一种基于环空起泡剂下落及油管泡沫上升的泡排气井消泡剂间歇加注制度方法

本发明涉及油气田开发，具体涉及一种基于环空起泡剂下落及油管泡沫上升的泡排气井消泡剂间歇加注制度方法。

背景技术：

1、国内大量气田进入开发中后期，地层压力逐年衰减，气相表观流速下降，当气流速度低于临界携液流速后，井筒内凝析水、地层水会以液滴、液塞、环状液膜的形式滞留于油管内部，形成井筒积液。井筒积液会增大井底流动回压，降低地层气体渗流驱动力，导致气井产能递减。泡沫排水采气通过向井口油套环空投加起泡剂，降低气液界面张力，将连续液相破碎为微小泡沫，依靠泡沫巨大比表面积提升气相携液能力，是目前应用规模最大的低成本积液治理工艺。受限于工艺及经济原因，起泡剂通常采用间歇加注方式进行。

2、泡沫体系进入地面集输系统后，会降低气液分离效率，因此需在井口加入消泡剂进行破泡处理。现阶段国内绝大多数泡排井的消泡药剂加注方案完全依靠岗位操作人员现场经验制定，普遍采用全天恒定排量连续加注模式，缺乏对起泡剂作用过程和泡沫返排时间的定量认识，经济成本高。一方面，每日固定时段集中加注起泡剂后，药剂需数小时沿管壁下落至井底再生成泡沫向上举升，原有连续加注模式在泡沫未抵达井口的空白时段持续投加消泡剂，药剂溶解于空管线无任何泡沫可作用，造成完全无效损耗；另一方面，间歇集中加注起泡剂会在固定时段形成集中泡沫涌出高峰，全天均匀投加消泡剂的模式下，泡沫峰值区间消泡剂量供给不足，泡沫大量溢流进入分离器，增加人工运行维护工作量。现有经验加注模式无定量时序计算手段，无法同步兼顾井筒高效携液与地面平稳分离。

3、为此，本发明通过起泡剂与消泡剂可视化管流评价实验，确定最优起消比；基于环空贴壁降膜层流特征，求解navier-stokes方程，建立油套环空起泡剂下落时间预测模型；耦合泡沫持液率计算公式及压降模型，计算泡沫真实上升速度，建立泡沫返排时间预测模型。据此确定消泡剂间歇加注的浓度与启动时刻。本方法在不降低排液稳产效果及不影响地面设备运行的前提下，大幅削减消泡剂日消耗量，对泡排气井药剂制度的数字化精准调控具有重要现实意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于环空起泡剂下落及油管泡沫上升的泡排气井消泡剂间歇加注制度方法，建立起泡剂从井口注入到泡沫返排至井口全过程的时间响应预测模型，据此确定消泡剂间歇加注启动时刻、单次加注时长及加注量，降低药剂运行成本。

2、为达到上述目的，本发明所述的一种基于环空起泡剂下落及油管泡沫上升的泡排气井消泡剂间歇加注制度方法，包括以下步骤：

3、1.所述的一种基于环空起泡剂下落及油管泡沫上升的泡排气井消泡剂间歇加注制度方法，包括：

4、步骤一：获取目标泡排气井的基础参数；

5、步骤二：基于可视化竖直管流实验平台，开展不同浓度起泡剂和消泡剂的多工况管流评价实验，确定最优起消比；

6、步骤三：建立起泡剂环空下落时间预测模型；

7、步骤四：建立泡沫返排时间预测模型；

8、步骤五：计算泡沫返排响应时间，并以该时间为基础确定消泡剂间歇加注的浓度与启动时刻。

9、2.进一步地，步骤一所述基础参数包括气井测深、垂深、油管内径、油管外径、套管内径、产气量、产液量、单次起泡剂加注量、单次起泡剂加注时间、起泡剂稀释比例、起泡剂物性参数。

