垂直井筒气流携砂理论模型分析

确定垂直井筒中气流携砂的合理工艺参数,力求高速含砂气流对井口设备的冲蚀、磨蚀程度最小,又能保证有足够带出全部砂粒的气流,对气井正常生产至关重要。以砂粒受力是其运动的本质为出发点,通过分析垂直井筒中砂粒的受力情况,建立气流携砂的理论模型。在临界状态下,砂粒受力平衡,据此推导出确定气流携砂临界参数的理论公式。该模型推导的理论公式对垂直气井携砂生产具有一定的借鉴意义。     

气井携砂可视化实验研究

气井出砂是天然气开采过程常见问题,给气井正常生产及各种采气工艺措施开展带来很多影响,轻微出砂可迫使气井停产,大量出砂会导致气井报废.气砂两相流动状态是影响气井出砂与否的关键因素,而砂粒的运动状态与气流速度的大小有着直接的关系.为了保证气井正常生产,防止砂粒沉积井底造成砂卡,在自建高16m,直径40 mm有机玻璃管可视化实验架的基础上,通过实验手段采用压缩空气作为介质,模拟气井连续携砂这一物理现象,并测定砂粒悬浮状态下气流的临界流量及井口压力,用经验公式计算出临界速度,与理论临界流速公式计算结果相差不大,说明该实验装置实际可行.从而确定了井口的压力和采气出砂时的气量,为确保合理的防砂方法提供可靠的依据.     

两相流理论在气井携砂中的运用

在天然气气井生产过程中,由于大多数砂岩地层和胶结弱的地层在生产过程中很容易出砂,当生产气量小到不足以将其带出地面时,砂粒就有可能堵塞产层或者沉降在井底堵死气井;当生产气量很大时又会大量带走地层中的砂粒,使地层被抽空,严重威胁到气井的稳定生产.通过对气固两相流的理论的分析来研究砂粒在垂直井筒中的受力,研究其力学模型及砂粒在气流中的各种沉降举升规律,讨论并分析了影响临界流速和临界产量的各种因素,推导天然气气井携砂的临界流速和临界产量,并用于分析了一组实际天然气气井生产数据.这些数据对气井生产作业、合理配产都有一定的实际意义.     

垂直井简低黏度液流最小携砂速度研究

油气井出砂开采或储层出砂后的垂直井筒最小携砂速度是井筒携砂的重要设计参数,一般的方法是对颗粒自由沉降末速附加一个固定的修正系数.基于理论和试验分析,用颗粒的等沉降速度当量直径取代了等体积当量直径,进而利用沉降试验解决了颗粒的形状系数测定问题,并通过携砂试验得到了埕北地区东营组油藏砂粒的最小携砂速度计算公式.研究结果表明,在低黏度流体中最小携砂速度的修正系数随颗粒直径减小而增加,在携砂试验条件下其变化范围为1.45～2.90.研究成果可用于计算垂直井筒内低浓度砂粒无淤塞的最低携砂流速,对于解决其他地质区块和微小颗粒的垂直井筒携砂问题具有借鉴意义.     

垂直井筒低黏度液流最小携砂速度研究

油气井出砂开采或储层出砂后的垂直井筒最小携砂速度是井筒携砂的重要设计参数，一般的方法是对颗粒自由沉降末速附加一个固定的修正系数。基于理论和试验分析，用颗粒的等沉降速度当量直径取代了等体积当量直径。进而利用沉降试验解决了颗粒的形状系数测定问题，并通过携砂试验得到了埕北地区东营组油藏砂粒的最小携砂速度计算公式。研究结果表明，在低黏度流体中最小携砂速度的修正系数随颗粒直径减小而增加，在携砂试验条件下其变化范围为1．45～2．90。研究成果可用于计算垂直井筒内低浓度砂粒无淤塞的最低携砂流速，对于解决其他地质区块和微小颗粒的垂直井筒携砂问题具有借鉴意义。     

