一种煤层气井井筒流动动态预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油工程技术领域，具体地说，涉及一种煤层气井井筒流动动态预测 方法。
【背景技术】
[0002] 目前，煤层气排采过程中多采用油管产水套管产气的生产方式，与常规天然气生 产方式差别较大。同时由于煤质具有较脆、胶结性差、易碎和易坍塌等特点，前期压裂及排 采过程中的生产压差和流体作用会造成煤层破坏产生煤粉。由于产出的煤粉中部分颗粒 极小，同时煤基质呈现多孔结构，本身视密度较小，因此部分煤粉能够紧随井筒内的流体流 动，这也使得煤层气井井筒套管中的流动呈现为煤层气、水、煤粉构成的气液固三相流。
[0003] 现有关于井筒内三相流的研究主要针对油气水三相流。而对于气液固构成的三相 流，由于在油气开采过程中较少遇到，同时固相的存在使得已有的较为完备的气液两相流 流型判别方法不再适用，因此目前关于井筒内气液固三相流流动特征的研究极为少见。
[0004] 基于上述情况，亟需一种煤层气井井筒流动态预测方法准确地预测和分析沿井筒 流体压力、温度、相态等的变化特征。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提出了一种煤层气井井筒流动动态预测方法，包 括：
[0006] 对井筒油管中的液体采样以获取井筒中的真实固体含量Hs ;测量井口的液相体积 流量和气相体积流量，以及井口温度和井口压力；
[0007] 判别井筒中气液固三相流的流动形态，并根据井筒中的真实固体含量Hs确定气液 固三相流的建模参数；
[0008] 依据所述真实固体含量Hs以及所述建模参数，结合动液面位置和井身结构数据， 基于贝格斯-布里尔方法建立井筒内的气液固三相流压力模型；
[0009] 依据所述气液固三相流压力模型，所述真实固体含量Hs以及所述建模参数，结合 井身传热参数，根据能量守恒性质建立井筒内的温度分布模型；
[0010] 从井口开始对井筒依次划分为若干连续的子井段，将测量得到的井口的液相体积 流量和气相体积流量，以及井口温度和井口压力做为初始值，在所述连续的子井段内根据 所述压力模型和温度分布模型耦合迭代计算直至井底，获得井筒内气液固三相流的压力和 温度沿井筒深度的分布结果。
[0011] 根据本发明的一个实施例，还包括根据所述压力和温度沿井筒深度的分布结果以 及气体状态方程获得井筒内气相密度沿井筒深度的分布结果。
[0012] 根据本发明的一个实施例，所述判别井筒中气液固三相流的流动形态包括
[0013] 由井筒中的液相体积流量参数和气相体积流量参数确定气液固混合物的平均流 31
「和无滑脱持液率& == ; 2Q
[0014] 根据弗洛德准数乂?> =4和无滑脱持液率尽应用贝格斯-布里尔方法 划分井筒中气液固三相流的流动形态；
[0015] 其中，Qi为井筒中的液相体积流量参数，Qg为井筒中的气相体积流量参数，g为重 力加速度，D为管道直径。
[0016] 根据本发明的一个实施例，所述根据真实固体含量Hs确定气液固三相流的建模参 数包括根据真实固体含量H s和井筒中气液固三相流的流动形态的流型参数计算真实液体 含量压（0) = (l-HjH'je)，真实气体含量 Hg(0) = a-Hjti-H'je)]，
[0017]其中，H' i ( e ) = Hi⑹V，H' i ( e )为倾角为0的气液两相流动的液体含量，Hi(0) 为同样流型参数下水平流的液体含量，V为倾斜校正系数，0为井筒管道与水平方向的夹 角。
[0018] 根据本发明的一个实施例，所述根据真实固体含量Hs确定气液固三相流的建模参 数还包括
[0019] 根据真实固体含量Hs，真实液体含量托（0 )和无滑脱持液率&计算气液固三相流 沿程阻力系数入=X' ?￥;其中，
[0020] 无滑脱的沿程阻力系！
[0021] IV为无滑脱的雷诺数，由含有固相颗粒的液相粘度U ls = U J1+2. 5HS)确定， P i为液相粘度；
[0022] 指数
[0023] 其中， ^为无滑脱持液率，托（0 )为真实液体含量，0为井筒管道 与水平方向的失用。
[0024] 根据本发明的一个实施例，所述气液固三相流压力模型由下式表示：
[0025]
[0026] 其中，P:为液相密度，Pg为气相密度，Ps为固相密度，p为气液固三相混合物的 压力，z为沿井筒轴向流动的距离，g为重力加速度，G为气液固三相混合物的质量流量，A 为管道横截面积，D为管道直径， Vni为气液固三相混合物的平均流速，vsg为气相表观流速； Hs为真实固体含量，托（0)为真实液体含量，H g(0)为真实气体含量，0为井筒管道与水平 方向的夹角；A为沿程阻力系数。