10、3.进一步地，步骤二所述可视化竖直管流实验平台包括气相供给单元、液相定量供给单元、透明井筒模拟单元、井口雾化消泡单元以及数据与图像同步采集单元；气相供给单元由空压机、稳压储气罐、高精度气体流量计、调节阀组成；液相供给单元包括药剂配液罐和变频计量泵；井筒模拟段选用高透光有机玻璃直管，管壁布设高精度压力传感器；水平消泡段前端安装高压雾化喷嘴；数据图像采集单元包含高速工业相机和多通道压力采集仪。

11、根据现场产气量和产液量确定实验气流速和液流速，其中实验液体中加入起泡剂以配制一定浓度的起泡剂溶剂并分别开展管流实验；在井口给定消泡剂加注流量，保持与实验液流速对应的流量相同，在不同消泡剂加注浓度下进行消泡，并在出口立管内收集液体，若消泡剂浓度不够，立管里残余泡沫高度会很高，认定泡沫高度低于3mm为消泡完全，该消泡剂浓度则为完全消泡的浓度，对应的起泡剂浓度与该消泡剂浓度的比值则为最佳起消比。

12、4.进一步地，步骤三所建立的起泡剂环空下落时间预测模型为：将环空液膜简化为竖直同心环形空间中的贴壁层流，基于navier-stokes方程及壁面无滑移、气液界面无剪切边界条件，求解液膜速度分布和液膜厚度，得到起泡剂平均下落速度，进而计算起泡剂由井口下落至井底的时间

tc；包含以下步骤：

13、对于任意角度下油套环空，当液体沿环空流动时，会沿套管内壁和油管外壁重力自由下落，且形成贴壁薄的不均匀分布液膜，气相占据环空中心区域，液膜厚度空间分布主要受井筒周向位置和井斜角共同控制，记周向位置

φ和井斜角

θ对应的液膜厚度为

δ(

φ,

θ)；为简化分析，假设气液界面保持光滑，液膜厚度沿井筒周向呈线性变化；基于该假设，液膜截面可等效为展开后的双梯形平面结构，其中最大液膜厚度出现在井壁截面底部（

φ=180°），记为

δ(

π,

θ)，而最小液膜厚度则位于顶部（

φ=0°），记为

δ(

0,

θ)；为求解环形空间中沿壁面自由下落液体的液膜厚度，作如下假设：定常、充分发展层流，轴向速度仅与径向坐标有关；液体为不可压缩的牛顿流体，粘度、密度为常数；气液界面无剪切，即气相静止或低速，界面切应力为零；压力沿径向均匀分布；液膜极薄，可后续对比圆柱坐标与平面近似；无蒸发、无动量源汇，流动仅由重力与粘性力平衡。

14、起泡剂溶液在环空中下落，下落时间与液体下落的速度和井深相关，根据液体下落的平均速度和井深

z计算得到起泡剂的下落时间

tc：

15、(1)

16、其中起泡剂溶液的下落速度需要进行建模计算得到；基于柱面坐标系，任意倾角

φ下稳态条件下液膜的navier-stokes方程为式(2)：

17、(2)

18、其中，

u为轴向速度，m/s；

p为压力，pa；

z为深度，m；

ρl为液相密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；

μl为液相粘度，mpa·s；

r为径向距离，m。

19、以油管外壁降膜为例，假定其液膜厚度为

δ1，涉及的边界条件包括：壁面

r=

ri，固壁无滑移；气液分界面

rδ1=

ri+

δ1，且气液界面无剪切。

20、对式(2)分别进行两次积分，之后将界面剪切边界条件及壁面无滑移边界条件代入，得到速度分布式(3)：

21、(3)

22、进一步地，假定液膜沿井壁周向均匀分布，此时液膜面积为：

23、(4)

24、其中平均液膜厚度为：

25、(5)

26、对不同井斜角下井筒顶、底部液膜厚度实验数据回归，得到井筒顶部与底部液膜厚度之比：

27、(6)

28、以倾斜井筒中油管外壁液膜为例，液膜截面等效展开为双梯形平面结构后，由积分关系可知油管外壁液膜流量为：

29、(7)

30、其中，

ri为油管外壁半径，m；

r为径向距离，m。

31、同理，对于套管内壁液膜，其流量为：

32、(8)

