一种页岩气井携砂临界流速的实验确定方法

1.本发明属于气藏排水采气领域，尤其涉及一种页岩气井携砂临界流速的实验确定方法。
技术背景
2.随着不断深化推广使用清洁能源，页岩气为代表的非常规清洁能源逐渐受到重视。由于页岩气储层渗透率低，水平井分段多簇压裂技术常用于开发页岩气储层。然而，地层流体连续产出会引起部分压裂缝中的砂不断流入井筒。结合页岩气井产量递减规律，初期产量高，井筒携砂能力强，砂粒能够排出井筒。中后期产气量逐步降低，导致气液流速下降，井筒中的砂难以携带出井口。另外，页岩气水平井水平段长，砂易堆积在水平段，堵塞流体通道，增加生产系统的压降，影响页岩气井正常生产。因此，准确预测页岩气井携砂临界流速，及时清除滞留在井筒中的砂粒，确保井下生产通道的畅通，成为页岩气井安全生产的重要环节。
3.页岩气井携砂临界速度的研究发展至今，提出了一系列携砂预测的机理模型和经验模型。其中，机理模型的构建方法集中在单砂粒受力分析，考虑砂粒的重力、浮力和拖曳力等。但大量现场实践表明模型预测效果差，一方面是页岩气井携砂过程中，紧贴管壁的砂粒向下运移，而靠近管道中心的砂被向上携带，单颗粒运移情况难以表征井筒整体的携砂能力；另一方面，页岩气井生产过程中井筒气液两相流动复杂多样，随着产气量、产液量、井倾角等发生变化，沿程呈现出泡状流、段塞流、搅动流和环状流等不同的流型，砂的存在进一步增加了流动的混沌程度，而机理模型对复杂的气液界面特性和砂粒的受力大量简化，降低了预测精度。因此，气井携砂临界速度预测仍以经验模型为主。利用多相管流实验平台，开展不同气流速、液流速、井倾角等条件下的携砂物理模拟实验，观察井筒中砂粒运移情况。基于实验测试结果，获取携砂临界流速在不同条件下的变化规律曲线，拟合建立气井携砂临界流速经验模型。
4.为此，经验模型建立的关键在于准确得到不同实验条件下的携砂临界流速。目前，实验确定携砂临界流速主要通过观察法，观察砂在井筒中的运移情况，当井筒中的砂全部向上运动时，此时的流速定义为携砂临界流速。但实验过程中，气液震荡使得砂粒运动轨迹复杂，仅凭肉眼观察井筒中的全部砂流动情况，存在一定的不确定性。另外，井筒中的砂被连续供给，紧贴管壁的砂难以携带出井口，无法透过堆积在管壁处的砂观察油管中心砂运动情况，增加实验误差。
5.因此，本发明针对页岩气井携砂临界流速难以确定的问题，基于多相管流实验平台，开展气井携砂的流动规律模拟实验，结合砂粒在井筒中的流动规律，提出一种页岩气井携砂临界速度的实验确定方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决页岩气井出砂影响气井正常生产的问题，提出了一种页岩
气井携砂临界速度的实验确定方法，便于及时清除滞留在井筒中的砂粒，为页岩气井稳定生产提供理论支撑。
7.本发明提出的一种页岩气井携砂临界流速的实验确定方法，在多相管流实验装置完成实验测试。该装置可划分为供给系统，测控系统和实验环路。实验测试参数的设计需要结合页岩气井的生产动态特征，确定实验条件下气流速、液流速、油管内径、砂流量、砂粒径、砂密度和井倾角的范围。在页岩气井的生产过程中，压裂缝中的砂不断产出，使得井筒中的砂在不同产量下均存在。因此，选取井筒持砂率表征井筒的携砂能力，符合现场页岩气井实际情况。初期阶段页岩气井产量高，携砂能力强，砂被携带出井口，井筒中的持砂率低，不影响气井正常生产；中期阶段中高产气中低产液，由流速剖面分布可知，井筒中心处流速高，而紧贴管壁处流速低，砂粒无法被向上携砂，两者之间的相互作用导致井筒中的持砂率小幅度上升。后期阶段处于低压低产，砂粒大量堆积在井筒，持砂率迅速增加，严重影响气井生产。表明井筒中的持砂率存在转折点，当产量大于转折点时，井筒中持砂率小，而小于转折点时，持砂率迅速增加。为此，定义井筒持砂率随产量变化曲线的转折点为气井携砂临界流速。在该转折点处，井筒中的持砂率低，且砂能够被携带出井口。
