深水气井测试临界携液条件的优化设计
何玉发, 李紫晗, 张滨海, 高飞, 李莹莹
中海油研究总院
通讯作者:李紫晗,1989年生,硕士研究生;主要从事非常规及深水油气开发方面的研究工作。地址:(100028)北京市朝阳区太阳宫南街6号院中国海油大厦A座。E-mail:lizh19@cnooc.com.cn

作者简介:何玉发,1980年生,高级工程师,博士;主要从事深水测试、完井技术及油气井管柱力学方面的研究工作。地址:(100028)北京市朝阳区太阳宫南街6号院中国海油大厦B座。ORCID: 0000-0003-1234-8453。E-mail:heyf@cnooc.com.cn

摘要

在深水气井测试设计中,通常采用定值曳力系数悬浮液滴理论模型判断气井测试流量是否具备携液能力。由于对深水气井全井筒携液能力预测缺乏针对性的研究,上述方法设计的携液临界条件较为保守,导致结果误差偏大,实际作业中存在着积液风险,影响了深水气井现场测试的安全性。为此,通过全域拟合方法采用雷诺数修正曳力系数得到计算关联式,据此确定适合深水气井条件的较高精度天然气物性参数,最终建立了修正参数临界携液模型。基于实际案例对模型进行对比分析,证明修正参数模型能够满足深水气井测试临界携液条件设计需要,有效解决了现有悬浮液滴理论模型采用定值曳力系数对全井段进行携液预测临界值偏小等问题,提高了预测精度。结论认为,修正参数模型针对温度、压力、凝析液气比及测试管柱内径等进行敏感性分析,较为直观了解深水气井测试管柱内临界携液条件变化趋势,为优化深水气井测试安全高效参数设计提供了技术支撑。

关键词: 深水气井; 测试; 携液理论; 临界携液模型; 测试参数; 优化设计
Design optimization of critical liquid-carrying condition for deepwater gas well testing
He Yufa, Li Zihan, Zhang Binhai, Gao Fei, Li Yingying
CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China
Abstract

When deepwater gas well testing is designed, the suspension drop theory model with constant drag coefficients is generally applied to determine whether the flow rates of well testing is capable of carrying liquids. However, the critical liquid-carrying condition designed by this method is relatively conservative. And furthermore, few studies have been carried out specifically on the prediction of full-hole liquid-carrying capacity of deepwater gas wells. Therefore, the error of the prediction result is larger. The actual operation of well testing is faced with liquid-loading risk, impacting the safety of field testing of deepwater gas wells. In this paper, the computational correlation was established after the drag coefficient was modified based on the Reynolds Number by using the universal fitting method. Then, high-precision gas physical property parameters suitable for deepwater gas wells were accordingly determined and the critical fluid-carrying model with modified parameters was ultimately established. Finally, this model was comparatively analyzed based on the actual cases. It is proved that this model with modified parameters can meet the design requirements of critical liquid-carrying condition for deepwater gas well testing, for it solves the problem that the critical liquid-carrying capacity of full hole predicted at the constant drag coefficients according to the current suspension drop theory is lower and effectively improves the prediction accuracy. It is concluded this model performs sensitivity analysis on temperature, pressure, condensate-gas ratios and testing pipe diameters, so it is more intuitive to understand the change trend of critical liquid-carrying condition in the deepwater gas well testing string. This research provides a technical support for the optimization of safety and efficiency parameters in deepwater well testing.

