[发明专利]一种考虑段塞气泡和多参数影响的临界携砂流速计算方法

说明书

本发明提供一种考虑段塞气泡和多参数影响的临界携砂流速计算方法。包括1)基于气液两相的质量与动量守恒计算稳定段塞流动压降；2)基于砂粒所受的浮重力、拖曳力、举升力、塑性力与压力梯度力的力矩平衡，求得临界携砂流速表达式；3)考虑到不同气相速度、井斜角与砂床厚度对气液两相稳定段塞流动压降的影响，建立考虑多参数的临界携砂流速计算模型；4)采用迭代的方法求解模型，获取临界携砂流速。本发明具有以下有益效果：(1)考虑了段塞气泡的大小形状影响；(2)考虑了砂粒径、井斜角、含气率与砂浓度对临界携砂流速的影响；(3)计算精确和方便使用。

技术领域

本发明涉及一种考虑段塞气泡和多参数影响的临界携砂流速计算方法，属于油气与水合物藏合理配产领域。

背景技术

在油气与水合物藏开采过程中，泥沙在井筒中沉积时常发生。泥沙沉积可能会造成严重的流动保障问题。流动保障主要是确保流体在井筒与管线内的安全、高效的流动。泥沙一般容易在近井筒地层与油气输送管道中发生沉积。此外，泥沙沉积形成的砂床将导致管道过流断面积减少，造成产量降低、管道堵塞与腐蚀以及井筒完整性损害。在近几年的文献调研中发现，有关泥沙输送的研究没能得到足够的关注。事实上，在弱胶结油气藏生产过程中，地层出砂或泥沙沉积都将影响油气产量。特别是，在水合物藏开采过程中，地层出砂将导致生产无法继续进行。

解决泥沙沉积问题的主要对策可分为两大类：除砂和防砂(Rahmati etal.2013)。除砂通常采用机械方式。但是，机械除砂需要准确预测砂床厚度，如果砂床厚度预测不准确容易导致除砂器卡在管内，使得情况变得更坏。防砂一般使用井下防砂系统，如筛管与砾石充填等。然而，这些技术很可能造成产量严重下降。如果将生产作业流速控制在砂粒临界输送速度之上，可有效减小泥沙的沉积。举升系数、曳力系数、摩阻系数和井筒压降会随砂粒粒径、井斜角、岩屑浓度与气相体积分数的变化而变化，更准确地计算井筒临界携砂流速，有利于指导油气与水合物藏合理生产。迫切需要解决现今油气与水合物藏开采过程中临界携砂流速计算不准确造成井筒中泥沙沉积的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种考虑段塞气泡和多参数影响的临界携砂流速计算方法，该方法能够在油气与水合物藏开采过程中，准确预测临界携砂流速，为油气与水合物藏开发制定生产方案提供依据。

在出现段塞流动的井筒中，沉积砂床表面的砂粒受到浮重力、举升力、拖曳力与塑性力的作用达到力矩平衡，当液相速度达到一定临界值时，砂粒的受力平衡发生破坏，砂粒即开始移动，此时的液相速度定义为临界携砂流速。

本发明所提供的临界携砂流速计算方法，包括如下步骤：

1)基于气液两相的质量与动量守恒计算稳定段塞流动压降；

2)基于砂粒所受的浮重力、拖曳力、举升力、塑性力与压力梯度力的力矩平衡，求得临界携砂流速表达式；

3)考虑到不同气相速度、井斜角与砂床厚度对气液两相稳定段塞流动压降的影响，建立考虑多参数的临界携砂流速计算模型；

4)采用迭代的方法求解模型，获取临界携砂流速。

上述方法步骤1)中，计算稳定段塞流动压降包括以下步骤：首先根据段塞单元中液塞段与液膜段的气-液质量守恒求得段塞单元的平均空隙率，再基于液膜段气-液相稳态动量守恒方程求得液膜段液相高度，最后根据求得的平均空隙率与液膜段液相高度求得段塞单元平均压降，

其中，根据段塞单元中液塞段与液膜段的气-液质量守恒求得段塞单元的平均空隙率的计算公式如下：

α_u＝(u_GS-u_bα_s+u_tα_s)/u_t