油气井流体力学教学课件PPT油气井变质量流动 110页

'1第六章　油气井变质量流动第一节　流体变质量流动的基本概念 2第六章　油气井变质量流动第一节　流体变质量流动的基本概念随着水平井技术的发展，对于水平井产能预测、井身剖面设计、完井设计等的研究工作逐渐开展起来。所有这些研究工作都要求对水平井筒内的流体流动规律有清楚的认识，这就需要对水平井中流体流动规律进行深入研究。 3第六章　油气井流体变质量流动第一节　流体变质量流动的基本概念变质量流动：在流体流动过程中，沿流体流动方向流体质量流量不断发生变化的流动现象称之为变质量流动。变质量流研究内容和目的：通过实验或数值计算并结合理论分析，研究不同条件下（壁面入流、管壁粗糙度、入流与主流比、流体的性质等）沿水平井筒的压降，进而确定相关系数，为以后工程应用中变质量流压降计算提供依据。主流壁面入流注入比 4第六章　油气井变质量流动第一节　流体变质量流动的基本概念水平井筒无限导流假设 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动1989年，Dikken首先提出水平井筒内的压降不能忽略5 6第六章　油气井流体变质量流动第二节　水平井筒单相流体变质量流动如图为一个控制体示意图,为简化现对流动系统进行如下几点假设：①流体流动为一维单相流动；②流体为不可压缩的牛顿流体；③微元段流动为等温稳态流动；④流体与环境之间不存在热传递。 7第六章　油气井流体变质量流动第二节　水平井筒单相流体变质量流动1）连续性方程流体流入控制体的质量速率－流体流出控制体的质量速率＝控制体内质量的增加速率如果有流体从壁面流入（生产井）取正值，如果有流体从壁面流出（注入井）取负值。 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动质量守恒方程8 9第六章　油气井流体变质量流动第二节　水平井筒单相流体变质量流动控制体内动量的流出速率－控制体内动量的流入速率+控制体内动量的增加速率＝作用在控制体上的合力沿水平井筒轴线方向建立动量守恒方程，则有:2）动量方程 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动动量守恒方程与连续性方程联立：其中10 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动对于稳态单相流动则11 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动变质量管流流动与普通管流流动的本质区别就是由于存在壁面入流，一方面改变了管流的壁面摩擦系数，从而改变了摩擦压降，另一方面由于流体混合热量损失产生混合压降和加速度压降。12 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动壁面摩擦系数确定普通管流壁面摩擦系数确定方法勃拉休斯(Blasius)公式13 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动壁面摩擦系数确定普通管流壁面摩擦系数确定方法尼古拉兹光滑管公式阔尔布鲁克公式14 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动壁面摩擦系数确定普通管流壁面摩擦系数确定方法尼古拉兹粗糙管公式希大林松公式15 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动壁面摩擦系数确定16变质量管流壁面摩擦系数确定方法裸眼完井井筒流动层流流动 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动壁面摩擦系数确定17变质量管流壁面摩擦系数确定方法裸眼完井井筒流动湍流流动 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动壁面摩擦系数确定18变质量管流壁面摩擦系数确定方法射孔完井井筒流动湍流流动 19单孔眼：多孔眼：H.Yuan：第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动20 21混合压降（1994年ZeSu）第六章　油气井流体变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动 第六章　油气井变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动混合压降确定方法22 