水平井气水变形泡状流测井分析模型实验研究

错 挥业熙 缸 西南石油大学学报(自然科学版) 2011年2月 第33卷 第1期 Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition1 Feb．2011 Vb1．33 No．1 编辑部网址：http：／／www．swpuxb．corn 文章编号：1674—5086(2011)01—0083—05 中图分类号：TEl51 DOI：10．3863／j．issn．1674—5086．2011．01．014 文献标识码：A 水平井气水变形泡状流测井 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 模型实验研究 路 菁 2，吴锡令 1．中国石油大学(北京)资源与信息学院，北京 昌平 102249；2．“油气资源与探测”国家重点实验室 ·中国石油大学(北京)，北京 昌平 1(YL249 摘 要：变形泡状流是水平井气水两相石油开发测井过程中最为常见的流型之一，为建立适用于此流型的测井分析模 型，在 16 m长、可任意倾斜的透明实验环路上，以空气和自来水为介质，利用实际测井仪器串，对井斜 75。一90。达到稳定 的气水变形泡状流动进行实验测量，通过把握实验过程中变形泡状流的流动特性及机理，选择以漂移流动模型为基础进 行理论推导修正。基于实验数据的模型检验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，实验数据符合修正后模型反映的流动规律。依据实验数据计算的相 分布系数与漂移速度 系数，体现了水平及近水平井眼中仪器串对井筒内原有流动状态的干扰。分析模型能同时反映水 平井气水变形泡状流测井过程中的流动机理以及仪器测量对流型的影响，适用于水平井气水变形泡状流测井解释。 关键词：水平井；气水两相；变形泡状流；石油开发测井；漂移流动模型；测井分析模型；实验研究 优先数字出版网址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／51．1718．TE．20110111．1014．004．html 路 菁 ，吴锡令．水平井气水变形泡状流测井分析模型实验研究[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2011，33(1)：83～87． 引 言 石油开发测井过程中，水平井内气水两相混合 流体的流动形态随着井眼起伏不断变化。由于重力 分异作用，水平及缓慢上、下坡井段内的气液两相流 动剖面不再具有对称性，其流动特性的分析与研究 比垂直流动剖面更加复杂⋯。 早在2O世纪8O年代，Barnea 等学者就对水 平及近水平圆管内的气液两相流型及转换边界进行 了深入的实验研究，并对观察到的7种流型进行了 定义与划分。在过去的20年内，众多学者针对分层 流、段塞流、沫状流及环状流进行了研究，建立了大 量的流动模型 ，为相关领域的进一步研究提供 了基础。 变形泡状流作为水平井内气水两相流动最为常 见的流型之一，其流动模型研究却远不及上述其他 流型充分与深入。Hasan＆Kabir 、Kaya 以漂移 流动模型为基础，分别通过实验研究和理论推导为 大斜度井内的变形泡状流建立了流动模型。目前将 此类流动模型沿用于水平及近水平流动剖面测井解 释中的作法，已无法满足资料解释的实际需要。 Shi【17]利用实验数据结合最优化技术 ，将 Hasan& Kabir提出的流动模型推广到了水平及近水平流动 范围，却没能给模型建立充分的物理意义。此外，上 述通过非侵入式探头进行敞流实验建立的流体动力 学模型，虽为测井条件下的气水两相分析模型研究 提供了理论基础，但测井仪器串在井下测量时与被 测流体间发生的相互作用，必定干扰原有气水两相 流动状态，影响混合流体介质及速度分布 ，现有 模型无法全面地反映出测井条件下混合流体的流动 特性，完全依赖流体动力学研究结果解释生产测井 资料必定降低解释结果的准确性，影响水平井生产 测井监测的可靠性。 