大管径水平管油气水三相流流型试验研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0 年 8 月第 3 2 卷第 4 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A u g ． 2 0 1 0 V o 1 ． 3 2 N o ． 4 8 7 大管径水 平管油气水 三相流流型试 验研 究 刘军锋 王界益 杜武军 雪 伟 ，享 B 海敏 油气资 源与 勘探 技术教育 部重点实 验室 长江大学 ， 湖北荆州4 3 4 0 2 3 中石油西部钻探工程有 限公 司测 井公 司，新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 油气资源与勘探技术教育部重点实验室 长江大学 ，湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 中石 油西 部钻 探工程有 限公 司测井公 司，新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 [ 摘要] 目前 室内小管径水平管道油气水三相 流流型存在分 类过细 、不 实用等 问题 ，且流体 流型随井径 变 化发生改变，致使 小管径 油气水 三相流流 型研 究结果 无法适 用现场 大管径水 平井 井筒 中油气水 三相流 流 型识别的 问题。研 究采用实际生产测 井仪器 串，在大管径 内径 0 ． 1 2 4 m有机玻 璃管 中，进 行水平状 态 下油气水三相流流动模 拟试 验。基于试验 数据分析 ，提 出大 管径水平 管油 气水三相流 8种流 型并制作 相 应流型 图。使用 电容 阵列仪测 井响应信息 ，对 7种流 型进行数值模 拟 ，与观 测流 型对 比发现 ，模 拟效果 良好 。 [ 关键词]大管径 ；水平管；油气水 ； ‘ 流 型；试验研 究 [ 中图分类号]P 6 3 1 ． 8 4 [ 文献标 识码 ]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 0 0 4 0 0 8 7 0 5 近年来 ，水平 井技 术在 中 、老 油气 田开发 中得 到 了广泛 应用 ，水平 井采油 过程 中对 井筒 中油气 水 的 流动状 态进 行准确 监测 至关 重要 。水平井 筒 中油气 水三 相流 与气液 两相 流相 比 ，因井身 轨迹变 化 、各相 重力差异，以及油水问相互作用和分散程度对流动形态的影响，致使水平井油气水三相流的各相分布状 况和结 构特性 即流型 要 比气 液 两相流 更 为复杂 q] 。 从 2 0世纪 8 0年代中期开始，国内外学者和研究机构多采用两元素法或三元素法对小管径 内径小 于 0 ． 1 m 或者 更小 水平 管 中油气水 三相 流流 型进 行 了研 究_ 4 叫] 。鉴 于油 气水 三相 流 流动 特性 的复杂 性 和小管 径流型划 分 的不实 用 、不 统一 ，小 管径 的研究 结果不 适 用于现 场大 管径 内径 大 于等于 0 ． 1 2 4 m 生产井筒中的流型识别。随着室 内多相流模拟试验技术的进步 ，该研究采用实际生产测井仪器在大管径 中进行了水平管油气水三相流流动模拟试验，从相似理论方面来说 ，该模拟试验条件与实际水平井井下 环境更相近。通过试验过程 中流动现象观测和电容阵列仪测井响应信息分析 ，对大管径水平管油气水三 相流的流型进行 了分类和数值模拟等研究。 1 试验方法 1 ． 1试验 装置 与介质 试 验采 用 中石 油西 部钻探 测井 公 司的多 相流动 模拟 装置 ，模拟 井筒 长 1 6 ． 3 7 m，内径 0 ． 1 2 4 m。试验 介质为柴油、自来水和空气。标准状况下 ，柴油密度为 0 ． 8 2 6 3 g ／ c m。 ，粘度为 2 ． 9 2 mP a S ； 自来水密 度为 0 ． 9 8 8 4 g ／ c m。 ，粘度 为 1 ． 1 6 mP a S 。 1 ． 2试 验方 案与测 量仪 器 试验 在标 准状况 下进 行 ，模 拟 井 筒 水平 放 置 。