井筒砂粒运移规律室内模拟实验研究

利用研制的井筒携砂实验装置,模拟了一定砂粒配比下不同井型中的携砂情况.观察了颗粒在不同倾斜角度的井筒中的运移方式,测定了不同粒径的砂粒被携带出的临界流量,揭示了颗粒直径同流体流量关系变化规律.实验结果表明,流体的流速和携砂管的倾斜程度对砂粒携带能力有很大影响,流体流速越大,携带的颗粒直径也越大,砂粒在携砂管中的流动方式随携砂管倾斜角度而变化,携砂管垂直放置时,颗粒以均匀悬浮方式运移:携砂管倾斜时,颗粒以非均匀分层流动、跳跃和移动床流动方式运移.同一粒径砂粒在不同倾斜携砂管中的临界流量表明,携砂管倾斜60°时,携带能力最弱,携砂管垂直时携砂能力最强.     

高黏度流体垂直井筒携砂临界流速实验与计算

生产实践证明适度出砂开采稠油能够有效增加油井产能,高黏度流体在井筒内携砂临界流速的确定是稠油适度出砂生产设计的关键参数之一。结合调研文献资料,考虑砂粒形状、砂粒浓度和器壁干涉等因素影响后,给出了适用于高黏流体计算砂粒沉降速度的砂粒器壁干涉沉降速度经验公式,采用垂直井筒携砂模拟实验装置进行实验,静态沉降实验得出了砂粒形状校正系数,高黏流体携砂临界流速实验测得实际携砂临界流速,拟合砂粒器壁干涉沉降速度和携砂临界流速,得出高黏流体携带不同粒径砂粒的临界流速计算式。结果表明,砂粒器壁干涉沉降速度与携砂临界流速基本上呈线性关系;黏度越大,砂粒器壁干涉沉降速度与其携砂临界流速值越接近。     

气井携砂数值分析方法

在天然气开采过程中,气井出砂是危害天然气生产的重要因素之一。为了解携砂的整个过程,基于气固两相流理论,研究了砂粒在垂直井筒中的受力情况,建立了砂粒举升过程中的力学模型。运用数学分析方法,讨论了气井携砂的临界产量和已知产量下砂粒在井筒上升任一深度的运动状态,并结合某区块实际天然气气井生产数据,探究了油管直径、砂粒直径和密度等对临界产量的影响规律,得出了砂粒在携带过程中的运动图版。该研究结果为天然气生产管理措施的制定提供了理论依据。     

冲砂泡沫流体室内携砂规律研究

为了解冲砂泡沫流体的携砂规律,在自制的试验装置上研究了冲砂时间与砂面高度的关系以及井筒倾角和砂粒直径对携砂率和停留时间的影响。试验结果表明,砂面高度首先快速下降,然后缓慢下降直至趋于平缓;直径小于0.5 mm的砂粒在泡沫中携砂率大于90%,此时井筒倾角对携砂率和停留时间基本没有影响;直径1.0～1.5 mm的砂粒,携砂率随倾角的增大先减小后增大,停留时间随倾角的增大而缩短,倾角在45°～60°时携砂率最小。对于相同的倾角,砂粒直径越大,携砂率越低且停留时间越长。垂直井筒中砂粒以均匀悬浮方式随泡沫流体一起运移;倾斜井筒中砂粒以跳跃方式运移,且明显滑向较低一侧。     

裂缝性致密砂岩气藏出砂原因及对产气量的影响——以塔里木盆地克深气田为例

为了解决塔里木盆地克深气田面临的气井出砂问题,从储层改造方式、裂缝壁面上岩石颗粒脱落条件、产气量及井筒完整性等4个方面分析了该气田气井出砂的原因,并基于井筒内砂粒受力分析,建立气井临界携砂产气量计算公式,进而研究气藏出砂对产气量的影响。在此基础上,针对气井出砂的不同阶段提出了相应的治砂对策。研究结果表明:(1)引起裂缝性致密砂岩气藏出砂的原因包括储层裂缝发育、储层改造规模大、产气量高及井筒完整性差等方面,其中储层裂缝发育和产气量高是主要的出砂原因;(2)对于无游离砂的情况,当气井产气量大于21.2×10~4m~3/d时,近井区域裂缝壁面的砂粒逐渐脱落;(3)对于存在游离砂的情况,当气井产气量大于9.4×10~4m~3/d时,近井区域裂缝壁面砂粒逐渐脱落;(4)井口及井底积砂是影响气井产气量的关键因素,在出砂早期阶段井口积砂是导致产气量降低的主要因素,在出砂中后期阶段井底积砂是导致产气量降低的主要因素;(5)克深气田出砂临界产气量较低,临界携砂产气量相对较高,及时排砂以避免井筒大规模积砂是治理该类气藏出砂的关键。结论认为,该研究成果可以为裂缝性致密砂岩气藏治理出砂问题提供借鉴。     

