文摘
为了不阻碍天然气生产,我们通常希望井底积液可以排放到表面用高压天然气。对于高含水量气井的生产数据,含水量和liquid-carrying能力不足的问题影响气井生产应该考虑。根据井筒气液两相管流理论和传热理论,温度和压力耦合预测模型建立了高含水气井。结合井下节流机制及气液两相均匀流理论,建立了温度和压力场分布模型。结果表明,相比于Ramey模型和哈桑Kabir模型,耦合的温度和压力预测模型的高含水气井建立研究最小的变异系数四组数据的测试。在此基础上,不同的工作条件和油嘴直径的影响高含水气井井下节流特性进行了分析。本研究的结果有助于更好地预测井筒温度和压力耦合的高含水气井和提供更有效的帮助顺利气井的生产。
1。气液两相的研究现状
井筒温度和压力场的预测一直是一个科学家共同关心的重大问题1),因为它是与石油生产技术的精确建设(2,3],管柱的安全[4- - - - - -6),各种井下工具的正常使用7),生产过程的可靠性(8,防止石油和天然气井蜡和规模受到温度和压力(9- - - - - -12]。如今,在天然气井的日常生产过程,相变的天然气在井筒是越来越常见13,14]。例如,形成和其他环境因素的影响,地层水或其他自由水经常出现在生产气井的井筒,和大量的积累将导致井筒积液。这个网站经常希望水渗透从形成到井底可以携带到地面高压天然气流体。为了解决这一工程问题,许多学者提出了新的计算方法来计算和获得气井温度的相关数据,压力场和液体携带。
Abdelhafiz et al。15)提出了一个模型来预测垂直井筒的温度分布系统循环和关井条件下。模型可以模拟瞬态温度扰动的钻井液、钻柱、套管柱,水泥套管,和周围的岩层。然而,温度和压力的耦合效应是不被认为是在模型中。特纳首先考虑井筒流动过程,建立了液滴模型。其中,重要的气体速度的计算公式和液滴参数由气流得到基于液滴的几何尺寸和力模型(16]。然而,该模型对气液比的要求。当气液比达到一个特定的值( ),模型可以应用于气井环雾流。基于特纳的模型、灰色考虑温度梯度的影响,气体组成、流体加速度,和其他因素在液体携带气井和获得的气液两相管流的井筒压降通过实证模型(17]。然而,灰色模型没有不同的流动模式,它只适用于井筒流动稳定,不适用与积液生产井。2006年,Ghalambor和徐提出了一种新的气井liquid-carrying模型(18]。针对难以计算多相流气井的压力,采用一个简化的过程。认为气体的动能只是略高于所需液体携带为了使液滴从井底到表面。方法来预测临界流用于解决特纳模型的缺陷,不能有效地计算多相流气井的压力,但模型只解释了液滴被带出井口从宏观的角度来看,不考虑液滴形态和井筒环境的影响。基于液滴的形成过程在气井中,李等人提出了一个椭圆形液滴模型考虑因素,如压力和环境(19]。liquid-carrying临界流的计算方法。与特纳模型相比,计算值是约38%的结果,这是比特纳模型更准确,但该模型没有考虑井筒压力和温度环境的影响在liquid-carrying能力。2010年,朝阳采用一个新的椭球模型(20.),考虑了液滴物理模型和大小对应力的影响模式,分析了liquid-carrying与液体气井井筒的过程,并获得一个新的椭球面计算模型。然而,应用程序领域的限制条件。
2012年,Zhibin和Yingchuan考虑液滴参数的影响,应力模型和其他因素对liquid-carrying能力和给一个合理的解释的差异每个气田的liquid-carrying容量的计算结果(21),但该模型忽略井筒流体流动模式的改变。2012年,智等人建立了节流过程中关键liquid-carrying模型。定性分析,井下节流可以提高天然气井的liquid-carrying能力(22),但是这个模式无法解决liquid-carrying流和天然气生产之间的定量关系。