8.所述供给系统能够提供实验环路连续稳定的气体、液体和砂流量，在实验过程中，分别调节气体控制阀和液体控制阀来控制实验环路内流体流量。
9.所述测控系统能够提供瞬时变化的气流速和液流速实验数据，通过调节气体流量计和液体流量计前端电动阀门的开度，实现气体流量、液体流量和砂流量稳定在设定实验参数下。
10.所述实验环路为有机玻璃管并搭配橡胶管组合而成，其中透明管便于观察管柱内气液砂的流动状态；距离进气口200倍和500倍管径位置处分别安装电动蝶阀，用于测量井筒持砂率。
11.为达到上述目的，本发明所述的一种页岩气井携砂临界流速的实验确定方法。包括以下步骤：步骤s1：收集页岩气井全生命周期内的产量数据和井身结构，利用流体力学相似准则计算得到实验条件下气流速和液流速的参数范围，油管内径、砂流量、砂粒径、砂密度和井倾角与页岩气井参数一致，相应的计算公式表达式如下：（1.1）页岩气井的井筒压力、气体密度和液体密度剖面由gray模型计算，利用流体力学相似准则获得实验条件下气流速v
nsg
计算公式为：式中，ρ
ng
为实验条件下气体密度，kg/m3；ρ
nl
为实验条件下液体密度，kg/m3；ρ
hg
为气井条件下气体密度，kg/m3；ρ
hl
为气井条件下液体密度，kg/m3；v
hsg
为气井条件下气流速，m/s；v
nsg
为实验条件下气流速，m/s；（1.2）实验条件下液流速v
nsl
计算公式：；式中，q
sl
气井产液量，m3/s；a为油管横截面积，m2；
（1.3）实验条件下砂流量v
nss
计算公式：；式中，q
ss
气井产砂量，m3/s；步骤s2：开展页岩气井携砂物理模拟实验，在实验参数范围内，获取不同液流速、油管内径、砂流量、砂粒径、砂密度和井倾角条件下的井筒持砂量，计算持砂率；确保实验的准确性，在气流量、液流量和砂流量稳定在目标参数的条件下，井口均匀稳定出砂三分钟后开始测量井筒持砂量，并重复三次实验取持砂量平均值；为避免砂外表面附着的水影响持砂量，称重前砂被烘干；具体过程为：（2.1）检查阀门的密封性，校准测控系统，确保实验环路安全运行；（2.2）利用排水法测量页岩气井出砂的密度和粒径，选取相同的实验样品放入砂箱中；测量井筒测试段管道长度；（2.3）调节目标实验参数，当井筒流动稳定后，同时关闭管道中部电动蝶阀，收集两个电动蝶阀之间的砂，去除砂表面的水并称重，计算持砂率，开展下一组实验，持砂率计算公式为：；式中，hs为井筒持砂率，无量纲；vs为砂体积，m3；l为测试段管道长度，m；砂体积计算公式为：；式中，gs为砂的重量，kg；ds为砂密度，kg/m3；步骤s3：确定不同实验条件下的携砂临界流速，利用井筒持砂率表征气井携砂能力，井筒持砂率小表明砂占据气井生产通道面积小，气井能够稳定生产，而持砂率大则影响气井稳定生产；通过观察井筒持砂率随气流速变化曲线，定义携砂临界流速为井筒持砂率增加的转折点，并敏感性分析各个实验变量对转折点的影响，得到不同实验条件下的携砂临界流速，具体过程为：在持砂率随气流速变化的坐标系中，观察井筒持砂率随气流速变化的数据点分布，实验数据点表现出环状流时气流速高井筒持砂率小于0.01，且持砂率随着气流速降低而增加，采用最小二乘法线性拟合持砂率随着气流速变化规律，该直