本文通过水平井气水两相流动测井实验，把握 井下变形泡状流的流动特性，以漂移流动模型为基 础进行推导修正，利用实验数据检验新模型的适用 } 收稿日期：2010—04—14 数字出版日期：2011—01—11 基金项目：国家科技重大专项子课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 “多相流测井配套技术及成像测井技术研究”(2008ZX050—020—05)。 作者简介：路 菁(1984一)，女(汉族)，天津人，博士研究生，从事石油开发测井资料处理与解释方法研究。 西南石油大学学报(自然科学版) 2011正 性并确定模型系数，建立物理机理明确、适用于水平 井气水变形泡状流的测井分析模型。 l 水平井气水两相流动测井实验 1．1 实验方法 图 1为多相流动模拟实验装置，实验在全长 l6 ITI、内径DⅡ为0．124 m的Ⅱ号透明井筒内，以空气和 自来水作为流体介质，实验温度 16 、大气压力 101．3 kPa条件下，气、水密度 P P 分别为 1．22 kg／m 和998．87kg／m ，表面张力 为73．34×10 N·s／m，选择全井眼涡轮流量、放射性流体密度、电 容持水率、CAT、石英温度压力计，组合流动测井实 验生产测井仪器串对上述实验流体的混合流动进行 测量。在考虑实验环路最大供液能力的基础上，为 使实验{_910量最大限度地涵盖水平井气水变形泡状流 的存在范围，实验方案设计对井斜角度 0为 75。， 85。，90。三种情况，分别进行气水总流量 Q 为 50， 100，200，400，800 m ／d，各总流量下含水率 C 分别 为0，10％，30％，50％，70％，90％(除 QT=800 m ／d) 的29组气水混合流动测量。每组实验均在混合流 动达到稳定后依次进行4项观测与测量：(1)流型 的观察；(2)井筒内气、水两相实际供给流量、温度 及压力数据的在线计量；(3)测井仪器串对井筒内 混合流体的移动测量；(4)在测井结束后进行关井 模拟及关井持水率计算。 1一 I号井筒；2一II号井筒；3一四通阀；4一气动阀；5一流量计；6一抽油机；7一气液分离罐：8一排空 9一油水分离罐；10一储水罐；11一储油罐；l2一储气罐；13一油水混合罐；14一控制系统。 图 1 多相流动模拟实验装置简图 Fig．1 Schematic of multi-phase fl0w eXperimental system 1．2 实验数据及整理 实验最终共进行了87组不同流动条件下测井 实验，每组实验得到4大类数据，包括每个实验点上 的(1)流型的影像记录资料；(2)气水实际流量、流 压及温度等在线计量数据；(3)测井仪器产生的i贝0 井数据；(4)关井持水率数据。 流型的影像记录用于实验流型划分，流型划分 的结果表明，变形泡状流是水平及近水平流动条件 下气井内最常见的流型之一。气相实际流量 Q 与气 水实际总流量 Q 按照表观速度与平均速度定义，分 别计算实验气相表观速度V 及气水混合流体平均 速度 ( =Q'g／A， =Q'T／A；A=叮『D ／4)。狈0井 数据将分别用于计算密度持水率、电容持水率及 CAT持水率。实验测量得到的关井持水率将与上述 3类计算持水率进行综合分析，得到综合持水率日 。 所有数据整理、分析的结果均将用于新模型的检验。 2 水平井气水变形泡状流测井分析 模型建立 两相漂移流动模型因具有物理机理明确、易于 计算机编程求解、适于解释工程问题的特点，而备受 关注。模型描述了引起相间速度滑脱 的两方面机 理 。其一是源于管道横截面上速度剖面与介质分 布剖面的不均一性；其二是轻质(气)相在浮力作用 第 1期 路 菁，等： 水平井气水变形泡状流测井分析模型实验研究 85 下表现出浮出重质(水)相的趋势。并给出了以下形 式的模型 g =Vss／ =C。 + d (1) 式(1)中分布系数 c。的大小反映速度分布及介质 分布的不均匀程度； 反映气相浮升效应对两相速 度滑脱的影响。垂直井泡状流情况下，c 取值为 1．2； 为气泡在静液柱中的绝对浮升速度 ， = ， 、 n ， c 1 ，其中的漂移速度系数C 取经 p： 验值 1．53。 2．1 变形泡状流漂移速度推导 实验中观察到，水平及近水平流动条件下，井筒 内变形气泡分布于连续的水相中，在浮力作用下，变 形气泡以较快的速度趋向于沿管道顶部流动，形成 变形泡状流。