2014年,帮派液滴表面张力的简化计算,忽略表面张力的影响的临界流液体携带,取而代之的是定量常数。认为表面张力会改变不同的温度和压力(23),但定量表面张力与温度和压力之间的关系并不是描述。2018年,针对低压liquid-carrying能力不足的问题,产量很低的气井,杨计算临界liquid-carrying流在不同深度的变化24)和获得,主要发生在高压气井井口和低压和低当量的天然气井主要发生在底部的。然而,他并没有建立一个适当的关键liquid-carrying流量预测模型,但一个定性的判断。金宝,2020年建立了预测模型的关键liquid-carrying斜天然气井速度基于气液两相流的特点(25)和多参数进行灵敏度分析。模型的预测效果基于一个环雾流模式更好。
通过上面的数据调查,得出考虑节流过程中,很少有研究的变化关键液体携带气井的流动,并研究在井筒流型的变化的变化关键液体携带气井的流动很少涉及。因此,有必要研究两阶段的模拟调节温度和压力在高含水气井。此外,上述方法不提及的预测井筒温度和压力下的高含水天然气高温高压。因此,气井在大宁蓟县块为研究对象,本文不仅考虑了井筒传热,也考虑了井筒温度和压力形成阶段的影响国家的天然气,建立含水气井的井筒压力耦合模型,并讨论了油管直径、天然气生产、水和气体之间的关系比和井筒温度场和压力场。本研究的技术流程如图1。
首先,气液两相管流模型的高含水气井。其次,计算气井温度和压力模型,和相对误差与Ramey模型相比,哈桑和Kabir模型和实地测量数据。然后,高含水量气井井下节流模型介绍了计算高含水量的节流压力和温度降低气井,和气井的例子分析了节流压力和温度下降。最后,数值模拟井下节流。
2。温度压力耦合计算的高含水气井
根据井筒传热机制,考虑到气体热物理的参数和焦耳汤姆逊系数、井筒由于耦合预测模型建立了高含水气井。预测模型和哈桑Kabir之间的关系模型,Ramey模型,和现场实测数据探讨了通过使用变异系数方法,验证了模型的准确性,井筒温度和压力场的敏感性分析,油管内径的关系,天然气产量、气水比和井筒温度和压力场高含水气井的探索。井筒温度和压力耦合模型的单相气井和含水高的温度和压力计算模型建立了气井,分别。模型验证了Daji赔率和Daji 4 - 5天然气井。
2.1。预测模型的井筒压力温度耦合分布在高含水气井
含水量低的气井通常视为单相纯气井,但对于高含水量的气井,单相气井的压力和温度预测模型不能满足精度要求,因此有必要重建压力和温度预测模型的基础上考虑含水量。
在日常生产和管理的天然气井,气相起着主导的作用,只有少量的液体。然而,随着生产时间的不断延长,井筒中的液体内容也将增加,这样整个井筒中的流动特性完全不同于纯气体的流动,反映两相流的特点。此外,由于温度和压力的不断衰减的井筒从底部到地上,气体和液体之间的质量交换发生,以及气体和液体的物理参数同时变化。因此,有必要建立气液两相管流模型在高含水气井的动态模型来描述井筒气体和液体的流动。
井筒中的流体被视为一维流,也就是说,气体和液体的流动参数和物理参数阶段管道的任何部分都是一致的,即平均价值的部分。两相流的均匀流模型研究方法用于分析。
2.1.1。连续性方程
以一维微元素部分研究;它的直径是管道横截面积 ,如图2。建立流模型沿着流动方向,连续性方程可以表示为
已知的
在均匀流模型中,滑动速度比率是1,也就是说,认为没有气相和液相之间的滑动,和体积空隙率等于质量空隙率,因此可以获得以下:
2.1.2。动量方程
类似于单相流,均匀流的动量方程的形式可以表示三个压降梯度,可以表示为
产生的压力梯度均匀流的严重性
摩擦梯度可以表示为
排序:
加速度压力梯度可以表示为
排序:
2.1.3。能量方程
在均匀流模型中,根据能量守恒原理,微观元素的能量守恒方程
它可以表示为
用两相流的基本参数:
因为没有外部工作在井筒气液两相流中,因此
