水平井两相流动分析理论研究
水平井是指井的透水段(透气段)滤管呈水平放置的抽(注)流体的集水建筑物。以下是一篇关于关于水平井两相流动分析理论与方法研究的论文范文，和大家共同学习。
摘要:水平井已广泛应用于油气开采中，在开发底水油藏、薄层油气藏等较直井有明显的优势。在油气田开发中后期，常出现多相流动的情况。多相流动的产能动态、渗流特征等较单相流有较大的区别。水平井地层两相渗流、井筒内两相变质量流动的分析理论与方法是水平井产能预测、水平井段长度优化的基础。国内外有较多的学者进行过相关的研究，了解该领域的研究进展对深入研究和发展水平井两相流动分析理论与方法具有重要意义，本文就该领域所取得的研究成果进行了评述，并作出了展望。
关键词:水平井;地层两相流;井筒两相流;研究进展
1 前言
水平井的两相流动分析理论是进行水平井配产、确定合理工作制度的基础。随着含水油气田的不断开发，尤其是在气田的开采中后期，气井产水的情况较为常见，此时的地层和井筒则变为多相流，井的产能动态、压力动态、渗流特征和单相渗流有较大的区别。气水两相渗流属于多相渗流的范畴，其包含地层气水两相流、水平井段气水两相流、斜井和直井段两相流。当前，国内外针对水平井单相流动的研究理论较为成熟，而针对水平井两相流的研究，尤其是水平井气水两相流的研究较少。气水两相流研究的目的是排除井底积液，制定合理的工作制度。本文针对流体在地层、水平井筒的两相流尤其是气水两相流动理论和分析方法的研究现状做了全面的评述，这为在该领域更进一步的研究奠定了一定的基础。
2 水平井两相流动实验研究
水平井两相流动包含气水、油气、油水三方面的内容，以实验为基础的研究方法主要针对水平井地层两相微观渗流机理，通过实验模拟地层及水平井筒条件下两相渗流的微观机理，掌握地层两相渗流微观特征。目前国内外有一些学者对水平井筒两相流动做了实验研究，但很少关于水平井地层两相流动实验的论文。
周生田等[7-8](1998)通过建立水平井筒变质量流体流动的模拟实验装置，对水平井变质量流动特性进行了实验研究，并得出了混合损失和主流流速与孔眼流速之间的关系。研究表明，对于一定的孔眼流速，随着主流流速的增加，加速损失及混合损失也相应增加。单孔眼段内不同孔眼流速下流体混合损失和主流流速之间的关系。对于一定的主流流速，混合压力损失随孔眼流速的增大而增大。吴宁等[9](2003)设计并建立了水平井筒流体流动模拟实验装置，在轴向为气液两相流动的前提下分别进行了上管壁单孔眼注入和下管壁单孔眼注入的压降实验研究，共进行了304组分散泡状流实验，测得包括压降、管道和流量计当地压力、温度、流型、入口气相和液相流量、管壁液相流量在内的共2432个实验数据，验证了计算模型的正确性。吴宁等[10](2004)在常规水平管道间歇流动压降分析的基础上，对气、液两相分别应用质量守恒方程和动量守恒方程，考虑管壁入流或出流对压降的影响，得到一种新的水平井筒间歇流流型压降计算方法。
3 水平井地层两相流动分析理论与方法
邓英尔等基于旋转椭球的概念和等价发展圆柱面的思想，建立了油水两相非达西椭球三维渗流数学模型。并运用特征线法和有限差分法求解，得到了含油饱和度分布和活动边界的变化规律。为水平井注水开发低渗油田数值模拟研究奠定了基础。宋付权等 (2002)从Buckley-Leverret不混溶两相渗流驱替理论出发，考虑启动压力梯度的影响，对水平井两相渗流进行分析，得到了椭球形边水油藏中水平井定产时的压力分布公式和定压生产时的产量公式，以及饱和度分布公式。并提出在水平井附近用解析解，在远离井筒的地方用数值差分求解的思想。邓英尔等在郭大力研究的基础上建立了在水平井开发的各向异性双重介质油藏中油水两相渗流数学模：