[0027] 根据本发明的一个实施例，所述温度分布模型由下式表示：
[0028]
[0029]其中，#由所述气液固三相流压力模型确定，T为井筒温度，Cpni为气液固三相混 合物的平均定压比热容，CIni为气液固三相混合物的焦耳一汤姆逊数，q为径向热流量，p为 气液固三相混合物的压力，\为气液固三相混合物的平均流速，A为气液固三相流沿程阻 力系数，0为井筒管道与水平方向的夹角，D为管道直径，g为重力加速度，z为沿井筒轴向 流动的距离。
[0030]根据本发明的一个实施例，所述井筒内气相密度沿井筒深度分布的结果由下式表 示： 〇M
[0031] & ，其中，Pg为气相密度，p为气液固三相混合物的压力，T为井筒温度，Z 为气相偏差系数，R为通用气体常数，M为甲烷摩尔质量。
[0032]根据本发明的一个实施例，在所述连续的子井段内根据所述压力模型和温度分布 模型耦合迭代计算直至井底，获得井筒内气液固三相流的压力和温度沿井筒深度的分布结 果包括：
[0033]耦合计算步骤，依据当前子井段上出口位置的压力和温度，液相体积流量参数和 气相体积流量参数，根据所述压力模型和温度分布模型耦合计算，获得当前子井段下入口 位置的气液固三相流互相耦合的压力和温度，以及当前子井段下入口位置的液相体积流量 参数和气相体积流量参数；
[0034]迭代计算步骤，以当前子井段下入口位置的压力和温度做为下一子井段上出口位 置的压力和温度，以当前子井段下入口位置的液相体积流量参数和气相体积流量参数做为 下一子井段上出口位置的液相体积流量参数和气相体积流量参数；
[0035] 重复执行耦合计算步骤和迭代计算步骤，直到井底，获得井筒内气液固三相流的 压力和温度沿井筒深度的分布结果。
[0036]根据本发明的一个实施例，所述所述耦合计算步骤包括，
[0037] 设定当前子井段下入口的预设温度，依据当前子井段上出口位置的液相体积流量 参数和气相体积流量参数，根据所述气液固三相流压力模型计算当前子井段下入口位置的 压力；由所述当前子井段下入口位置的压力和所述温度分布模型得到当前井段下入口的计 算温度；
[0038] 当所述预设温度和计算温度之间的差值小于预设的温度差阈值时，所述压力和预 设温度做为当前井段下入口位置互相耦合的压力和温度，并计算当前子井段下入口位置的 液相体积流量参数和气相体积流量参数；当所述预设温度和计算温度之间的差值大于预设 的温度差阈值时，重新设定当前子井段下入口的预设温度。
[0039]本发明带来了以下有益效果：可以根据井口产液量和产气量，以及套压等物性参 数预测任意井型的井筒内任意位置的流态，流速，压力，温度分布等物性参数；可以进行生 产参数敏感性分析，依据不同的井底压力预测单井产量变化，然后依据配产需求进行参数 调整。
[0040]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得 显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要 求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0041] 图1是煤层气井井筒流动状态示意图；
[0042] 图2是根据本发明的一个实施例的煤层气井井筒流动动态预测方法流程图；
[0043] 图3是根据本发明的一个实施例的耦合迭代计算的步骤流程图；
[0044] 图4是根据本发明的另一个实施例的耦合迭代计算的步骤流程图；
[0045] 图5是根据本发明实施例的方法获得的井筒压力沿井筒轴向的分布曲线；
[0046] 图6是在工程现场得到的油套环空压力分布曲线；
[0047] 图7是在工程现场得到的油套环空温度分布曲线。
【具体实施方式】
[0048] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0049] 首先对本发明的应用环境进行说明。图1所示为油管产水套管产气生产方式下煤 层气井井筒流动动状态示意图。煤层气储层初始情况下含水率通常较高，同时由于大规模 压裂改造以及孔隙壁面摩擦导致在排采过程中通常伴随有煤粉颗粒析出，因此煤层气井筒 油管101内为固液两相流，油套环空102内动液面以上为纯气段，动液面至泵吸入口 103附 近可以近似认为是静液柱段，泵吸入口 103以下的套管104内为气液固三相流，其中固相煤 粉颗粒为分散相。
[0050] 由于井筒内流体的物性参数通常是耦合在一起的，即压