通过引入特定的焓和微观元素部分的长度油管,可以获得能量守恒方程如下:
比焓是温度和压力的函数,即
热转移径向水泥鞘之间的接触表面,形成表示为
从水泥层径向传热周围的地层
热转移到第二个接触表面是等于给周围生成热通过第二接触表面。每个部分可以同时获得的出口温度:
焦耳汤姆逊系数可以表示为(26]
在哪里 。
井筒由于耦合模型的高含水气井需要通过迭代的方法解决。井筒分为部分。假设每个部分的热物理参数相等,井底温度和压力参数设置为边界条件,和下一节的相关物理参数计算根据计算井筒温度和压力,直到完成。
2.2。示例计算气井的压力和温度
建立了温度和压力耦合模型的基础上的高含水气井,验证上述模型结合现场实际井筒数据,和Ramey之间的相对误差模型(27),哈桑和Kabir模型、热应力耦合模型的高含水气井,和现场实测数据进行了比较。井筒压力场的温度和压力分布与油管尺寸的变化,天然气生产,气水比进行了分析。
2.2.1。井筒温度和压力场模型的比较
表1显示了井筒结构参数Daji赔率和Daji 4 - 5块。
上述Daji赔率,运行的表层套管深度是554.91 m,运行的气藏套管深度是2471.75 m,表层套管运行Daji 4 - 5井深度554.64米,和运行的气藏套管深度是2486.47米。总体吉尼斯世界纪录的两个井小于2000,他们不能被视为单相气井。使用温度高含水气井压力耦合理论模型,测量天然气井的基本参数写入程序(如井底温度、井底压力、井深,和流体密度)的初始条件和替换成温度压力耦合理论模型的高含水气井组以上。井段分为微观元素的迭代解。由于四阶龙格库塔方法解决微分方程更准确,四阶龙格库塔方法用于解决微分方程。总之,通过MATLAB编程计算结果如图所示3。
(一)比较Daji井筒温度分布的赔率
(b)的井筒压力分布比较Daji赔率
(c)的井筒温度分布比较Daji 4 - 5
(d)比较Daji 4 - 5井的井筒压力分布
如图3,井筒温度和压力耦合预测模型的高含水气井在本文建立具有更高的准确性和更接近于现场测量数据比哈桑和Kabir模型和Ramey模型。从图可以看出,Ramey模型不能正确判断井筒温度和压力场的高含水气井;哈桑和Kabir模型比Ramey模型更精确,因为它有两相管流模型的理论基础。然而,当计算井筒温度和压力场,采用的方法首先计算压降和独立考虑压力变化与温度变化之间的关系,拥有大量偏离现实。对于Daji赔率模型,温度预测更准确,预测误差很大的压力。这种现象有两个原因:(1)模型是不连续造成的压力计算地层压力梯度;(2)实测压力数据的实际测量误差也会导致偏离理论计算值。Daji 4 - 5井,井筒压力预测更准确和温度误差相对较大。这可能是由于地温梯度的近似连续变化的计算形成温度。理论模型可以应用于工程实践。
2.2.2。模型误差分析
由于尺寸和条件的四组数据在图3不同于彼此,一个统一的错误不能用于比较分析。介绍了变异系数来描述之间的偏差模型相对于现场测量的数据。变异系数可以表示为
通过变异系数的四组数据的分析,结果如表所示2。
如图4,高含水气井的热应力耦合预测模型在本文建立最小的变异系数四组数据的测试,表明与实地测量数据的离散程度最小,精度最高。
3所示。建立高含水气井井下节流模型
介绍了压力和温度变化的天然气气井筒中的流体通过阻塞,提出井下节流压力和温度的解决方案模型。主要用于单相气井和高含水量气井井下节流操作,结合井下节流机制,建立井下节流压力和温度降低模型预测节流前后流体流动参数。结合井筒压力和温度预测模型,整个井筒压力和温度分布在节流的条件下。最后,验证了模型的准确性比较字段数据。
3.1。井下节流机制
常规气井测试,固定喷嘴或可变喷嘴通常用于节流和减压。十分重要的理论价值和实践意义,研究压力和温度的变化与流量和节流前后孔直径(28]。
3.1.1。热力学分析井下节流