利用漂移流动模型能够反映实验中变 形泡状流气水速度滑脱的物理机理，据此建立如图 2所示的物理模型，并根据其物理机理推导适用于 水平井气水变形泡状流的漂移速度表达式。 图2 水平井气水两相变形泡状流物理模型 Fig．2 Physical model of gas—water EB flow in horizontal wells 变形气泡的漂移速度v ，可通过其受到的浮力 F 沿井筒方向的分力F 与拖拽力F。的平衡来计 算。 与 。分别表示为 F B=FBCOS 0=(P 一P ) Bgcos 0 (2) FD=APpcD。p p／2 (3) 式(2)中气水两相混合流体密度P 可由气、水 密度P 、JD 及持气率 表示为 P =PsHg+P (1一Hs) (4) 假设单个变形气泡虽然形状改变，但变形泡体 积 不变，且仍可用圆球形体积表示，则有 = ff( 一 )dxdy=1T ／6 (5) JJ 式(3)中倾斜流动条件下气泡在其速度矢量法 向面上的投影面积 A 。和倾斜流动拖拽力系数 c。。 的乘积4 c。 与垂直井中对应参数乘积 阳cD。的比 值有以下实验关系 ¨ AP0CD0／4珊CD =(1+sin 0) 4 (6) 式(6)中 舶与cD。表达式分别为 A H】= ／4 (7) CD0=0．575~／g(p 一P ) ／or (8) 当F =F。时将式(4)～式(8)分别代入等式 两端则推导出 的表达式 ‰_Cf[ r× P w 一 ： (1+sin ) (9) 2．2 实验数据检验 根据式(1)及式(9)写出水平井气水两相变形 泡状流漂移流动模型 一 + H g√、一Hg ’√、一H g cf[ 广 俪 (1+sin 0) 。 (10) 图3是按照 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 (10)分别以—==兰 二 和 √ 1 一H — — = 二 作为横纵轴建立坐标系，将不同井斜角 H √1一H 下的实验数据进行交会及线性回归得到的模型检验 图版。 图3 水平井气水两相变形泡状流测井 分析模型检验图版 Fig．3 Model assessment plate of gas—water elongated bubble flow in horizontal wells 从图3所示的模型检验结果看，各井斜角度下 实验数据点间具有良好的线性关系，且井斜角度的 变化并不影响回归线间的平行。这说明水平井气水 一 1I (s／Lu)＼ — 86 西南石油大学学报(自然科学版) 两相流动实验数据符合本研究提出的，如式(10)的 具有漂移流动模型形式的测井分析模型规律。进一 步计算可得到模型系数c。及 。 2．3 模型系数计算 2．3．1 相分布系数 C 变形泡状流模型检验图版上各井斜角度数据点 回归线的斜率均为 1．18，因此由式(10)可知相分布 系数c 即为1．18。 2．3．2 漂移速度系数 C 图3中井斜角75。，85。，90。的实验数据点其回 归线的截距分别为0．275 m／s，0．163 m／s，0，从式 (10)可 知这 一 截距 即为 等式 右 侧第 二项 [ 2 r l P 3 结 论 (1)通过水平井气水两相流动测井实验，把握 井下变形泡状流的流动特性，据此选择漂移流动模 型进行推导修正、模型检验，结果证明实验数据符合 修正后的漂移流动模型规律。 (2)水平井气水变形泡状流分析模型基于漂移 流动模型形式，包涵实验数据计算确定的模型参数 及系数，不仅反映水平井气水变形泡状流机理，更反 映出水平井生产测井过程中的仪器对井下流型的影 响，适用于生产测井资料解释需要。 ,／Tds 0(1+sin ) 的值。由于 符 号 说 明 此项中的『 ] (1+ 1’n ) 在 p： 实验流体介质及井斜角度均已确定的情况下即退化 为常数，分别为0．188 m／s，0．111 m／s，0，故求解可 得到漂移速度系数 C 为 1．47。 至此，可以建立适用于水平井气水两相变形泡 状流的测井分析模型 Vsg ⋯7[ r笛× ~／(1一Hs)c0s (1+sin ) (11) 对比垂直及倾斜管道内敞流实验得出的流体动 力学研究结果，本研究通过理论推导及实验数据检 验建立的测井分析模型，其模型参数与模型系数均 与前者存在差异。