气井携砂理论研究与应用

油气井出砂给油气井的正常生产及各种采油、采气工艺的开展带来很多麻烦,轻则迫使气井停产,重则会使气井报废。为了保证气井正常生产,确定合理工作制度,在气固两相流理论基础上,研究了砂粒在气流中的沉降规律,计算了临界流速及临界气量,利用现场数据对计算结果进行分析验证,效果较好,为更好地解决气井出砂问题、保证正常生产提供了科学依据。     

不同产能气井携液能力的定量分析

在老气田的生产开发过程中,井筒积液是一个非常严重的问题。为了保证气井不产生积液,国内外很多学者对气井的最小携液流量都进行了研究,建立了一系列的数学模型,但对气井产量大于临界流量时其液体能否被携带至地面的问题尚未深入探讨。为此,在井筒积液水力学分析的基础上,运用多相流理论,从垂直管柱内环雾流的动量方程出发,建立了气井最大携液量计算的数学模型,并利用VB软件实现了对该模型的求解。分析和计算结果表明：在气井产量大于最小临界携液流量的条件下,不是所有的液体都能够被携带至井口,而是存在一个最大的临界携液量。该临界携液量随着井口压力的减小而增大,随着管径的增大而减小。因此,应用气井临界携液量资料可以分析井筒积液,从而确定气井实施排水采气工艺的时机。这对于气井的稳定生产具有重要的支撑和指导作用。     

地层砂粒在液体中的沉降规律研究

在压裂、防砂及冲砂过程中,为防止砂粒在井筒底部沉积,需研究砂粒在液体中的沉降规律,从而确定最低排量等施工参数。根据固液两相流理论,推导了砂粒在牛顿流体、幂律流体及宾汉流体中不同沉降雷诺数范围内的沉降规律;用不同类型的液体及不同粒径的砂粒对不同情况下沉降规律进行了实验验证。实验及计算表明：常用的斯托克斯公式仅适应于颗粒沉降雷诺数较小的情况;当砂粒较大、液体粘度较小时,用斯托克斯公式得出的计算值与实际值相关很大。新推导公式所得的理论计算值与实测值的误差较小,得出的砂粒沉降规律较为准确,可用于现场 流体携砂能力的研究。     

欠平衡钻气井井口回压控制理论及实践

欠平衡钻气井的井控问题长期以来一直是该技术领域的一道难题。通过分析井筒流动规律并耦合地层产气得出欠平衡钻气井井控的有效方法——施加井口回压。建立了井筒流动方程和地层产能方程以及求解方法,阐述了施加井口回压可以提高欠平衡钻气井井控效果的理论机理,并通过案例分析得出施加井口回压对欠平衡钻气井的井控效果。研究发现,施加井口回压既可以使进入井筒的地层气体减少,又可以使气体体积变小,有利于欠平衡钻井的携砂和井控。     

有杆泵高效携砂采油配套技术及应用研究

针对含砂油井造成砂卡、砂埋抽油泵和杆泵的现象,进行了砂粒沉降速度的试验,提出了井筒掺水携砂和泵下搅砂、泵上挡携砂配套技术,可有效减少井筒砂粒造成砂埋油层、砂卡泵现象,延长有杆泵的使用期限,达到增加油井工作时日的目的。     