线斜率绝对值接近0；而搅动流时气流速低井筒持砂率大于高气流速，持砂率随气流速变化规律与高气流速一致，采用相同的方法拟合持砂率随着气流速变化曲线，该直线斜率绝对值大于1；因此，低气流速与高气流速的线性拟合直线存在交点；交点右侧为高气流速，井筒中持砂率低表明砂占据生产油管比例小，不影响气井生产，交点左侧为低气流速，井筒中持砂率高表明砂占据生产油管比例大，影响气井生产；交点处为高气流速的最小值和低气流速的最大值，井筒持砂率的临界值，确定该点对应的流速为携砂临界流速；而改变液流速得到不同液流速下随气流速变化的持砂率变化曲线，采用相同的方法确定不同液流速下的临界携砂流速，而改变实验变量油管内径、砂流量、砂粒径、砂密度和井倾角，能够得到不同实验条件下的携砂临界流速；
步骤s4：判断页岩气井的携砂能力，利用步骤s1能够确定生产中的页岩气井在实验条件下的气流速和液流速，利用步骤s3能够确定在相同液流速、油管内径、砂粒径、砂密度和井倾角实验条件下的携砂临界气流速，对比实验条件下页岩气井的气流速和相对应的携砂临界气流速，当页岩气井实验条件下的气流速不小于携砂临界气流速，表明该井能够继续稳定生产；当页岩气井实验条件下的气流速小于携砂临界气流速，表明该井出砂影响了气井正常生产。
12.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明所述的一种页岩气井携砂临界流速的实验确定方法充分考虑气井携砂的真实流动状态，利用流体力学相似准则，开展携砂物理模拟实验，定义临界携砂流速，明确携砂临界流速变化规律，进而确定页岩气井携砂临界产量。因此，该方法准确适用，为页岩气井稳定生产提供理论支撑。
附图说明
13.图1实验装置示意图1-空气压缩机，2-储气罐，3-气体流量计，4-气体流量控制阀，5-变频砂泵，6-离心泵，7-液体流量控制阀，8-涡轮液体流量计，9-排砂阀门，10-四通，11-滑动支撑架，12-有机玻璃管，13a-电动蝶阀，13b-电动蝶阀，14-气水砂分离器，15-砂箱，16-水箱，17-无纸记录仪，18-电脑；图2持砂率变化曲线示意图；图3携砂临界气流速随液流速变化曲线示意图。
具体实施方式
14.为了使本发明的目的、计算过程及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
15.页岩气井生产过程中总是伴随着砂的产出，当气井携砂能力不足，砂堆积井筒影响正常生产。为此，准确计算页岩气井携砂临界流速是保证页岩气井稳定生产的关键。
16.实验参数设计，收集页岩气井全生命周期内的产气量、产液量、产砂量、砂流量、砂粒径、砂密度、井口油压、井口套压、井眼轨迹、油管尺寸数据，利用流体力学相似准则计算得到实验条件下气流速和液流速的参数范围，油管内径、砂流量、砂粒径、砂密度和井倾角与页岩气井参数一致。相应的计算公式表达式如下：（1.1）页岩气井的井筒压力、气体密度和液体密度剖面由gray模型计算，利用流体力学相似准则获得实验条件下气流速v
nsg
计算公式为：式中，ρ
ng
为实验条件下气体密度，kg/m3；ρ
nl
为实验条件下液体密度，kg/m3；ρ
hg
为气井条件下气体密度，kg/m3；ρ
hl
为气井条件下液体密度，kg/m3；v
hsg
为气井条件下气流速，m/s；v
nsg
为实验条件下气流速，m/s；
（1.2）实验条件下液流速v
nsl
计算公式：，式中，q
sl
气井产液量，m3/s；a为油管横截面积，m2；（1.3）实验条件下砂流量v
nss
计算公式：，式中，q
ss
