一種煤層氣井井筒流動動態(tài)預測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種煤層氣井井筒流動動態(tài)預測 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，煤層氣排采過程中多采用油管產(chǎn)水套管產(chǎn)氣的生產(chǎn)方式，與常規(guī)天然氣生 產(chǎn)方式差別較大。同時由于煤質(zhì)具有較脆、膠結(jié)性差、易碎和易坍塌等特點，前期壓裂及排 采過程中的生產(chǎn)壓差和流體作用會造成煤層破壞產(chǎn)生煤粉。由于產(chǎn)出的煤粉中部分顆粒 極小，同時煤基質(zhì)呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，本身視密度較小，因此部分煤粉能夠緊隨井筒內(nèi)的流體流 動，這也使得煤層氣井井筒套管中的流動呈現(xiàn)為煤層氣、水、煤粉構(gòu)成的氣液固三相流。
[0003] 現(xiàn)有關(guān)于井筒內(nèi)三相流的研究主要針對油氣水三相流。而對于氣液固構(gòu)成的三相 流，由于在油氣開采過程中較少遇到，同時固相的存在使得已有的較為完備的氣液兩相流 流型判別方法不再適用，因此目前關(guān)于井筒內(nèi)氣液固三相流流動特征的研究極為少見。
[0004] 基于上述情況，亟需一種煤層氣井井筒流動態(tài)預測方法準確地預測和分析沿井筒 流體壓力、溫度、相態(tài)等的變化特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種煤層氣井井筒流動動態(tài)預測方法，包 括：
[0006] 對井筒油管中的液體采樣以獲取井筒中的真實固體含量Hs ;測量井口的液相體積 流量和氣相體積流量，以及井口溫度和井口壓力；
[0007] 判別井筒中氣液固三相流的流動形態(tài)，并根據(jù)井筒中的真實固體含量Hs確定氣液 固三相流的建模參數(shù)；
[0008] 依據(jù)所述真實固體含量Hs以及所述建模參數(shù)，結(jié)合動液面位置和井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)， 基于貝格斯-布里爾方法建立井筒內(nèi)的氣液固三相流壓力模型；
[0009] 依據(jù)所述氣液固三相流壓力模型，所述真實固體含量Hs以及所述建模參數(shù)，結(jié)合 井身傳熱參數(shù)，根據(jù)能量守恒性質(zhì)建立井筒內(nèi)的溫度分布模型；
[0010] 從井口開始對井筒依次劃分為若干連續(xù)的子井段，將測量得到的井口的液相體積 流量和氣相體積流量，以及井口溫度和井口壓力做為初始值，在所述連續(xù)的子井段內(nèi)根據(jù) 所述壓力模型和溫度分布模型耦合迭代計算直至井底，獲得井筒內(nèi)氣液固三相流的壓力和 溫度沿井筒深度的分布結(jié)果。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還包括根據(jù)所述壓力和溫度沿井筒深度的分布結(jié)果以 及氣體狀態(tài)方程獲得井筒內(nèi)氣相密度沿井筒深度的分布結(jié)果。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述判別井筒中氣液固三相流的流動形態(tài)包括
[0013] 由井筒中的液相體積流量參數(shù)和氣相體積流量參數(shù)確定氣液固混合物的平均流 31
「和無滑脫持液率& == ; 2Q
[0014] 根據(jù)弗洛德準數(shù)乂?> =4和無滑脫持液率盡應(yīng)用貝格斯-布里爾方法 劃分井筒中氣液固三相流的流動形態(tài)；
[0015] 其中，Qi為井筒中的液相體積流量參數(shù)，Qg為井筒中的氣相體積流量參數(shù)，g為重 力加速度，D為管道直徑。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述根據(jù)真實固體含量Hs確定氣液固三相流的建模參 數(shù)包括根據(jù)真實固體含量H s和井筒中氣液固三相流的流動形態(tài)的流型參數(shù)計算真實液體 含量壓（0) = (l-HjH'je)，真實氣體含量 Hg(0) = a-Hjti-H'je)]，
[0017]其中，H' i ( e ) = Hi⑹V，H' i ( e )為傾角為0的氣液兩相流動的液體含量，Hi(0) 為同樣流型參數(shù)下水平流的液體含量，V為傾斜校正系數(shù)，0為井筒管道與水平方向的夾 角。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述根據(jù)真實固體含量Hs確定氣液固三相流的建模參 數(shù)還包括
[0019] 根據(jù)真實固體含量Hs，真實液體含量托（0 )和無滑脫持液率&計算氣液固三相流 沿程阻力系數(shù)入=X' ?￥;其中，
[0020] 無滑脫的沿程阻力系！
[0021] IV為無滑脫的雷諾數(shù)，由含有固相顆粒的液相粘度U ls = U J1+2. 5HS)確定， P i為液相粘度；
[0022] 指數(shù)

[0023] 其中， ^為無滑脫持液率，托（0 )為真實液體含量，0為井筒管道 與水平方向的失用。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述氣液固三相流壓力模型由下式表示：
[0025]
[0026] 其中，P:為液相密度，Pg為氣相密度，Ps為固相密度，p為氣液固三相混合物的 壓力，z為沿井筒軸向流動的距離，g為重力加速度，G為氣液固三相混合物的質(zhì)量流量，A 為管道橫截面積，D為管道直徑， Vni為氣液固三相混合物的平均流速，vsg為氣相表觀流速； Hs為真實固體含量，托（0)為真實液體含量，H g(0)為真實氣體含量，0為井筒管道與水平 方向的夾角；A為沿程阻力系數(shù)。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述溫度分布模型由下式表示：
[0028]