油 气 水 配 比中气 相 流 量 1 0 0 ～5 0 0 m。 ／ d ，以 l O O m。 ／ d 递增 ；液相 油和水流量 5 O ～3 0 0 m ／ d ，以 5 0 m。 ／ d递增 ；同一组流 量下，含水率 1 O ～9 O ％，以 1 0 递增 。模拟测井仪器为 S o n d e x公司的七参数生产测井仪器组合，包括 温度 、压力、电容持水率 [ 收稿 日期]2 0 1 0 0 42 0 [ 基金项目]中国石油 十一五 后三年测井科技项目 2 0 0 8 A- 2 7 0 3 。 [ 作者简介]刘军锋 1 9 7 9 一 ，男 ，2 0 0 4年大学毕业 ，博士生 ，现 主要从 事生产测井资料处理与解释 方面的研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0年 8月 计 、放 射性密 度计 、全井 眼持气 率计 、电容 阵列仪 和全井 眼流量 计 。全程 利用 高速摄像 机记 录流体 流动 情 况 。 1 ． 3测 量过程 ． 试验前，对三相流装置进行检查 ，保证各种传感器读数正确 ，流量控制准确 ；将测量仪器下入模拟 井筒 中进 行检查 和刻度 。 试验 中 ，通 过控制 台进行 操作 ，先 供给气 相流 量 ，再供 给 液相 流 量 ，共计 3 3 0组 。同一 组流 量 下 ， 逐步改变油水流量的比例 ，使油水相分别通过各 自的动力源、稳压源、标准流量计系统 、气动阀，经混 合搅 拌器 注入 到模 拟井 筒 中。流量 供给 稳定后 ，以 5种不 同的速 度从井 筒底 部移动 仪器进 行测 量 ，操 作 人员 采集数 据 ，试验人 员对 流型进 行观 察记 录 、拍 照和摄像 。试 验共进 行 了 1 6 5 0次测量 。 试验后 ，以统一 的命 名规 则 收集整理 记 录的数据 ，包括 计量数 据 供 给 流量 、关 井测 试持率 和一 次 仪表 测量记 录 、摄像 资料 和测 量数 据 测井仪 器测量 记 录 。 2 流型划分及分析 2 ． 1 流型 划分 为使划分 出的三相 流流型 种类 简单 、实用 ，笔者 基于 试验 实 际 观测情 况 ，结 合具 有 代 表性 的 Tr a l l e r o等 人E 如 小管 径水平 管 油水两 相流 和 Ke s k i n等人⋯ 小管径 水平管 三相 流 的流 型分类 依 据 ，采用 两元 素法 气一 液界 面关 系和油一 水 界 面关 系 进行 大管径水 平管 油气水 三相 流 的流 型划 分 。 1 将气 一 液 界 面关 系 划 分 为 2类 ① 分 层 流 S T 包 括 光 滑 分 层 流 、波 状 分 层 流 ；② 间歇 流 I N 包括 长泡状 流 、段塞 流 。 2 将油一 水 界面关 系 划分 为 4类 ① 分 层 流 S T 包 括 分层 流 、界 面 混 杂 分 层 流 ；② 双 连续 流 DC 油包水一 水包油 ；③油连续流 Oc 油包水；④水连续流 wc 包括水包油一 水、水包油。 于是，大管径水平管油气水三相流的流型可划分为 8种 ，包括分层一 分层流 S T S T 、分层一 油 连续 流 S T OC 、分层一 双 连 续流 S T D C 、分 层一 水 连 续 流 S T WC 、间歇一 分层 流 I N S T 、间 歇一 油连续 流 I N O C 、间歇一 双连 续 流 I N- D C和间歇一 水 连续 流 I N WC ，如 图 1 所示 。 2 ． 2流 型分 析 2 ． 2 ． 1流型 图制作 与分析 试 验 过 程 中 ， 因 管 径 、 介 质 物 性 和 各 相 流 量 配 比 所 限 ，发 现 没 有 形 成 图 1中 的 间 歇 一 分 层 流 I N S T 。 分 别 以气 相 流 量 Q 和 液 相 油 和水 流 量 Q l 为横 、纵坐 标 ， 做 出 了 9张 不 同含 水率 C 下 的 流 型 图 ， 如 图2 a ～ i 所示 。 