井下高压液体通过窒息的过程属于等熵膨胀,伴随着压力能和动能的转换。天然气与外界没有热量交换在节流,即绝热节流(29日]。焓是压力和温度的函数。由于等焓过程,节流后的压降是由温度变化引起的。所表达的绝热节流效应通常是焦耳汤姆逊系数。
节流系数是一个物理参数相关的特定气体的状态,可以通过查找图计算方法和计算公式。平均节流系数可以计算通过压焓图和等焓的计算公式天然气和天然气节流后温度。如果节流后温度下降太大,气体温度太低,导致凝结或霜,建议减少天然气绝热节流系数,可以采取措施减少节流压降,提高节流前的燃气温度。
3.1.2。井下节流临界流条件
当天然气流经的窒息,流动过程遵循喷嘴流动方程,即有批判性和亚临界区域,如图5。
当 ,天然气流量达到临界流状态,而产生的压力波在节流节流后不会传播。
当 ,天然气是亚临界流动,产生的压力波在节流节流后将传播,导致井口压力波动(30.]。
因此,液体通常需要在井下节流设计临界流状态。
3.2。计算的节流压力和冷却下降高含水气井
3.2.1之上。节流压降的计算高含水气井
根据动量定理,有
假设没有气相和液相之间的质量交换和各自的密度没有显著变化。连续性方程:
在哪里是温度和压力的变化率在天然气节流,如果 。节流后,温度与压力的变化一致。不仅是压力的函数也是温度的函数。因此,只能解决约。
近似计算
在哪里的平均值吗在的范围 。计算方法是
对于均匀流,部分空隙率等于质量空隙率,和上面的公式可以简化为
通过上述公式,显然,知道质量流量和流体参数的前提下,气液两相的节流压降可以通过公式计算(29日)。
3.2.2。节流温降的计算高含水气井
气液交流的过程中通过窒息,因为液体的比热容比这大得多的气体,液体的温度下降速度远远慢于气体,所以液体的能量传递方向是与较低的自由气体温度较高的温度。此外,由于气液两相流速度的喉咙窒息是非常快,通常接近或超过马赫数,气液两相的热量和质量平衡又无法建立在很短的时间内,只能从节流出口压力恢复部分恢复。基本方程满足换热能力
显然,方程(30.气相)表示,吸收的热量等于液相所释放的热量时,气体和液体通过阻塞连接。忽视质量分数的变化和比热容与压力和温度条件下,方程(30.)可以表示为
方程左端(31日)充分交流热量获得热量平衡由于高温液相和液体所释放的热量;右端表示吸收的热气体的低温气相。
一般来说,使用焓差计算材料的能量变化过程。物质的焓是理想气体焓的总和和等温焓差在这个温度。等温焓差的热力学方程
天然气的状态方程可以转化成压力的形式
3.3。例子分析气井节流压力和温度下降
在获得节流压降和温降模型的单相气井和高含水量气井,结合井筒温度和压力模型,节流条件下井筒温度和压力场进行分析。以4 - 5 Daji气井为例,在节流条件下井筒温度和压力场进行了分析和敏感性分析。水含量的影响、油嘴直径和气体生产压力场在节流条件下主要考虑。结合现场数据,验证了井下节流的深度和分析。
结合水合物分布曲线的Daji 4 - 5, °C和表面温度 °C。结合现场数据,地面温度梯度的Daji 4 - 2.4°C / 100 m,和 米/°C转换后可以获得。取 和 ,和迭代获得 在相应的温度下通过井筒天然气偏差系数。选择油嘴直径4毫米,代入公式(35)如下:
通过求解方程(37),最低运行Daji 4 - 5窒息是深度1800米。节点分析方法用于获得在节流条件下井筒温度和压力分布。步骤如下:(1)温度和压力分布从井底到窒息的入口通过井筒温度和压力程序解决。(2)温度和压力分布在节流部分解决了通过调节温度和压力降模型。(3)以压制温度和压力为新的初始值替换成温度和压力的计算程序,温度和压力分布从井口油嘴出口是解决。计算结果如图2和3。