气井产砂量，m3/s；步骤s2：开展页岩气井携砂物理模拟实验，实验装置如图1所示，在实验参数范围内，获取不同气流速、液流速、油管内径、砂流量、砂粒径、砂密度和井倾角条件下的井筒持砂量，计算持砂率；确保实验的准确性，在气流量、液流量和砂流量稳定在目标参数的条件下，井口均匀稳定出砂三分钟后开始测量井筒持砂量，并重复三次实验取持砂量平均值；为避免砂外表面附着的水影响持砂量，称重前砂被烘干；具体过程为：（2.1）检查电动蝶阀13a、电动蝶阀13b、气水砂分离器14、砂箱15、水箱16和储气罐2的密封性，校准气体流量计3、涡轮液体流量计8和无纸记录仪17，确保实验环路中空气压缩机1、离心泵6和变频砂泵5安全运行；（2.2）利用排水法测量页岩气井出砂的密度和粒径，选取相同的实验样品放入砂箱15中；测量有机玻璃管12中部电动蝶阀13a和电动蝶阀13b之间的测试段管道长度l；（2.3）调节气体流量控制阀4至目标气流量，调节液体流量控制阀7至目标液流量，调节变频砂泵5至目标砂流量，更换有机玻璃管12至目标油管内径，调节滑动支撑架11至目标井倾角，当油管内气水砂稳定流动三分钟后，利用电脑18关闭管道中部电动蝶阀13a和电动蝶阀13b，同时关闭气体流量控制阀4、液体流量控制阀7和变频砂泵5，通过排砂阀门9排空有机玻璃管12中电动蝶阀13b下部的水和砂；打开电动蝶阀13b，在排砂阀门9位置处收集电动蝶阀13a和电动蝶阀13b之间的砂，去除砂表面的水并称重，计算持砂率；关闭排砂阀门9并打开电动蝶阀13a，开展下一组实验测试；持砂率计算公式为：；式中，hs为井筒持砂率，无量纲；vs为砂体积，m3；l为测试段管道长度，m；砂体积计算公式为：；式中，gs为砂的重量，kg；ds为砂密度，kg/m3；步骤s3：确定不同实验条件下的携砂临界流速，利用井筒持砂率表征气井携砂能力，井筒持砂率小表明砂占据气井生产通道面积小，气井能够稳定生产，而持砂率大则影响气井稳定生产；通过观察井筒持砂率随气流速变化曲线，定义携砂临界流速为井筒持砂率增加的转折点，并敏感性分析各个实验变量对转折点的影响，得到不同实验条件下的携砂临界流速；具体过程为：在持砂率随气流速变化的坐标系中，如图2所示，观察井筒持砂率随气流速变化的数据点分布，实验数据点表现出环状流时气流速高井筒持砂率小于0.01，且持砂率随着气流速降低而增加，采用最小二乘法线性拟合持砂率随着气流速变化规律，该直线斜率绝对值接近0；而搅动流时气流速低，井筒持砂率大于高气流速，持砂率随气流速变化规律与高气流速一致，采用相同的方法拟合持砂率随着气流速变化曲线，该直线斜率绝对值大于1；
因此，低气流速与高气流速的线性拟合直线存在交点c0；交点右侧为高气流速，井筒中持砂率低表明砂占据生产油管比例小，不影响气井生产，交点左侧为低气流速，井筒中持砂率高表明砂占据生产油管比例大，影响气井生产；交点处为高气流速的最小值和低气流速的最大值，砂不影响气井生产的临界值，确定该点对应的流速为携砂临界气流速v
c0
;而改变液流速得到不同液流速下随气流速变化的持砂率变化曲线，采用相同的方法确定不同液流速下的携砂临界气流速v
c1
、v
c2
…vcn
，如图3所示；而改变实验变量油管内径、砂流量、砂粒径、砂密度和井倾角，能够得到不同实验条件下的携砂临界流速；步骤s4：判断页岩气井的携砂能力，利用步骤s1能够确定生产中的页岩气井在实验条件下的气流速和液流速，利用步骤s3能够确定在相同液流速、油管内径、砂粒径、砂密度和井倾角实验条件下的携砂临界气流速，对比实验条件下页岩气井的气流速和相对应的携砂临界气流速，当页岩气井实验条件下的气流速不小于携砂临界气流速，表明该井能够继续稳定生产；当页岩气井实验条件下的气流速小于携砂临界气流速，表明该井出砂影响了气井正常生产。