分层一 分层流 s T S T 分 层一 油连续流 S T OC 皇奠基 b生釜趟臼 曲 蕾 凸 蕾 蟛 墨篡暑E日鼍Z墨日鼍暑墨墨Zz葛日曼五、曩 分层一 双连 续流 S T - DC 分层一 水 连续流 S T WC 间歇一 分层流 I N - S T 间歇一 油连续流 I N ． o c ⑨ ⑨ 间歇一 双连续流 I N D C 问歇一 水连续流 I N WC 震⑨ ⑨ 图 1 大管径水 平管油气水三相流流型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 4期 刘军锋等 大管径水平管油气水三相 流流型试 验研究 8 9 3 5 0 3 0 o 2 5 0 2 。 。 曝 1 ∞ 耱 l o 0 O 3 50 3 o0 衢 。 谪z o o 蒌 - 凝 l 0 0 5o O B 日 日 ★ 日 日 巴 ★ ★ 日 日 日 ★ ★ 日 e ★ 巴 日 台 令 ★ 日 日 台 e B B 气z k C w - l O t 型E 日 ★I oc e S r - I 日S卜 oC 目g S T 0 5 0 l ∞1 翮2 o o 2 5 o蛳3 5 o● ∞4 5 O 5 0 0黝 气相流量／ In d - 日 ★ ★ ★ 古 ★ ★ “J r 令 日 e 0 ★ ★ e 台 o O ★ 日 e 台 0 O 目 台 e 夸 日 ⋯ 【 c 捆 气求 C w 3 0 96 望 圈 3 ∞ 3 ∞ 2 5 o 捌 嚣 砸 攥 l ∞ ∞ O 七 乓 捌 螭 罂 攥 o I Dc ★l oc e舒 日g oc 日S 墨 日 巴 ★ 芒 日 ★ ★ 巴 一 e e e ★ ★ ● e e 日 e． ★ 6 日 令 令 置 巴 - ● ‘ DJ 捆 L 刁‘L L _ w Z J m 型 圊 ★H∞ e s T 搅 ■g 目g O∞1 0 1 1 l 胁2 o o蛳枷3 ∞m‘ 5 o鼬5 曲 气相流量／ m， d - ‘ ● e e o O o 苦 ● ● O e e O ● O e 夸 ● O- o 令 e O O 甘 9 e ◆ e J ～ f l I h d 日 气z r J巩翌图 一 0 5 0瑚l 5 O枷2 S 0啪3 5 o删删鲫5 6 o 0硼1 o o l 的枷锄3 o o 3 6 o埘l 6 o湘姗 气相 流量／ in ， d - ， 气相流量， m’ d - O o e 0 0 0 令 O 0 o _ e o o o e e o o 令 台 e O 0 e e e e 油气 c 5 滴 型躅 ●I - DC e s 1 目S l r - 0 5 0 l 0 o l 5 o湖2 5 o铷3 5 o柏0 4 5 o 5 0 0 5 5 o 气相流量／ m t 35 o a 肿 2 5 o 面 鼙 -s o 餐 m ∞ O ● ● ． ● ● - ● ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ 日 ★ ★ ★ ★ 日 t ★ ★ e 日 ★ ★ 日 1 夸 e 日 日 ● ● ， 日 气水 C w 9 0 9 6 沉型图 N 朝‘ ∞ g S l - ,r ★l e s ． 日g WC 0 5 0 l∞l ∞ 筠 0加D m 4∞●∞∞ D 气相流量， m 蛳 3 ∞ O ★ ★ O ● ★ ★ ★ 0 O ● ● 日 日 ★ e e ★ ★ o e 9 兮 ★ O 日 e 台 le e 】 I j 田 气 水 -- 6 耀 型 圈 l l ， C ST gT F ● ★刊 - W C 每 羽 B g WC 日 啪 0∞1 ∞1 秘神蹦 m● ∞捌啪m 气相流量／ m3 d - l 。★ ★ ● ★ ★ _ f ★ ★ ★ ★ ★ _ u 日 ★ ★ ★ ★ 巴 日 ★ ★ ★ J e 日 百 ★ ★ _ e 台 t t , 曹 L h 捆气 才 lw 8 搋堑 翻 ★I 寺引 置g WC 日g r 町 0钟l ∞l ∞柳2 5 o 姗椭棚嘲釉 气相流量， m’ d ． I 图 2 油 气 水 不 同含 水 率 下 的流 型 图 荤 至 善 ； 暮毫 撕 m 瑚 舯 0 锄 枷 蛳 枷 脚 m ∞ 0 卜 p． Ⅲ ／ 翻爝 镊 卜 p m／ 棚爆霉铸 重毫 撕 m m 孵 0 釉 啪 瑚 撕 啪 旧 ∞ 0 卜 p． ￡ I n ／ 爝霉攥 卜 p 墨啊塔 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学 院学报 2 0 1 0年 8月 1 1 0 ≤ C ≤2 0 9 ／ 5 时 ，① Q ≤ 3 0 0 m。 ／ d和 5 0 m。 ／ d ≤ Q l ≤ 3 0 0 m。 ／ d时气一 液 界面 以分层 流 S T 为主 ，油一 水 界面 随 Q 和 Q t 的 增 加 由分 层 流 S T逐 渐 变 化 为 双 连 续 流 D C和 油 连 续 流 O C ； ②4 0 0 m。 ／ a ≤ Q ≤5 0 0 m。 ／ d和 5 0 m。 ／ d ≤ Q I ≤3 0 0 m。 ／ d时气一 液界 面以 问歇流 I N为主 ，油一 水界 面随 Q 和 Q ． 的增加 由双连续 流 D C 逐渐 变化 为油 连续流 O C 。 2 3 0 ≤ C ≤4 0 时 ，① Q ≤ 2 0 0 m。 ／ d和 5 0 m。 ／ d ≤ Q l ≤3 0 0 m。 ／ d时气一 液 界面 以分 层流 S T 为主 ，油一 水界面随 Q 和 Q t 的增加 由分层流 S T逐渐变化 为双连续流 D C 和油连续流 O C ； ②3 0 0 m。 ／ d ≤ Q ≤5 0 0 m。 ／ d和 5 0 m。 ／ d ≤ Q1 ≤ 3 0 0 m。 ／ d时气一 液界 面以 间歇 流 I N为主 ，油一 水界 面随 Q 和 Q 。 的增加 由双连续 流 DC 逐渐 变化 为油连 续流 O C 。 3 5 0 ≤ C ≤9 O 时 ，① 即使 Q 1 0 0 m。 ／ d ，气一 液界 面在 5 0 m。 ／ d ≤ Q 1 ≤2 0 0 m。 ／ d时仍 以分层 流 S T为 主 ，但在 2 5 0 m。 ／ d ≤ Q 。 ≤ 3 0 0 m。 ／ d时 开始 出现 间歇 流 I N ，油一 水 界面 随 C 的增加 由分 层流 s T 逐渐变化为双连续流 D C 和水连续流 wc ；尤其是 7 0 ≤ c ≤9 o 时，油一 水界面主 要 以水 连续 流 WC 为主 。 2 ． 2 ． 2流型 数值模 拟 该试 验 为介人式 测量 ，同时采集 了仪表记 录和 7种测井 仪器 的响应 信息 。试验发 现 ，仪 器 串运动测 量 时 ，对 井筒 中油气 水各相 流动分 布状 态影 响不大 ，没有产 生新 的流型 。基 于多探 头覆盖 全井 眼的 电容 阵列仪模 拟测 井响应 信息 ，利用 Ma p Vi e w技 术对 井筒 中油气 水 三相 流 的流 型进行 了数值 模拟 分 析 ，如 图 3 a ～ g 所示 。可以看出①气相流量由 1 0 0 m。 ／ d至 3 0 0 m 。 ／ d增加时，对气一 液界面的影响较 大 ，气一 液 界面 由分 层流 S T 向 间歇 流 I N转 变 ；② 中低 含 水且 气 一 液 界 面 、油一 水 界 面 呈分 层 流 S T时 ，模 拟 出的流型 能直观 反 映出井 简 中各相 流体 的真实 分布状 态 。 Qg 1 0 0 m ／ d； Ql 5 0 m ／ d ； C 4 0 ％ Qg 2 0 0 m ／ d O1 1 0 0 m ／ d ； C 2 O ％ Qg 2 0 0 m ／ d ； Ql 5 0 m’ ， d ； C 5 0 ％ 气 油 水 f a 、 ST - S T Og 2 0 0 m ／ d ； Ql 1 0 0 m ， d ； C 9 O ％ 水 气 油 气 油 水 b S T - OC Qg 3 0 0 m ／ d ； Ql 1 5 0 m ／ d ； C 4 0 ％ 气 油 水 d S T - WC e IN D C Q 3 0 0 m ／ d； Ql 1 5 0 m’ ／ d ； Cw 7 0 ％ 气 油 水 1 N WC 3 结 论 图 3油 气 水 不 同 配 比 下 流型 模 拟 气 油 水 Q 油 水 c S T - DC 3 0 0 m ／ d； O j 2 5 0 m ／ d ； C 4 0 ％ f f 1 t N- OC 气 1 基于试验观测分析 ，结合前人代表性流型分析结果 ，根据气一 液 S T或 I N和油一 水 S T或 D C或 OC或 WC 的界 面关 系 ，将 大管 径水平 管油 气水三 相流流 型划分 为 8 种 。 