作者用有限差分法求得了其解。并通过实例计算表明：渗透率较大的方向，前缘推进速度较快，油井见水较早;吸渗使前缘推进速度减慢，使油井见水晚。赵春森等[16](2005)根据拟三维原理，将理论分析方法和一维油水两相渗流理论相结合，求解分支水平井和直井混合井网三维两相非活塞渗流问题。采用保角变换，将XY平面二维两相复杂渗流问题转化为一维两相问题求解，从而确定出水平井在油水两相流条件下XY平面内的渗流阻力，根据各部分的渗流阻力，确定出水平井的产液速度和无因次产液速度等各类参数，该理论的建立为水平井整体注水开发油田的动态分析和预测提供了依据。姜瑞忠等[17](2008)将水平井的三维渗流简化为水平平面和垂直平面的2个二维流动，考虑启动压力梯度的影响，对水平井两相渗流进行了分析，得到了椭圆形供油半径中水平井稳态产能公式。通过实例计算结果表明，水平井日产油量与水平井段长度呈线性增加关系;水平井日产油量随启动压力梯度增大而减小;油藏非均质性越强水平井日产油量越小，水平段越长，日产油量受油藏非均质性影响越严重。
4 水平井筒两相流动分析理论与方法
水平井的井筒流体流动规律是水平井产能预测及生产系统设计与动态分析的基础，而且其水平段的井筒流动为变质量流动，比通常的水平管流更复杂，国外对此开展过较多的研究。目前，在水平段井筒的流动规律研究方面主要集中在：(1)水平井筒流态的划分与判断;(2)水平段井筒压降计算模型。
4.1 水平井两相流流型判别理论吴宁等根据波的迅速成长机理，在Taitel和Dukler的研究基础上，得到水平井筒分层流向非分层流转变的判别方法;通过对分散气泡进行受力分析，得到水平井筒分散泡状流向间歇流转变的判别方法;基于Barner和Brauner的研究给出水平井筒环空雾状流向间歇流转变的判别方法。吴宁等[23]人通过对分散泡状流中的分散气泡进行受力分析，考虑了管壁入流或出流的影响，得到水平井筒气液两相变质量流动分散泡状流向间歇流转变的判别方法。
并分别应用气、液两相质量守恒方程和动量守恒方程，考虑管壁存在入流或出流对于分散泡状流流型压降的影响，得到水平井筒气液两相变质量流动分散泡状流的压降计算方法。并认为在分散泡状流中，每个单独的气泡上存在三个作用力：紊流力、浮力和由于管壁入流或出流产生的推、拉力。当三个力的合力方向向上时气泡将在井筒上方聚集。张琪等[24](2002)从理论和实验两方面对水平井筒气液两相变质量流的流型判别与压降计算进行了探索性研究，建立了分层流、间歇流、分散泡状流和环雾流的流型判别模型以及分层流与间歇流的压降计算模型，并绘制了流型图。国外学者TAITEL等和A.SKaya等建立了判断流型的数学模型，并把水平井和斜井的流型分为泡状流、分散泡状流、段塞流、涡流、环空流五种流型。他们认为，井筒里的压降包含三部分：海拔压降梯度、摩擦压降梯度、加速度损失梯度。Ping.Gui等应用井筒和油藏流动的耦合模型研究了水平井眼瞬态流动。
同时考虑油藏流动和井筒流动，应用数值模拟的方法更精确地预测水平井产能。
4.2 水平井两相流压降分析理论周生田等对水平井筒变质量分层流动进行了微元段流动分析，根椐气相和液相的连续性方程及动量方程，得到了气、液两相的混合动量方程，并由此建立了水平井筒变质量气、液两相流动的压力梯度模型，该模型中考虑了流体从油藏到井筒流动的影响。
将Dikken模型中沿整个水平段单位长度生产指数为常数的假定进行了推广，建立了水平井筒油藏流体从管壁流入时孔眼段流体压力梯度模型，并在此基础上建立了同时考虑井筒流体流动和油藏渗流的井筒油藏耦合模型。黄炜等通过对Cullender和Smith方法进行含水修正，建立了该方法用于高气水比气井井筒压力计算的新模型。戚志(2004)研究了在水平段有较大纵向起伏的蛇曲井的两相流压力梯度计算方法。
作者根据连续性方程和动量方程，建立了蛇曲水平井两相分层流动的压力梯度模型，并结合实例证明了蛇曲井不能用常规水平井压降模型计算压降。孙福街等[32]人在在混合损失计算模型的基础上，应用动量守恒原理推导出了新的水平井筒气液两相分层流型压降计算模型。该模型较全面地考虑了井筒流动各方面的参数，将井筒压力损失划分为摩擦损失、加速损失、重力损失和混合损失4部分。并实例计算结果表明，管壁入流量越大，井筒压降越大，且井筒压降的`增长速度随入流量的增大而加快;井筒压降随管道轴向流量的增大而增大。邓传忠等[33](2008)通过把不规则斜井近似为规则斜井，并把气井产出气液比大于2000m3/m3时看成单相流动，得出斜(水平)井井底流压计算公式。利用Cullender和Smith计算方法求解，将气井等分为2段，即井口至中点，中点至井底，计算井底压力(静压和流压)分2次进行。