从图可以看出6,节流后井筒温度和压力分布变化强烈。当井下节流降低井筒在1800米的位置,有一个突然的变化的温度和压力在这个位置,以及温度和压力有显著降低。由于加热的流体在井筒地面温度梯度、流体在井筒的温度将节流后的恢复,然后逐渐减少,直到井口。的井口节流后温度略低于节流前,但整体差异很小。节流后压力大大降低,使井口节流前相比处于低压状态,达到防止水合物生成的目的。
(一)温度节流前后Daji 4 - 5的比较好
(b)压力节流前后Daji 4 - 5的比较好
在实际的井下节流过程中,有许多因素影响节流后的井筒温度和压力分布,如气水比、油嘴直径和天然气生产。通过现场数据,结合建立的节流模型,扼杀了井筒的敏感性进行了分析。结果如图7- - - - - -9。
(一)气水比节流温度分布的影响
(b)气水比节流压力分布的影响
结合调节温度和压力分布模型的单相气井和调节温度和压力分布模型的高含水气井,Daji 4 - 5气井的节流敏感性进行了分析。图7表明,(1)与气水比的减少,井筒中的液体水含量增加,调节温度降低;(2)在保持的前提下井口流压力不变,改变节流后气水比获得的压力变化。与气水比的减少,在节流压力变得越来越高,节流压降变得越来越大。图8表明,(1)随着喷嘴直径的增加,节流温降变得越来越小。这是因为喷嘴直径的增加增加的液体通过喷嘴单元接口,导致节流效应的弱化,导致一个更小的节流温降;(2)与孔直径的增加,节流压降逐渐减少。图9表明,(1)与天然气产量的增加,节流前的温度逐渐增加,调节温度下降逐渐增加。产量越高,井口节流后温度越高。(2)随着天然气产量的增加,在节流压力逐渐增加,和压降逐渐增加。
(一)阻塞喷嘴直径对节流温度分布的影响
(b)阻塞喷嘴直径对节流压力分布的影响
(一)天然气生产对节流温度分布的影响
(b)天然气生产对节流压力分布的影响
3.4。数值模拟井下节流
为了获得内部节流流场参数的变化,可以使用CFD模拟。气水混合窒息可视为稳定的流体和可压缩流问题通过突然突然收缩和扩张管道。解决方案的目的是模拟井下节流的速度场和温度场通过流利。工作介质是气水两相流体。通常,流体流动状态会改变通过这个管道。参照例子的实际参数,选为外径Φ73毫米油管可移动的井下节流的内径Φ直径62毫米,窒息 ,长度 ,进口部分 ,和出口部分 。结构模型如图10。
摘要结构网格生成的主要ICEM CFD 2020 R2,节流阀和边界层是加密的。同时,为了减少网格的数量,一个粗网格中使用的部分进口和出口远离节流阀。网格图如图11。通过网格独立性分析,网格的数量大于200000没有对计算结果的影响。最后,大约200000网格计算中被选中,如图12。
我们使用流利的运行模式。首先,打开多相模型、能量模型,分别和粘滞模型。然后,在多相流模型中,第一阶段的定义是甲烷的主要阶段,第二阶段是定义为分散相的水。节气门入口压力 , 。节气门出口压力 , 。天然气的流量限制器中被认为是一个稳定状态。
使用能量方程和标准模型中,天然气流量限制器被认为是一个可压缩流体。基于压力的混合均化模型是用来模拟压力的变化,内部流场的速度、温度限制器。
压力的总体变化趋势是节流前的气体压力不显著改变。在节流口的横截面积急剧减少,流量突然增加(如图13),导致内部流场的瞬时降低高压低压(如图14)。节流将压力能转换成动能。在节流口附近,高速气体的流量开始减少混合与周围的气体。压力上升到一定程度,然后趋于稳定。它可以看到从图的温度分布曲线15有一个大在节流温降过程的位置。流体的温度达到最低的值经过节流喷嘴,然后,低温气体和周围的气体保险丝和逐渐上升的作用下地面温度梯度。
4所示。摘要和结论