33、其中，

ro为套管内壁半径，m。

34、根据液膜厚度可计算得到液体沿油管外壁和套管内壁流动时的环形流通面积

a

δ：

35、(9)

36、其中，为液体沿油管外壁下落时的平均液膜厚度，m；为液体沿套管内壁下落时的平均液膜厚度，m；都由式(5)求得。

37、套管内壁液膜与油管外壁液膜流量之比和套管内径、油管外径和井斜角存在如下关系：

38、(10)

39、其中，a1，a2，a3为实验拟合参数，且a1，a2，a3之和始终为1。

40、对于总流量

q，由式(11)求得：

41、(11)

42、其中，

v为单次加注起泡剂体积，m3；

n为单次加注的清水与起泡剂体积之比，由现场经验确定；

δt为清水起泡剂加注时长，s。

43、联立式(6)、式(7)、式(8)、式(11)，可解得最大液膜厚度

δ(

π,

θ)，代入式(5)、式(6)、式(9)后可计算得环形流通面积

a

δ，那么起泡剂下落时速度为：

44、(12)

45、5.进一步地，步骤四所建立的泡沫返排时间预测模型为：利用动量守恒推导竖直两相流总压力梯度控制方程，计算气液混合密度、混合粘度、摩阻系数、弗劳德型无因次气液流速以及泡沫体系持液率，依据液相体积流量守恒求解液相实际流通面积与分段真实上升速度，直接计算泡沫从井底返排至井口的总返排时间

tt；包含以下步骤：

46、当起泡剂到达井底并与地层产出液体混合形成泡沫后，泡沫在气流携带作用下沿油管向上运动；根据泡沫上升平均速度和井深

z计算得到泡沫的上升时间

tt：

47、(13)

48、其中，为泡沫上升平均速度，m/s；

ql为液流量，m³/s；

a为油管横截面积，m²；为井筒泡沫平均持液率，无量纲。

49、通过计算沿井筒剖面泡沫流的持液率和压力得到沿不同井深下泡沫流的持液率分布，加权平均即可得到井筒泡沫平均持液率；泡排井中竖直向上两相流总压力梯度控制方程为式(14)：

50、(14)

51、其中，

ρm为气液两相混合密度，kg/m³；

fm为两相混合摩阻系数，无因次；

vm为气液混合表观流速，m/s；

d为油管内径，m。

52、气液混合密度

ρm、混合粘度

μm表达式分别为式(15)和式(16)：

53、(15)

54、(16)

55、其中，

ρl为液相密度，kg/m³；

ρg为气相密度，kg/m³；

μlfoam为泡沫动力粘度，pa·s；

μg为气相动力粘度，pa·s；

hlfoam为泡沫持液率，无量纲。

56、采用显式形式的colebrook-white经验关联式计算摩阻系数，如式(17)所示，其中两相混合雷诺数rem由式(18)确定：

57、(17)

58、(18)

59、其中，

e为油管内壁绝对粗糙度，m。

60、对于泡排而言起泡剂形成稳定泡沫后，泡沫持液率计算公式为：

61、(19)

62、其中

b1、

b2、

b3为实验拟合系数；

hl为两相流条件下持液率，无量纲；

χ为泡排浓度系数，无量纲。

63、两相流条件下持液率

hl是基于无量纲速度数、管道倾角的指数拟合关联式：

64、(20)

65、其中

c1，

c2，

c3为实验拟合参数；

ξ为油管轴线与水平面夹角。

66、考虑气液密度差的弗劳德型无量纲速度数作为两相持液率关联式输入参数，无因次液流速

nslv和无因次气流速

nsgv分别由式(21)和式(22)定义：

67、(21)

68、(22)

69、其中

vsl为表观液流速，m/s；

vsg为表观气流速，m/s；

70、泡排浓度系数

χ计算公式如下：

71、(23)

72、其中

c为井筒液相起泡剂浓度，

ccmc为起泡剂临界胶束浓度，由室内实验确定。

73、液相起泡剂浓度

c与注入起泡剂的体积和原本井筒中积液体积相关：

74、(24)