4.3 水平井的斜井段和直井段两相流动理论与方法对于垂直管流，在20世纪80年代以前，主要有经验或半经验方法，如Duns-Ros方法、Hagedorn- Brown方法等。在20世纪80年代以后，人们加强了应用水动力学方法研究各种流动形态的物理机制。Taitel等从一种流型到另一种流型转变发生的机理出发，解释和预测了转变条件，提出了描述流型转变的物理模型。刘晓娟等根据目前的机理化模型存在流型预测界限不封闭、流型覆盖不全的问题，从多相流动介质的连续性出发进行了流型划分，建立了倾斜井筒流型转变的物理模型，并修正了压降计算模型。认为倾斜井筒气液两相流的流型应划分为泡状流、分散泡流、段塞流、搅动流环流、雾流。
作者把介于泡状流和环流之间的段塞流看成是泡状流和环流各占一定比例的流态形式，整个段塞单元上的总压力梯度就为泡状流压力梯度和环流压力梯度的和，而且泡状流压力降用均相模型处理，环流压力降用分相模型处理。L.E.Gomez等在前人研究的基础上提供了一个更系统的、更综合的适合于倾斜角度为0°到90°的井眼和管道计算模型。L.E.Gomez等把五种流型的判断模型和压降计算以及持液率的计算模型均进行了推导。詹廷选等 (2007)总结出一种适宜现场应用的计算气水同产井流压的经验方法。该方法通过部分参数无因次化，统计分析得到计算流压的经验式，进而直接利用气水同产井的生产水气比和井口压力计算流压。
当前，国内外针对水平井斜井段和直井段的两相流的文献较多，但基本与上述分析方法类似，本文不再阐述。
5 地层-井筒耦合流动模型研究
骆祖江等[40](2004)建立了非饱和带水气二相渗流的耦合模型，并采用IMPES方法对该模型进行求解。同时，将该模型应用于沁水盆地TL煤层气井水气运移、产出的模拟计算，通过历史拟合，对影响该井水气产量的主要参数进行了识别和校正，预测了该井未来水气产量动态变化特征。苏玉亮等[41] (2007)通过势的理论研究油气两相稳定渗流问题，在描述无界地层三维稳态势基础上，结合水平井上射孔孔眼在无界地层中产生的势分布，建立了把油层中的渗流与水平井筒内的流动耦合的数学模型，利用迭代的方法求解，实例计算表明水平井水平段的流量分布曲线成“凹”型，其压力分布变化较为平缓。该模型为水平井的产能预测及水平井长度的优化提供了理论依据。
6 展望
水平井两相渗流是一个较为复杂和困难的研究课题，而尤其气水两相流在气田开发中后期对气藏的描述又具有重要的意义。从水平井两相流的研究历史来看，地层气液两相流动与水平井筒气液两相流动大部分是分开研究，而没有建立较为完善的地层--水平井筒耦合流动模型。水平井段内的流体流动与油藏渗流相互制约，互相影响，该水动力体系的两种流动互为边界条件，只有通过耦合模拟才能揭示水平井水平段内的变质量流动特性。因此，在水平井气液两相流动分析理论与方法方面应该在以下几方面的研究有所突破：
(1)开展水平井气液两相变质量流动机理研究，建立模型及优化计算方法;
(2)完善水平井地层两相渗流与水平井筒两相变质量流动的耦合模型和计算方法;
(3)开展对水平井气水两相流的研究，为高效开发含水气田提供理论基础;
(4)将解析法和数值方法相结合，求解水平井筒和地层耦合渗流的数学模型。
参考文献
[1]刘慈群.水平井的产能及试井分析公式[J].油气井测试，1995：45-49
[2]宋付权等.水平井椭球渗流模型分析与应用[J].油气井测试，1996：25-29
[3]宋付权等.单一直线边界油藏中水平井渗流压力动态分析[J].石油勘探与开发，1997，24(4)：47-50
[4]李凡华等.分形油藏中水平井的非牛顿幂律流渗流规律[J].大庆石油地质与开发，1997，16(3)：38-41
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