相比Ramey模型和哈桑Kabir模型、井筒温度和压力耦合预测模型的高含水量气井摘要接近现场测量数据。(1)与气水比的减少,井筒中的液体水含量增加和节流的温度减少更多(2)在保持的前提下井口流压力不变,改变节流后气水比获得的压力变化。与气水比的减少,在节流压力变得越来越高,节流压降变得越来越大。与节流孔直径的增加,温度下降变得越来越小。这是因为增加的孔直径增加的流体通过孔板单元接口,导致节流效应的弱化,导致较小的节流温降(3)与节流孔直径的增加,压降逐渐减少。随着天然气产量的增加,温度在节流逐渐增加,和节流温降逐渐增加。产量越高,井口节流后温度越高(4)随着天然气产量的增加,节流前的压力逐渐增加,逐渐和压降增加。有一个大在节流温降过程的位置。当流体通过节流喷嘴时,温度达到最小值,然后,低温气体合并与周围气体和上升的作用下逐渐地面温度梯度
总之,通过比较,本文建立的模型更准确的预测数据,但是本研究模型只适用于温度和压力的预测和计算两相流高含水气井。
命名法
| 和 : | 气体密度和液体密度(公斤/米3) |
| 和 : | 气体流量和液体流量(米/秒) |
| : | 部分空气含量 |
| : | 质量流量(公斤/ s) |
| : | 质量流率(公斤/米2·s)) |
| : | 体积气体含量 |
| : | 流体和管壁之间的剪切应力(N / m2), |
| : | 两相流的摩擦阻力系数 |
| : | 质量流率(公斤/米2·s)) |
| : | 两相流的特定卷(公斤/米3) |
| : | 比焓(J /公斤) |
| : | 流量的混合物(米/秒) |
| : | 单元控制身体的热量(J / m·s) |
| : | 井筒流体的质量流量(千克/秒) |
| : | 在恒压比热容的液体(J /(公斤·K)) |
| : | 气液两相流体的焦耳汤姆逊系数 |
| : | 油管的外直径(米) |
| : | 总传热系数( ) |
| : | 井筒流体温度(K) |
| : | 第二个接触表面温度(K) |
| : | 形成导热系数( ) |
| : | 形成温度在任何深度(K) |
| : | 无量纲时间函数 |
| : | 流体出口温度的每个部分(K) |
| : | 出口的每个部分(m) |
| : | 每个部分的入口(米) |
| : | 在各个部分的入口流体温度(K) |
| : | 形成温度各个部分的出口(K) |
| : | 形成温度各个部分的入口(K) |
| : | 井筒流体的质量流量(千克/秒) |
| : | 气体质量流量(千克/秒) |
| : | 天然气偏差系数 |
| : | 气体密度(公斤/米3) |
| : | 液体密度(公斤/米3) |
| : | 变异系数 |
| : | 标准偏差 |
| : | 平均值 |
| : | 质量流量(公斤/ s) |
| : | 流速度(米/秒) |
| : | 喉咙截面积(m2);和 ,分别代表气相和液相,1和2表示节流口和节流的喉咙,分别 |
| : | 空气质量的内容 |
| : | 部分空白内容 |
| : | 摩尔分数的组件在气相 |
| : | 节流前后温度的变化(K) |
| : | 压力改变节流前后(MPa) |
| 和 : | 节流(MPa)之前和之后的压力值 |
| : | 气相质量分数 |
| : | 比热容的恒定体积下的液相(kJ /(公斤·K)) |
| : | 比热容的恒定体积下的气相(kJ /(公斤·K)) |
| : | 温度在节流(K) |
| : | 气液两相热平衡节流后温度(K) |
| : | 等焓过程的温度在下游压力(K) |
| : | 绝热指数的天然气与不同的组件 |
| : | 对比温度组件(K) |
| : | 气体常数(8314 kJ / (kmol·K))。 |
数据可用性
手稿是一种数据独立的文章,从实验室分析的结果,提出了整个数据内的文章。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这个项目是由中国国家自然科学基金(52004215,52004215,51674199)和研究生的创新和实践能力培训计划西安公司大学(YCS211053)。