Keyword: Deepwater gas well; Testing; Liquid-carrying theory; Critical liquid-carrying model; Testing parameter; Design optimization
0 引言

油气井测试是深水油气藏勘探开发的重要环节, 也是了解储层特性的最直接手段[1, 2, 3, 4]。深水气井测试期间, 如果液体无法被携带出井口, 在测试管柱内滞留, 最终在井底形成积液。井底积液不仅导致流体样本受到污染, 限制气藏产能评价, 而且使得储层数据获取不准, 减小探测半径, 最终导致测试失败[5]。因此应重点关注测试气井临界携液问题[6, 7, 8]

事实已证明, 管壁液膜理论[9, 10, 11, 12, 13]及多液滴模型尚不完善[14], 无法应用于实际气井携液设计, 悬浮液滴理论便成为唯一可用的理论并得到广泛应用。目前, 成熟商业软件及深水气井测试设计中, 均采用Turner悬浮液滴理论模型判断气井能否携液[15]。国内如李闽[16, 17]、王毅忠[18]、杨文明[19, 20]等基于Turner液滴模型, 不断进行修正, 建立了适用国内不同气田生产的携液模型。但对深水气井则缺乏针对性研究, 由于各模型均采用定值曳力系数计算临界携液条件, 忽略曳力系数随压力改变对临界携液变化规律的影响, 导致临界携液流动条件预测值偏小, 无法保证深水测试作业期间气井正常携液。

笔者以Turner模型为基础, 分析曳力系数变化规律, 采用全域非线性拟合方法对其进行修正, 确定较高精度天然气物性参数模型及经验公式, 最终建立了修正参数临界携液模型(以下简称修正参数模型)。通过现场实例进行模型对比和适用性分析, 结论认为:所建模型为深水气井测试临界携液设计提供了理论指导和实用方法。

1 修正参数模型建立
1.1 悬浮液滴理论

深水气井测试过程中, 当测试气量较大, 井筒内气流流速较高, 带动井筒内液体携带出井口, 井底不会出现积液现象, 测试管柱内流态以环雾流为主。此时, 在管柱内壁形成一层液膜, 在高速流动并夹带液滴的气流拖曳下逐渐上行。如图1所示, 如果测试设计气量较低, 导致测试流速无法满足携液条件, 井筒中流态会随着气体流速降低而发生变化, 导致测试管柱内壁液膜加厚, 中间气芯没有足够流速携带液滴全部携带出井口, 以至凝析液以液滴和液膜的形式滞留井内并在井下迅速堆积, 增加对气层的回压, 最终导致测试失败[21]

图1 气井积液过程示意图

根据悬浮液滴理论, 气流中夹带液滴及管壁液膜不断交换, 液膜下降最终破坏形成液滴。通过对气井中单一液滴进行受力分析, 如果液滴垂直方向上受力平衡, 液滴悬浮于井筒中或向上匀速运动, 因此液滴不会向下沉积形成井底积液, 此时气流速度成为临界携液流量; 若液滴重力大于曳力, 液滴就会向下运动落入井底并形成积液[22]

1.2 液滴受力分析

根据Turner球形悬浮液滴携液模型, 深水气井正常测试过程中, 液滴受到自身重力、周围气体浮力以及气体对液滴曳力(图2)。

图2 液滴受力示意图

要使气井中的液滴被气体携带出井筒, 需要浮力与曳力之和大于液滴自身重力, 即

式中Fg表示液滴浮力, N; FD表示液滴曳力, N; Gw表示液滴重力, N; d表示液滴直径, m; Cd表示曳力系数; ug表示气井流速, m/s; ρ g表示气体密度, kg/m3; g表示重力加速度, m/s2; ρ l表示液体密度, kg/m3

测试气井中最大直径液滴不滑落, 气井积液就不会发生。液体的最大直径由韦伯数决定, 当韦伯数超过30后, 气流的惯性力和液滴表面张力间的平衡被打破, 液滴会破碎。因此最大液滴直径为:

式中Nwe表示韦伯数, 取临界值30; σ 表示气水界面张力, mN/m。

为保证深水气井测试能够正常携液, 以式(1)为判别携液条件, 将式(3)代入式(2), 整理简化得到深水测试气井临界携液流速为:

式中ucr表示气井临界携液流速, m/s。

1.3 曳力系数修正

根据文献中标准阻力曲线(图3), 液滴曳力系数受雷诺数影响, 由于曳力系数随雷诺数变化无规律可循, 因此难以用公式准确确定[23]

