5.2 實驗氣井或現(xiàn)場工藝井的實驗
實驗井實驗即在干井上進行氣井攜液和排水采氣實驗，它的優(yōu)點是井身結(jié)構(gòu)與真實井相同，特別是井深，也可測井筒內(nèi)壓力和溫度沿井身的分布。缺點是，無法觀察兩相流態(tài)，持液率沿井身的分布也不可測。國內(nèi)相同采油采氣實驗井的信息見表4。

可見，國內(nèi)實驗井的建設(shè)很少，多出于井控研究的目的，基本都為直井。西南油氣田分公司建設(shè)有采氣工藝模擬井，但還未見詳細介紹。也沒有在實驗井上進行的排水采氣工藝研究的報道。

對于實驗井上的排水采氣實驗，所用井下工具與真實排水采氣工具完全相同。

需注意，目前無論氣井攜液、排水采氣室內(nèi)模型實驗還是實驗井平臺，一個共同突出的問題是，都無法準確模擬儲層中氣-液兩相流動與井筒中兩相流動通過井底節(jié)點的耦合，此問題還需深入研究。

6 結(jié)論

綜上所述，目前所應(yīng)用的排水采氣工藝種類雖多，但多局限在試劑評價和工具的現(xiàn)場試用，缺少相應(yīng)室內(nèi)模擬實驗和理論計算分析，這會造成部分工藝使用不當，甚至導(dǎo)致排液效果不佳，具體問題有：

(1) 泡沫排水采氣方面。泡排劑的性能評價研究較多，但井筒內(nèi)泡沫流流動特性及影響因素的研究還不充分。泡排工藝的優(yōu)化常以經(jīng)驗進行，缺少可靠的理論分析依據(jù)，如節(jié)點分析、泡沫管流和滲流耦合等。 (2) 井下工具類排水采氣方面。 ①速度管柱理論建模可通過減小常規(guī)井筒內(nèi)氣液兩相流模型里的管徑參數(shù)來實現(xiàn)。室內(nèi)實驗有用小直徑模擬井筒進行的，但還未涉及速度管-油管環(huán)空間的流動，即相關(guān)工藝優(yōu)化研究未考慮速度管柱排水采氣的方式；②霧化排水采氣。加裝霧化噴嘴后井筒內(nèi)的氣液兩相流動為氣液兩相變徑管流或節(jié)流，相關(guān)攜液機理和工藝優(yōu)化的室內(nèi)模擬實驗和CFD數(shù)值模擬研究還較少，更多只是工具的現(xiàn)場直接應(yīng)用；③渦流排水采氣。攜液理論模型涉及到的為氣液兩相螺旋分層流，其流動機理復(fù)雜，相關(guān)室內(nèi)實驗研究不多，其工藝優(yōu)化目前國內(nèi)也主要集中在數(shù)值模擬方面。此外，這3種工具類排水采氣 工藝相關(guān)室內(nèi)模擬實驗多在直井筒中進行，沒有考慮不同井型的影響。

(3) 各種排水采氣工藝的適用性準則劃分較為粗糙，只涉及到部分儲層和氣井產(chǎn)能參數(shù)，未落實到最終的攜液和增產(chǎn)效果上，工藝種類的選取更多還是憑借經(jīng)驗進行。

(4) 氣井排水采氣工藝的室內(nèi)模擬實驗研究，目前主要集中在泡沫性能動態(tài)評價和渦流工藝上，水平和傾斜放置的模擬井筒以及安裝有套管和模擬儲層裝置的實驗平臺較少。國內(nèi)還未見有在實驗井上進行排水采氣工藝研究的詳細報道。

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