2 以气相流量和液相流量为横 、纵坐标制作出的不同含水率下的流型图能直接用于现场水平生产 井井筒中油气水三相流的流型判别。整体来说，在气相流量和液相流量均较低时，气一 液界面和油一 水界 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 4期 刘军锋等 大 管径水平 管油 气水 三相流流 型试验研究 面以分层流 S T为主；含水率不变时 ，同一液相流量下，随气相流量的增加 ，气一 液界面将由分层流 S T 转变为 间 歇 流 I N ；同 一 气 相 流 量 情 况 下 ，油 一 水 界 面 将 由 分 层 流 S T 转 变 为 双 连 续 流 D C 、油 连续流 OC 或水 连续 流 W C 。 3 含水 率小 于 5 0 且 气一 液界 面 、油一 水界 面呈 分层 流 S T时 ，利用 电容 阵列仪 测井 响应模 拟 的 流 型能直 观反 映水 平井简 中油气水 的真实 分布 状态 。 [ 参考文献] [ 1 ]郭海敏 ．生产测井导论 [ M] ． 北 京石油工业出版社 ，2 0 0 3 ． [ 2 ]徐孝轩 ，宫敬 ．水平 管中油气水三相流动研究进展 E J ]．化工机械 ，2 0 0 5 ，3 2 0 6 3 2 9 ～3 3 5 ． [ 3 ]杨 广峰 ，吴明 ，王卫强 ，等 ．水平管油气水三相流 的研究进展 [ J ]．油气储运 ，2 0 0 6 ，2 5 0 3 1 ～6 ． [ 4 ]刘 晓燕 ，刘扬 ．油气水j 三 相流流型国 内外试验研究进展 [ J ]．管道技术与设备 ，2 0 0 7 ， o 4 1 ～3 ． F 5 ]L e e A H， S u n J Y， J e p s o n W P ．S t u d y o f f l o w r e g i me t r a n s it i o n s o f o i l wa t e r - g a s mi x t u r e s i n h o r iz o n t a l p i p e l i n e s[ c ]．P r o c e e d i n g s o f Th i r d I n t e r n a t i o n a l Of f s h o r e a n d Pa l a r En gi n e e r i n g Co nf e r e n c e ，S i n g a p o r e ，1 9 9 3 ．1 5 9 ～ 1 6 4 ． [ 6 ]L a f l i n G C， Og l e s b y K D ．An e x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e e f f e c t s o f f l o w r a t e ，w a t e r f r a c t i o n a n d g a s l i q u id r a t i o o n a i r o i l wa t e r f l o w i n h o r i z o n t a l p i p e s[ D]．Tu l s a Un i v e r s i t y o f Tu l s a ，1 9 9 5 ． I V ]A i k g 6 z M，F r a n g a F， L a h e y J r R T．An e x p e r i me n t a l s t u d y o f t h r e e - p h a s e f l o w r e g i me s_ J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Mu h i p h a s e Fl o w，1 9 9 2，1 8 3 3 2 7～ 3 3 6 ． E 8 ]He wi t t G F，P a n 1 ， Kh o r A H．