23第六章　油气井变质量流动数值计算方法：数值模型:不可压缩湍流控制方程：湍动能方程：湍流耗散率方程：第二节水平井筒单相流体变质量流动 24第六章　油气井变质量流动动量方程中变量u的计算式：湍动能计算式：耗散率计算式：数值模型:第二节水平井筒单相流体变质量流动 25第六章　油气井变质量流动网格划分第二节水平井筒单相流体变质量流动 主流速度(m/s)0.848831.27324壁面入流速度(m/s)0.0000.0000.00740.011050.01470.02210.02430.036470.04940.074050.07370.110520.14740.221050.36840.552620.73681.105241.47372.21049计算数据参数第六章　油气井变质量流动26第二节水平井筒单相流体变质量流动 计算结果及分析（水平井计算段压力分布）主流速度0.84883m/s计算段压力分布90°相位角平面均匀射孔计算结果①在每个射孔位置压力都会急剧下降，经过射孔孔眼区域后压力恢复正常，这是由于孔眼入流干扰主流流动的结果；②随着壁面入流速度的增加，压力下降幅度也相应增大；③壁面入流对主流的干扰频率以90°相位角螺旋射孔最高，120°相位角平面均匀射孔次之，90°相位角平面均匀射孔最低。主流速度0.84883m/s计算段压力分布120°相位角平面均匀射孔计算结果主流速度0.84883m/s计算段压力分布90°相位角螺旋射孔计算结果第六章　油气井变质量流动27 90。平面射孔主流速度1.27324m/s计算段压力分布120。平面射孔90。螺旋射孔第六章　油气井变质量流动28 计算结果及分析（水平井计算段压降分布）主流速度0.84883m/s计算段压力分布主流速度0.84883m/s计算段压力分布90°相位角平面均匀射孔计算结果主流速度0.84883m/s计算段压力分布主流速度0.84883m/s计算段压力分布120°相位角平面均匀射孔计算结果主流速度0.84883m/s计算段压力分布主流速度0.84883m/s计算段压力分布90°相位角螺旋射孔计算结果受入流影响，每个射孔位置轴线压降曲线出现剧烈脉动，先是急剧升高，而后急剧下降，经过射孔孔眼区域后恢复正常，结果导致轴线压力在孔眼对应处下降。在高注入速度条件下，入流对主流干扰增大，表现为孔眼入流射入主流深度增加，在孔眼下游区出现分离流动现象。第六章　油气井变质量流动29 计算结果及分析（水平井计算段压降分布）主流速度1.27324m/s计算段压力分布90。平面射孔120。平面射孔90。螺旋射孔第六章　油气井变质量流动30 计算结果及分析（水平井计算段壁面入流对主流干扰的迹线图）主流速度0.84883m/s，壁面入流速度0.0494m/s主流速度0.84883m/s，壁面入流速度0.1474m/s第六章　油气井变质量流动31 计算结果及分析（水平井计算段轴向速度剖面）90。平面射孔计主流速度0.84883m/s，入流速度0.1474m/s主流速度0.84883m/s，入流速度0.3684m/s当孔眼入流速度较小时，轴向速度剖面类似圆管湍流速度剖面，孔眼入流对轴向速度剖面影响较小。随着孔眼入流速度增大，入流影响区域向轴线扩展，由于入流对主流的挤压作用轴线附近中心流动区域速度明显增大。当孔眼入流卷吸作用逐渐增强时，轴线附近中心流动区域速度越趋均匀。120。平面射孔主流速度0.84883m/s，入流速度0.1474m/s主流速度0.84883m/s，入流速度0.3684m/s90。螺旋射孔主流速度0.84883m/s，入流速度0.1474m/s主流速度0.84883m/s，入流速度1.4737m/s第六章　油气井变质量流动32 计算结果及分析（水平井计算段轴向速度剖面）90°平面射孔主流速度1.27324m/s，壁面入流速度0.22105m/s主流速度1.27324m/s，壁面入流速度1.10524m/s主流速度1.27324m/s，壁面入流速度1.10524m/s90°螺旋射孔主流速度1.27324m/s，壁面入流速度0.22105m/s120°平面射孔主流速度1.27324m/s，壁面入流速度0.22105m/s主流速度1.27324m/s，壁面入流速度0.22105m/s第六章　油气井变质量流动33 计算结果及分析（水平井计算段轴向速度剖面）90。平面射孔120。平面射孔主流速度0.84883m/s，入流速度0.0494m/s主流速度0.84883m/s，入流速度0.0494m/s90。螺旋射孔90°螺旋射孔条件下，由于孔眼入流干扰密度大，即使孔眼入流速度较低，相对于平面射孔，其入流挤压作用也较大，因此轴线附近中心流动区域速度明显增大。