图3 标准阻力曲线图

为满足深水测试设计需要, 解决现有模型对于曳力系数采用定值预测临界携液问题, 故采用全域非线性拟合方法整理出新关联式[24], 通过雷诺数对曳力系数进行修正, 针对深水气井全井段各点处条件计算曳力系数。即

式中Re表示雷诺数。

工程上雷诺数采用下式计算[25]

式中qsc表示标准状态下气体流量, m3/d; rg表示天然气相对密度, 无因次; μ g表示气体黏度, mPa· s。

1.4 高压天然气物性参数

1.4.1 天然气压缩因子

目前工程上采用计算天然气偏差系数模型适用压力范围小、多次迭代计算、精度偏低。故采用LXF— RMP“ 高精度、全压力、全温度范围” 计算模型确定天然气偏差系数[26], 提高天然气物性参数准确性, 减小误差。

1.4.2 天然气黏度

天然气黏度采用Lee— Gonzalez半经验法进行计算[27], 相关经验方程为:

其中

式中T表示天然气所处温度, K; M表示天然气视分子量, g/mol。

1.4.3 天然气表面张力

由经验公式确定[28]

其中

式中p表示天然气所处压力, MPa。

1.5 模型建立

根据深水气井正常携液液滴受力分析, 通过非线性拟合方法采用雷诺数表征曳力系数; 确定较高精度天然气物性参数计算模型及经验公式, 最终确定修正参数临界携液流速(ucr)为:

临界携液流量(qcr)为:

式中Z表示天然气压缩因子, 无因次。

2 模型对比及适用性分析
2.1 海上测试气井实例分析

已知海上某测试气井为一口垂直预探井, 测试层位井深介于3 769.0~3 799.0 m, 地层压力为36.85 MPa, 井底温度为155 ℃; 天然气相对密度为0.67, 主要含甲烷(92.98%), 并含少量二氧化碳和氮气。根据现场测试数据, 选取最小放喷气量为281 341 m3/d, 以井底为求节点, 得到井筒内各点实际流速如图4所示。

图4 测试气井流速曲线图

由于下部测试管柱内径较小, 实际流速远高于井筒上部, 若保证最小放喷气量条件下井筒正常携液, 上部管柱流速必须满足携液条件, 分别采用Turner模型、李闽模型、王毅忠模型及修正参数模型计算临界携液条件, 与井筒各点处测试流速对比并进行分析, 其结果如图5和图6所示。

图5 临界携液流速与测试流速对比曲线图

图6 临界携液流量与测试流量对比曲线图

与现场最低放喷流动条件相比, 李闽模型和王毅忠模型采用较大定值曳力系数对全井筒进行临界携液预测, 导致计算临界值偏小, 预测精度较低, 无法满足现场测试作业要求, 存在积液风险。由于Turner模型和修正参数模型与最低放喷流动条件较为接近, 还需通过深水气井A1井进行再次对比分析。

2.2 A1井对比分析

A1井水深约1 455.0 m, 地层压力为40.338 MPa, 井底温度为95 ℃, 天然气相对密度为0.598, 含水率为0.05~0.06 m3/(104m3)。根据测试设计数据, 以防止天然气水合物生成气量25× 104m3/d为最低设计流量[29], 采用Turner模型和修正参数模型对测试管柱进行携液校核(图7)。

图7 A1井临界携液流速与测试流速对比曲线图

截取部分管径数据对比分析(表1), Turner模型和修正参数模型计算携液流速均小于各管径实际流速, 证明在防止天然气水合物生成的最低测试气量条件下, 测试管柱具备携液能力。

表1 不同测试管径数据流速对比表

与Turner模型相比, 修正参数模型预测临界流速与井筒流速较为接近且预测临界携液范围更大, 有效提高临界值上限。在防止水合物最低设计测试流量条件下, 采用修正参数模型计算临界携液流量为19.073× 104m3/d, 测试设计流量高于该值, 满足携液要求。通过上述模型对比验证及分析, 修正参数模型有效提高临界携液预测精度, 避免深水气井携液条件设计较小, 满足测试设计要求, 避免现场积液发生。