分析其原因，总结为下面两个主要 因素。 (1)实验研究在把握水平井气水变形泡状流流 动特性的基础上，通过理论推导得到测井分析模型 参数，它与垂直及倾斜条件下的模型参数之间存在 的差异，反映了不同条件下变形泡状流流动特性的 差异。 (2)在模型系数方面，由于气水两相重力分异 作用，沿井筒顶部流动的气相较下部的水相具有更 大的速度，使水平及近水平井筒内速度剖面和相分 布剖面在管顶处更尖锐，同时生产测井仪器在井眼 内的动态测量，影响了混合流体原有的流动剖面形 态，使其变得平缓、减小了两相问的速度差异，因此， 分布系数 c 与漂移速度系数 cf略小于垂直及倾斜 敞流管道中的经验值 1．2和1．53。 DⅡ一 实验装置 Ⅱ号透明井筒内径 ，m； A一实验装置 Ⅱ号透明井筒截面积，m ； p 一 气相密度，kg／m ； p 一 水相密度，kg／m ； p 一混合流体平均密度，kg／m ； 一 气水表面张力，N／m； 一 井斜角度(实验井筒与垂直方向的夹角)，(。)； Q 一 实验设计气水总流量 ，m。／d； QtT一 气水实际总流量 ，m ／d； Q 一 气相实际流量，m ／d； 一 气相速度，m／s； 一 气相表观速度，m／s； 一 }昆合流体平均速度，m／s； d一 漂移速度，nr／s； 一 气泡静液柱内绝对浮升速度 ，m／s； 。一 变形气泡静液柱内绝对浮升速度，即变形气泡漂 移速度 ，m／s； 一 持气率，％； 一 持水率，％； 一 含水率，％； c 一 分布系数，无因次； c 一 漂移速度系数，无因次； g．_重力加速度，m／s ； F 一 变形气泡浮力，N； F 。一 变形气泡浮力沿井简方向分力，N； F。一变形气泡拖拽力，N； 一 变形气泡体积，m ； z 一 变形气泡底部z轴坐标，m； z 一 变形气泡顶部 轴坐标 ，m； d一与变形气泡体积相等的圆球直径，／i1； A ～ 倾斜流动变形气泡在其速度矢量法向面上的投影 第 1期 路 菁，等： 水平井气水变形泡状流测井分析模型实验研究 87 面积，m ； Am一垂直流动气泡在其速度矢量法向面(即水平面) 上的投影面积 ，m ； C。 一 倾斜流动拖拽力系数，无因次； c∞一 垂直流动拖拽力系数，无因次。 参考文献 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] 吴锡令．石油开发测井原理[M]．北京：高等教育出版 社 。2004． Bamea D，Shoham O，Taitel Y．Flow pattern characteriza— tion in two phase flow by electrical conductance probe [J]．International Journal of Multiphase Fl0w，1980，6 (5)：387—397． Gomez L E，Shoham O，Schmidt Z，et a1．Unified mecha— nistic model for steady-·state two·-phase flow：horizontal to veaieal upward flow[J]．SPE Journal，2000，5(3)：339— 350． Hasan A R，Kabir C S．A simple model for annular two． phase flow in wellbores[J]．SPE Production＆Opera— tions，2007，22(2)：168—175． Hasan A R，Kabir C S，Sayarpour M．A basic approach to wellbore two—phase flow modeling[c]．SPE 109868， 2007． Kaya A S，Sarica C，Brill J P．Mechanistic modeling of 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