Th r e e p h a s e g a s l i q u i d l i q u i d f l o w f l o w p a t t e r n ，h o l d u p a n d p r e s s u r e d r o p E c ]．P r o c o f I n t S y mp o n M u hi p h a s e Fl o w ，l 9 9 7 ． 7 ～ l O ． E 9 ]刘文红 ，郭烈锦 ，程开河，等 ．水平及微倾斜管内油气水兰相流流型特性 I- j ]．石油学报，2 0 0 6 ，2 7 0 3 1 2 o ～1 2 5 ． [ 1 0 ]T r a l l e r o J I ， S a r i c a C． B r i l l J P ．A s t u d y o f o i l ／ w a t e r f l o w p a t t e r n s i n h o r i z o n t a l p i p e s[ J ]．S P E P r o d u c t i o n＆ O p e r a t i o n s ，1 9 9 7 ，1 2 3 1 6 5 ～ 1 7 2 ． [ 1 1 ]K e s k in C， Z h a n g H Q， S a r i c a C ．I d e n t i f i c a t i o n a n d c l a s s i f i c a t i o n o f n e w t h r e e p h a s e g a s ／ o i l ／ wa t e r f l o w p a t t e r n s[ c ]．A n a h e i m， C a l i f o r n i a ，USA．S o c ie t y o f P e t r o l e u m En g i n e e r s ，2 0 0 7 ． ． [ 编辑] 弘文 上 接 第 7 7页 4 结 论 1 利用井 间地震 资料 可 以对 井 问的砂 体进 行对 比和追踪 ，说 明 目的层 顶 面构 造分 布 特 征及 厚度 分 布特征 。区分出储集层和非储集层 ，查明井间砂体的发育特征、分布特征以及砂体的连通关系，结合动 态分析 资料 可 以落实储 层 的岩性 、含油 性及 其井 间分 布特征 ，储 层井 间横 向对 比对 测井 剖面具 有很强 的 修正完 善作用 。 2 通过井震联合反演不仅可以对储层进行横向的对比追踪，还可 以对储层的隔夹层进行很好的识 别 。井 间地震 反演技 术 在厚油层 内部结构 的划 分方 面具 有突 出 的优 势 。 3 利用井间地震资料可以克服人工对比方法在储层 预测 中一些缺点 ，建立起精确的井间储层地质 模 型 。 [ 参考文献] [ 1 ]熊翥 ． 2 l 世纪初中期油气地球物理技术展望 [ M]．北京 石油工业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]宋建 国 ．井间地震技术在油 田开发中的应用潜力[ J]．石油地球物理勘探 ，2 0 0 2，3 7 4 3 7 7 3 8 1 ． [ 3 ]陈世军 ，周建宇 ．井间地震技术在樊 1 2 4井区的应用 [ J ]．石油物探 ，2 0 0 3 ，4 2 3 3 6 9 3 7 1 ． [ 4 ]刘磊 ．井间地震技术在胜利油 田开发阶段 中的应用 [ J ]．石油物探 ， 2 0 0 5 ，4 4 6 6 0 1 6 0 4 ． [ 5 ]施振 飞，印兴耀 ．利用井 间地震资料与测井资料 进行储层精细解释 [ J ]．石油地球物理勘探 ，2 0 0 5 ，4 0 2 1 7 2 ～1 7 5 ． [ 6 ]唐金 良，曹辉 ．井间地震资料解释技术应用 口 ]．勘探地球物理进展，2 0 0 6 ，2 9 5 3 4 1 ～3 4 5 ． [ 7 3刘合 ，王玉普 ．国外井间地震技术 [ M]．北 京石油工业 出版社 ，1 9 9 8 ． [ 编辑] 弘文 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m