[0029]其中，#由所述氣液固三相流壓力模型確定，T為井筒溫度，Cpni為氣液固三相混 合物的平均定壓比熱容，CIni為氣液固三相混合物的焦耳一湯姆遜數(shù)，q為徑向熱流量，p為 氣液固三相混合物的壓力，\為氣液固三相混合物的平均流速，A為氣液固三相流沿程阻 力系數(shù)，0為井筒管道與水平方向的夾角，D為管道直徑，g為重力加速度，z為沿井筒軸向 流動的距離。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述井筒內(nèi)氣相密度沿井筒深度分布的結(jié)果由下式表 示： 〇M
[0031] & ，其中，Pg為氣相密度，p為氣液固三相混合物的壓力，T為井筒溫度，Z 為氣相偏差系數(shù)，R為通用氣體常數(shù)，M為甲烷摩爾質(zhì)量。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在所述連續(xù)的子井段內(nèi)根據(jù)所述壓力模型和溫度分布 模型耦合迭代計算直至井底，獲得井筒內(nèi)氣液固三相流的壓力和溫度沿井筒深度的分布結(jié) 果包括：
[0033]耦合計算步驟，依據(jù)當前子井段上出口位置的壓力和溫度，液相體積流量參數(shù)和 氣相體積流量參數(shù)，根據(jù)所述壓力模型和溫度分布模型耦合計算，獲得當前子井段下入口 位置的氣液固三相流互相耦合的壓力和溫度，以及當前子井段下入口位置的液相體積流量 參數(shù)和氣相體積流量參數(shù)；
[0034]迭代計算步驟，以當前子井段下入口位置的壓力和溫度做為下一子井段上出口位 置的壓力和溫度，以當前子井段下入口位置的液相體積流量參數(shù)和氣相體積流量參數(shù)做為 下一子井段上出口位置的液相體積流量參數(shù)和氣相體積流量參數(shù)；
[0035] 重復執(zhí)行耦合計算步驟和迭代計算步驟，直到井底，獲得井筒內(nèi)氣液固三相流的 壓力和溫度沿井筒深度的分布結(jié)果。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述所述耦合計算步驟包括，
[0037] 設(shè)定當前子井段下入口的預設(shè)溫度，依據(jù)當前子井段上出口位置的液相體積流量 參數(shù)和氣相體積流量參數(shù)，根據(jù)所述氣液固三相流壓力模型計算當前子井段下入口位置的 壓力；由所述當前子井段下入口位置的壓力和所述溫度分布模型得到當前井段下入口的計 算溫度；
[0038] 當所述預設(shè)溫度和計算溫度之間的差值小于預設(shè)的溫度差閾值時，所述壓力和預 設(shè)溫度做為當前井段下入口位置互相耦合的壓力和溫度，并計算當前子井段下入口位置的 液相體積流量參數(shù)和氣相體積流量參數(shù)；當所述預設(shè)溫度和計算溫度之間的差值大于預設(shè) 的溫度差閾值時，重新設(shè)定當前子井段下入口的預設(shè)溫度。
[0039]本發(fā)明帶來了以下有益效果：可以根據(jù)井口產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量，以及套壓等物性參 數(shù)預測任意井型的井筒內(nèi)任意位置的流態(tài)，流速，壓力，溫度分布等物性參數(shù)；可以進行生 產(chǎn)參數(shù)敏感性分析，依據(jù)不同的井底壓力預測單井產(chǎn)量變化，然后依據(jù)配產(chǎn)需求進行參數(shù) 調(diào)整。
[0040]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且部分地從說明書中變得 顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利要 求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0041] 圖1是煤層氣井井筒流動狀態(tài)示意圖；
[0042] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的煤層氣井井筒流動動態(tài)預測方法流程圖；
[0043] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的耦合迭代計算的步驟流程圖；
[0044] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的耦合迭代計算的步驟流程圖；
[0045] 圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的方法獲得的井筒壓力沿井筒軸向的分布曲線；
[0046] 圖6是在工程現(xiàn)場得到的油套環(huán)空壓力分布曲線；
[0047] 圖7是在工程現(xiàn)場得到的油套環(huán)空溫度分布曲線。
【具體實施方式】
[0048] 以下將結(jié)合附圖及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用 技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。需要說明 的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結(jié)合， 所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0049] 首先對本發(fā)明的應(yīng)用環(huán)境進行說明。圖1所示為油管產(chǎn)水套管產(chǎn)氣生產(chǎn)方式下煤 層氣井井筒流動動狀態(tài)示意圖。煤層氣儲層初始情況下含水率通常較高，同時由于大規(guī)模 壓裂改造以及孔隙壁面摩擦導致在排采過程中通常伴隨有煤粉顆粒析出，因此煤層氣井筒 油管101內(nèi)為固液兩相流，油套環(huán)空102內(nèi)動液面以上為純氣段，動液面至泵吸入口 103附 近可以近似認為是靜液柱段，泵吸入口 103以下的套管104內(nèi)為氣液固三相流，其中固相煤 粉顆粒為分散相。
[0050] 由于井筒內(nèi)流體的物性參數(shù)通常是耦合在一起的，即壓