17.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种页岩气井携砂临界流速的实验确定方法，其特征在于，主要包括如下步骤：步骤s1：收集页岩气井全生命周期内的产量数据和井身结构，利用流体力学相似准则计算得到实验条件下气流速和液流速的参数范围，油管内径、砂流量、砂粒径、砂密度和井倾角与页岩气井参数一致；步骤s2：开展页岩气井携砂物理模拟实验，在实验参数范围内，获取不同气流速、液流速、油管内径、砂流量、砂粒径、砂密度和井倾角条件下的井筒持砂量，计算持砂率；确保实验的准确性，在气流量、液流量和砂流量稳定在目标参数的条件下，井口均匀稳定出砂三分钟后开始测量井筒持砂量，并重复三次实验取持砂量平均值；为避免砂外表面附着的水影响持砂量，称重前砂被烘干；步骤s3：确定不同实验条件下的携砂临界流速，利用井筒持砂率表征气井携砂能力，井筒持砂率小表明砂占据气井生产通道面积小，气井能够稳定生产，而持砂率大则影响气井稳定生产；通过观察井筒持砂率随气流速变化曲线，定义携砂临界流速为井筒持砂率增加的转折点，并敏感性分析各个实验变量对转折点的影响，得到不同实验条件下的携砂临界流速；步骤s4：判断页岩气井的携砂能力，利用步骤s1能够确定生产中的页岩气井在实验条件下的气流速和液流速，利用步骤s3能够确定在相同液流速、油管内径、砂粒径、砂密度和井倾角实验条件下的携砂临界气流速，对比实验条件下页岩气井的气流速和相对应的携砂临界气流速，当页岩气井实验条件下的气流速不小于携砂临界气流速，表明该井能够继续稳定生产；当页岩气井实验条件下的气流速小于携砂临界气流速，表明该井出砂影响了气井正常生产。2.如权利要求1所述的一种页岩气井携砂临界流速的实验确定方法，其特征在于，步骤s3确定不同实验条件下的携砂临界流速，具体过程为：在持砂率-气流速坐标系中，持砂率随气流速变化的曲线会出现明显的转折点，将转折点前后定义为高气流速曲线和低气流速曲线，分别取两条曲线末端5个数据点采用最小二乘法线性拟合直线；由于两条直线斜率不同，低气流速与高气流速的线性拟合直线存在交点，交点处为对应流速的携砂临界流速；而改变液流速得到不同液流速下随气流速变化的持砂率变化曲线，采用相同的方法确定不同液流速下的携砂临界流速，而改变实验变量油管内径、砂流量、砂粒径、砂密度和井倾角，能够得到不同实验条件下的携砂临界流速。

技术总结
本发明提供一种页岩气井携砂临界流速的实验确定方法，属于气井排采工艺技术领域，所述方法包括：收集页岩气井全生命周期内的产量和井身结构数据，基于流体力学相似准则和和Gray模型，计算实验条件下气流速和液流速的参数范围，开展页岩气井携砂物理模拟实验，获取不同实验条件下的井筒持砂量，计算持砂率；井筒持砂率小表明砂占据气井生产通道面积小，对气井生产影响小，而持砂率大则影响气井稳定生产；通过观察井筒持砂率随气流速变化曲线，定义携砂临界流速为井筒持砂率增加的转折点，并敏感性分析其它实验变量对转折点的影响，计算不同条件下页岩气井携砂临界产量，因此，该计算方法简单适用，为排采工艺优化设计提供理论依据。依据。依据。


技术研发人员：罗程程 江劲宏 刘永辉 吴宁 黄晶 李佳 郑玄之 唐信科 李鑫 刘正洋 杨博仁 刘天健
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/11