3 修正参数模型敏感性分析

B3井水深大约1 485.0 m, 地层压力为32.876 MPa, 井底温度为95 ℃, 天然气相对密度为0.7, 凝析液气比(CGR)为17.1 stb/MMscf(注:1 stb = 0.159 m3; 1 MMscf = 28 317 m3, 下同), 凝析水气比为0.03~0.08 bbl/MMcf(注:1 bbl = 0.159 m3; 1 MMcf = 28 317 m3, 下同)。现以B3井测试储层基础数据及相关测试设计数据为例, 分别针对温度、压力、凝析液气比及测试管柱内径, 使用悬浮液滴修正参数模型进行敏感性分析。

3.1 压力及温度敏感性分析

根据该井测试设计选取外径4.50 in、内径3.74 in测试管柱, 模拟某一定测试气量条件下, 井筒内压力、温度变化对于临界携液的影响。

由图8可以看出:井筒内压力、温度随井深增加而增大, 使得天然气在高压下被压缩, 密度相对增大, 携液能力增强, 导致临界携液流速在井底处最小, 井口处达到最大; 携液流速随压力改变幅度大于随温度递增幅度, 说明在该测试气量和凝析液气比条件下, 液含量较高导致温度损失较小, 压力损失较大, 压力成为影响临界携液主导因素[30]

图8 携液流速随温度、压力变化曲线图

3.2 凝析液气比敏感性分析

在相同测试气量下, 选取同一测试管柱内径, 分析凝析液气比对临界携液影响。如表2、图9所示:随凝析液气比增加, 井段相同位置携液速度增大; 随着井筒内压力、温度降低, 凝析液析出量增大, 井口处预测携液流速差异越明显; 井底处压力和温度损失较小, 携液速度较为接近。

表2 最大临界携液流速对比表

图9 不同凝析液气比下临界携液流速对比曲线图

3.3 测试管柱内径敏感性分析

测试管柱内径越大, 测试气井产量越高, 针对管径携液校核并优选是测试设计过程中的重要一项。为获得合适测试气井产量, 并能够连续携液, 根据该井设计数据, 选定测试产气量, 将测试管径作为敏感参数, 选择内径3.74 in、3.92 in、4.00 in和4.09 in进行分析(表3)。

表3 最大临界携液流量对比表

由图10可知, 相同测试气量和凝析液气比条件下, 小管径临界携液流量较大, 举升液滴效率相对较高, 更易满足携液要求。据测试设计气量, 通过对深水气井测试管柱进行携液能力校核, 实现测试管柱优选, 保证深水测试作业成功、高效、有序进行。

图10 不同管径下临界携液流量图

4 结论

1)基于悬浮液滴Turner模型, 通过全域非线性拟合方法采用雷诺数修正曳力系数, 并确定高精度天然气参数计算模型及经验公式, 最终建立修正参数模型, 解决现有模型采用定值曳力系数对全井段变压力环境进行携液预测临界值偏小等问题。

2)通过测试实例对比分析, 验证了修正参数临界携液模型有效提高临界携液预测范围, 预测精度相对提高, 满足深水气井测试设计要求, 保证实际测试作业过程中有效携液, 为深水测试设计提供一定借鉴、指导, 为优化测试安全高效参数设计奠定了研究基础和方向。

3)通过对修正参数模型进行敏感性分析, 可以看出随着凝析液大量析出, 温度损失较小, 压力损失成为影响临界携液的主要因素。针对深水气井测试设计, 应进行井筒携液能力校核, 合理优选测试管柱尺寸, 防止实际作业中凝析液大量析出造成测试流速难以满足携液要求, 影响测试作业。

The authors have declared that no competing interests exist.

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