深水气田疏松砂岩储层出砂机理研究

在深水油气开采过程中，储层出砂已成为影响油气井正常生产的重要问题，特别是深水气田高产气井中过高的生产速率提高了砂粒的运移能力。利用现场取心完成出砂临界流速试验，并基于流固耦合理论建立了考虑渗流-应力全耦合和气田砂粒侵蚀准则的高压气井出砂定量预测模型，结合自适应网格技术分析不同岩石强度参数和生产参数下深水气井开采过程中的出砂情况。分析结果表明：储层破坏首发点在最小主应力方向，且在地应力和拖曳力的协同作用下不断向井口内部突进；地层黏聚力和生产压差对储层出砂影响较大，其主要影响近井筒地带储层的塑性变形及塑性区内流体的流动特性，进而影响储层的出砂量；对于目标开采储层需采取有效的防砂工艺，并精确控制生产压差来降低出砂风险，或将出砂率控制在可控水平进行开采作业。所得结论可为高产气井的防砂增产提供参考。     

气井井筒温度、压力与积液综合预测模型

气井积液是产水气藏开发设计和气井生产管理面临的重要问题,但目前对气井流动机理与携液预测还存在争议。从气液两相流的基本流动机理出发,建立了考虑液滴变形和井斜影响下气井井筒的流型、温度、压力与携液综合预测模型,并用实际井数据对模型进行了验证。结果表明,所建模型可用于直井、斜井和水平井的产水气井井筒温度压力预测,预测误差小于5%;在环雾状流动情况下,井筒内液体以液滴和液膜的形式被完全带出井口,不会出现井筒积液;对常规垂直气井,利用井口数据便能判断气井积液情况,Turner模型计算气井携液临界值较实际值偏大,李闽模型计算结果明显偏小,建议采用彭朝阳模型计算气井携液临界值;对斜井和水平井,则需要同时考虑液滴变形和井斜的影响,水平井近水平段携液临界流速和流量明显较垂直井段小,而造斜井段携液临界流速和临界流量随井斜角的增大先增大后减小,在井斜角为30°~60°之间达到最大值,因此造斜井段是气井积液判断的重点部位。     

大牛地水平井速度管泡沫冲砂技术

大牛地气田部分水平井存在井底出砂现象限制了气井产能,采用常规冲砂工艺时井筒内流体易漏失到地层,造成地层伤害,为此开展了速度管泡沫冲砂工艺技术研究。综合考虑压力、温度、黏度和流体密度的影响,由力平衡原理建立了水平井泡沫临界携砂流速计算模型,经计算得知水平段临界携砂流速是垂直段1.5倍,倾斜段介于两者之间。基于气井泡沫携砂模型,以鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东北部的1口水平井DPS-9井为施工试验井,设计了该井施工参数,即井口回压在5.0 MPa内,泡沫液与氮气注入比不超过3∶1,冲砂管柱外径优选为38.1 mm,冲砂液排量0.062~0.239 m3/min。现场应用结果表明,该技术冲砂作业时间短,避免了流体漏失,对储层伤害小,气井共返砂1.50 m3,日产水4.40 m3,日增气量1.20×104m3,增产效果明显。     

气藏水平井携液临界流量计算

液滴在水平井筒中的受力情况与垂直井筒中截然不同,根据垂直井筒中质点力学分析获得的计算气井携液临界流量的Turner公式及其修正式不再适用于水平井。根据水平井筒内液滴质点分析理论,推导出水平气井的携液临界流量公式。与水平管气液两相流态机理计算得到的携液临界流量结果的对比结果表明,用质点分析理论计算得到的携液临界流量比气液两相流态机理计算结果要偏于乐观,且其流态正处于环状流和雾状流的过渡区。因此,在实际应用中,用质点分析理论计算的结果可根据生产井实际情况在一定范围内进行调整。     

出砂气井携砂产能研究

疏松砂岩气藏在开采过程中容易出砂,采取完全防砂的方式进行开采,既增加了气井的成本,又降低了气藏的开发速度.为此,提出疏松砂岩气藏采取允许地层适量出砂的开采方式.通过对井筒中固体颗粒的受力分析,建立了颗粒的力学平衡方程,并由此得到了气井携砂的临界产量公式.经过实例分析证明,所推导的临界携砂产量公式较为准确和适用.