75、其中

v为加注起泡剂体积，m3；

n为加注的清水与起泡剂体积之比，由现场经验确定；

vw为井筒积液体积，m3。

76、假设泡排前井筒流动为气液两相流，即上次泡排效果完全消失，则井筒积液体积可由气液两相流持液率计算得到：

77、(25)

78、其中

vv为垂直管段/倾斜段（倾角大于等于5°）积液管段体积，m3；

hlv(

ξ)为垂直管段/倾斜段（倾角大于等于5°）气液两相持液率，无量纲；

vh为水平管段（倾角小于5°）体积，m3；

hlh(

ξ)为水平管段（倾角小于5°）气液两相持液率，无量纲。

79、其中，垂直管段/倾斜段持液率由式(20)求得，水平管段（倾角小于5°）气液两相持液率则由下式计算得到：

80、(26)

81、其中

d1，

d2，

d3为实验拟合参数；

hlh(0)为倾角为0时的水平管持液率，无量纲，可根据气液两相动量方程式进行求解：

82、忽略气、液两相速度沿程变化并利用力平衡方法建立气、液两相动量方程式如(27)、(28)所示：

83、(27)

84、(28)

85、其中，

ag、

al为气相、液相管道截面过流面积，m2；

dp/dz为压力梯度，pa/m；

τwg、

τwl为气相与管壁、液相与管壁的剪切力，n/m2；

τi为气液界面的剪切力，n/m2；

sg，

sl为气相、液相湿周，m；

si为管道横截面的气液分界面长度，m。

86、假设两相动量方程的压力梯度项相等，则联立式（27）和式（28）消去压力梯度项进而得到相组合动量方程：

87、(29)

88、当管道倾斜角度为0，即为水平管道，式（29）中角度项则为0，即可得到关于水平管方程式：

89、(30)

90、在上式中，

τwg、

τwl及

τi可以被表示为以下形式：

91、(31)

92、(32)

93、(33)

94、其中，

fg、

fl为气相、液相范宁摩阻系数，无量纲；

fi为气液界面范宁摩阻系数，无量纲。

95、其中

f

g与

f

l可通过单项布拉修斯方程式来计算

96、(34)

97、(35)

98、式(34)与式(35)中的雷诺数由下式计算：

99、(36)

100、(37)

101、采用由层状流转变为波状流的表观气流速

vsgt作为气液界面范宁摩阻系数

fi判别标准，进而得到

fi/

fg关系式如下：

102、(38)

103、(39)

104、其中

vsgt可用式(40)得出：

105、(40)

106、上述各式中含有的几何参数计算表达式如下：

107、(41)

108、(42)

109、(43)

110、(44)

111、(45)

112、(46)

113、(47)

114、其中

hl为水平管道横截面的液相液层高度，m；

d为管道内径，m；

hl/

d为无量纲液层高度。

115、以上几何参数都与

hl/d有关，将式(27)～式(47)联立化简，可得到关于

hl/d的方程式：

116、(48)

117、依据几何关系可求出倾角为0时的水平管持液率

hlh(0)如下所示：

118、(49)

119、(50)

120、6.进一步地，步骤五中泡沫返排响应时间

tb为根据步骤三和步骤四得到的

tc和

tt之和，即

tb=

tc+

tt。

121、7.进一步地，步骤五中所述消泡剂间歇加注启动时刻为

tb前0.5h~1.0h，单次加注时长为泡沫持续返排时间前后各延长0.5h~1.5h，单次加注量根据所述最优起消比确定。

122、本发明具有以下有益效果：(1)通过可视化管流实验确定起泡剂与消泡剂的最优起消比，为现场配液提供定量依据；(2)结合环空贴壁液膜层流机理，构建起泡剂由井口至井底的下落时间预测模型，实现起泡剂运移时间的定量计算；(3)耦合两相流压力梯度、摩阻系数与持液率关联式，实现泡沫由井底返排至井口全过程时长的定量预测；(4)基于全过程时间响应关系确定消泡剂间歇加注启动时刻、单次加注时长及加注量，可在保证气井稳产与地面设备稳定运行的前提下，将消泡剂日耗量大幅，显著降低药剂运行成本。