主流速度0.84883m/s，入流速度0.0494m/s第六章　油气井变质量流动34 35第六章　油气井变质量流动计算结果及分析（主流压降对比）主流速度1.27324m/s不同入流条件主流压降对比图注入比对压降的影响存在一个临界值（约为1%－2%）。当低于临界值时，孔眼入流引起的混合压降很小，主流压降主要决定于摩擦压降，三种射孔格式主流压降相等且随注入比增加而缓慢增大。当大于临界值时，孔眼入流混合压降作用增强，90°螺旋射孔格式总压降最大，比另外两种射孔格式总压降平均高出6%~8%；90°平面射孔和120°平面射孔总压降相近。 36第六章　油气井流体变质量流动实验装置流程图室内模拟实验：第二节水平井筒单相流体变质量流动 37第六章　油气井流体变质量流动室内模拟实验：实验装置总示意图模拟实验水平实验段及观察段示意图第二节水平井筒单相流体变质量流动 38第六章　油气井流体变质量流动室内模拟实验第二节水平井筒单相流体变质量流动 参数名称模　型备　注管　径D（m）5.08×10-2采用无缝钢管作为实验管，其内表面粗糙度与水平井套管粗糙度相同横截面积A（m2）2.027×10-3实验段长度L（m）2.50孔眼直径d（m）3.0×10-3孔　密n（孔/米）16水相粘度μw（mPa·s）1.0089水相密度ρw（kg/m3）1.0×103第六章　油气井流体变质量流动第二节水平井筒单相流体变质量流动39 40第六章　油气井流体变质量流动实验结果分析（主流压降的对比）主流流量为10m3/h（雷诺数为70735）不同射孔格式压降随注入比的变化当主流流量为一定时，实验段压降随着注入比的升高而增加。在注入比在0－2%的范围内时，压降增加缓慢，并且不同的射孔格式对压降的影响很小；当注入比超过2%后压降急剧增加，并且不同的射孔格式所引起的压降也有相当的差别，其它条件相同时90°螺旋射孔所引起的压降最大，90°平面射孔次之，120°平面射孔所引起的压降最小。室内模拟实验：第二节水平井筒单相流体变质量流动 41第六章　油气井变质量流动主流流量为6m3/h（雷诺数为42441）不同入流条件主流压降实验与计算结果对比90。相位角螺旋射孔格式室内实验结果与数值计算结果的对比第二节水平井筒单相流体变质量流动 42第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动油水两相分层流动 43第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动质量守恒方程动量守恒方程 44第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动 45第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动 46第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动 47第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动油水两相分散流动 48第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动油水两相分散流动 49第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动油水两相分散流动 50第六章　油气井流体变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动 实验装置及实验流体参数表参数名称模　型（*m）备　注管　径D（m）5.08×10-2采用无缝钢管作为实验管，其内表面粗糙度与水平井套管粗糙度相同横截面积A（m2）2.027×10-3实验段长度L（m）2.50孔眼直径d（m）3.0×10-3孔　密n（孔/米）16水相粘度μw（mPa·s）1.0089柴油粘度μo（mPa·s）4水相密度ρw（kg/m3）1.0×103柴油密度ρo（kg/m3）0.8第六章　油气井流体变质量流动51 实验结果分析（不同含水率对水平井筒中油水两相流动规律的影响）含水0%时不同主流流量压降随注入比的变化当主流含水率不变的情况下，相同主流流量实验段压降随注入比的增加而加大；当注入比相同时，实验段压降随主流流量的增加而加大。这种现象同上一章中水平井筒的单相流体模拟实验的结果相似。含水20%时不同主流流量压降随注入比的变化含水40%时不同主流流量压降随注入比的变化含水60%时不同主流流量压降随注入比的变化含水80%时不同主流流量压降随注入比的变化第六章　油气井流体变质量流动52 实验结果分析（不同主流流量对水平井筒中油水两相流动规律的影响）主流流量为1m3/h时不同含水率压降随注入比的变化对于相同的主流流量，在相同的含水率条件下，随着壁面入流与主流流量比的升高实验段压降随之增加；主流流量为4m3/h时不同含水率压降随注入比的变化主流流量为7m3/h时不同含水率压降随注入比的变化主流流量为8m3/h时不同含水率压降随注入比的变化主流流量为10m3/h时不同含水率压降随注入比的变化第六章　油气井流体变质量流动53 实验结果分析（不同注入比对水平井筒两相流动规律的影响）对于相同的注入比，在相同的含水率条件下，随着主流流量的增加实验段压降随之增加；而对于相同的实验段主流流量，随着含水率的变化实验段压降却表现出不同的变化规律。主流流量较低（1－3m3/h）时，实验段内的油水两相流动为分层流动。随着主流流量的增加，分层流向分散流过渡，主流含水率对压降的影响开始加大随着主流流量的不断增加，油水两相完全掺混形成分散流，含水率对压降的影响非常显著。当主流流量超过8m3/h时，含水为40%时的总压降最高。注入比0.1%不同主流流量压降随含水率的变化注入比0.2%不同主流流量压降随含水率的变化第六章　油气井流体变质量流动54 含水60%主流流量1m3/h注入比为20%流型55 含水20%主流流量4m3/h注入比为5%流型含水60%主流流量5m3/h注入比为10%流型56 含水40%主流流量9m3/h注入比为10%流型含水40%主流流量10m3/h注入比为5%流型57 58第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动 59第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒油水两相流体变质量流动油水两相分散流动 60第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动气液两相变质量流动流型：1、气液两相分层流动2、气液两相分散泡状流动3、气液两相环空雾状流动 61第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动气液两相分层流动 62第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动质量守恒方程动量守恒方程 63第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动 64第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动 65第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动气液两相分散泡状流型 66第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动气液两相分散泡状流型 67第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动气液两相分散泡状流型（6.2.20） 68第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动气液两相环空雾状流型（6.2.20） 69第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动气液两相环空雾状流型（6.2.20） 70第六章　油气井变质量流动第三节水平井筒气液两相流体变质量流动气液两相环空雾状流型（6.2.20） 第四节水平井筒与油藏耦合的变质量流动水平井计算单元物理模型油藏水平井生产物理模型第六章　油气井流体变质量流动71 水平井筒变质量流动压降模型摩擦压降：加速度压降：混合压降：基本类型油藏水平井稳定渗流模型无限大油藏水平井稳定渗流模型式中：底水驱油藏水平井稳定渗流模型气顶油藏水平井稳定渗流模型封闭边界油藏水平井稳定渗流模型基本类型油藏水平井不稳定渗流模型无限大油藏水平井弹性不稳定渗流模型底水气顶油藏水平井弹性不稳定渗流模型式中：定压边界油藏水平井弹性不稳定渗流模型式中：封闭边界油藏水平井弹性不稳定渗流模型式中：第六章　油气井流体变质量流动72 水平井筒与油藏的压降耦合模型的求解实例油藏参数水平井参数参数名称参数值参数名称参数值油藏地层供给压力Pi(MPa)22.0套管内径D(m)152.4井底压力Pw(MPa)19.0孔眼直径d(m)12地层渗透率K(μm2)0.2射孔密度n(SPM)16地层综合压缩系数Ct(MPa-1)0.0002射孔格式90º螺旋射孔地下原油粘度μ(cp)1.0水平井长度L(m)600地下原油密度ρ(kg/m3)850套管相对粗糙度ε/D0.0001地层有效厚度h(m)10水平井生产时间t(d)10第六章　油气井流体变质量流动73 1).按照不同射孔单元的长度把水平井筒分为N段，每段包含一个射孔单元。2).给定一个水平井产量的初值Q，则每个射孔单元的产量即为q＝Q/L3).根据水平井筒压降模型计算水平井筒每个射孔单元的压降，从而得到各段的压力值。4).根据水平井筒与油藏的耦合条件，令油藏中压力值在水平井井壁上与井筒压力值相等。5).根据油藏模型计算出水平井各段射孔单元的产量。6).重复步骤3)到步骤5)直到前后两步产量值小于给定值，计算结束。第六章　油气井流体变质量流动74 计算结果分析水平井生产时井筒中的流动是流量渐增的变质量流动。在水平井的趾端和跟端存在着较为明显的“端部效应”。水平井入流量剖面产量沿水平井段分布图压降沿水平井段长度分布井底压力沿水平井段长度分布磨擦压降在水平井筒的沿程压降中所占比例最大(61.5%)混合压降在水平井筒沿程总压降中所占比例较小(34.2%)加速度压降在水平井筒沿程总压降中所占比例最小(4.3%)第六章　油气井流体变质量流动75 第六章　油气井流体变质量流动76表皮系数（1953年Everdingen）： 第六章　油气井流体变质量流动77均质油藏水平井表皮系数： 第六章　油气井流体变质量流动78非均质油藏水平井表皮系数（裸眼完井）： 第六章　油气井流体变质量流动79非均质油藏水平井表皮系数（射孔完井）： 第六章　油气井流体变质量流动80二维平面汇聚表皮系数Mp<=2Mp>=3 第六章　油气井流体变质量流动81Mp=1Mp=2Mp>=3井眼堵塞表皮系数 第六章　油气井流体变质量流动82三维轴向汇聚表皮系数 第六章　油气井流体变质量流动83三维轴向汇聚表皮系数mp<=2Mp>=3 第六章　油气井流体变质量流动8412346810.450.290.190.10.080.90.450.20.190.170.152.000.60.50.30.20.15－2.091－2.025－2.018－1.905－1.898－1.7880.04530.09430.06340.10380.10230.23985.13133.03731.61361.56741.36541.19151.86721.81151.77701.69351.64901.6392 第六章　油气井流体变质量流动85污染带表皮系数 第六章　油气井流体变质量流动86射孔压实表皮系数 第六章　油气井流体变质量流动87水平井割缝衬管表皮系数： 第六章　油气井流体变质量流动水平井割缝衬管表皮系数：88 第六章　油气井流体变质量流动89 第六章　油气井流体变质量流动90 第六章　油气井流体变质量流动91 第六章　油气井流体变质量流动92 第六章　油气井流体变质量流动93 第六章　油气井流体变质量流动94 第六章　油气井流体变质量流动95 第六章　油气井流体变质量流动96 第六章　油气井流体变质量流动97 第六章　油气井流体变质量流动98 第六章　油气井流体变质量流动99 第六章　油气井流体变质量流动100 2021/7/23101高渗（2000mD）高粘（400mPa.s）条件下高渗（2000mD）低粘（4mPa.s）条件下Max85—90%Max第六章　油气井流体变质量流动 2021/7/2310203米厚左右油层，打开程度35%~55%06米厚左右油层，打开程度40%~60%09米厚左右油层，打开程度45%~65%12米厚左右油层，打开程度50%~70%15米厚左右油层，打开程度55%~75%水平井分3段完井条件下储层厚度6米条件下2段3段4段5段 2021/7/23103井筒管径水平渗透率流体粘度水平井筒参考长度3.5in4000.0mD>k>1000.0mD1.0mPa.s<μ<5.0mPa.s一般小于200.0米5.0mPa.s<=μ<150.0mPa.s一般小于300.0米50.0mDk>1000.0mD1.0mPa.s<μ<5.0mPa.s一般小于300.0米5.0mPa.s<=μ<150.0mPa.s一般小于400.0米50.0mDk>1000.0mD1.0mPa.s<μ<5.0mPa.s一般小于500.0米5.0mPa.s<=μ<150.0mPa.s一般小于600.0米50.0mDk>1000.0mD1.0mPa.s<μ<5.0mPa.s一般小于1500.0米5.0mPa.s<=μ<150.0mPa.s一般小于2000.0米50.0mD