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一、以气井最小携液流速理论:天然气气藏多是有水气藏，气井产水会在自喷管柱中形成水气两相流动，增加了气井的能量损失，造成气速和井底压力的下降，使天然气没有足够的能量将水带出井筒，就会使采气速度和一次开采的采收率大大降低，甚至把气井压死。避免气井积液发生的关键是保证有足够的天然气速度将水或凝析液携带到地面。因此，准确确定气井的临界携液流速或流量，提前预测气井积液，对于延长无水采气期，提高气藏采收率有重要指导意义。气井最小携液流速是气井生产过程中气流能携带液体的最小流速，也称临界流速。对于一个给定尺寸的液滴，气体流速必须大于携带液滴的最小流速，气井才能连续排液。因此当最小携液流速大于或等于实际流速时，气流能连续将进入井筒的液体排出井口，反之，井筒将会产生积液，这是确定气井排水采气的重要依据。二、本次介绍常用的几种预测积液的临界携液流量模型：Ｄｕｇｇａｎ模型，Ｔｕｒｎｅｒ模型，Ｃｏｌｅｍａｎ模型，Ｎｏｓｓｅｉｒ模型，李闵模型，杨川东模型。Ｄｕｇｇａｎ模型基于统计数据得到了气井临界流量表达式，后五种模型以液滴模型为基础，以井口或井底条件为参考点，推导出了临界流量公式。1、Ｄｕｇｇａｎ模型模型早期的气井生产并没有一个明确判断气井积液的依据，气井井底积液不但影响气井生产，同时影响气井数据计量的准确性。气藏生产迫切需要判断气井是否积液的依据。１９６１年，Ｄｕｇｇａｎ经过对现场大量的数据整理，提出了最小气体流速的概念。Ｄｕｇｇａｎ认为，气井最小气体流速是保证气井无积液生产的最低流速。经过统计分析，Ｄｕｇｇａｎ指出，１．５２４ｍ／ｓ的井口流速是气井生产的最低流速，小于这个生产速度，气井就会出现积液。2、Ｔｕｒｎｅｒ携液模型在Ｄｕｇｇａｎ临界流速思想的指导下，Ｔｕｒｎｅｒ在１９６９年提出了液滴模型，认为液滴模型可以准确地预测积液的形成。Ｔｕｒｎｅｒ假设液滴在高速气流携带下是球形液滴，通过对球形液滴的受力分析导出了气井携液的临界流速公式。对球形液滴进行分析，它受到自身向下的重力和气流向上的推力。如下图：气流对液滴向上的推力F（2-1）液体自身的重力（2-2）式中：--气井临界流速没m/s；d--最大液滴直径m；--分别是液体和气体密度，kg/m3；Cd--拽力系数，取0.44。当F-G〉=0液滴就不会滑落。Turner认为，只要气井中最大直径的液滴不滑落，气井积液就不会发生。液体的最大直径由韦伯数决定，当韦伯数超过30后，气流的惯性力和液滴表面张力间的平衡被打破，液滴会破碎。因此最大液滴直径由下面表达式决定：求得最大液滴直径：（2-3）综合(2-1)(2-2)(2-3)可以求得气井临界流速：（2-4）换算成标况下的气井流量公式：（2-5）式中：qc--气井临界流量m3/d；Nc--韦伯数，无因次；σ--气液表面张力N/m；A--油管横截面积m2；P--压力Mpa；T--温度K；Z--气体压缩因子，无因次。Turner模型是建立在高气液比的气井生产前提下的，通过与该生产制度下的现场数据对比发现，将计算出的临界流速提高20%后更加符合现场实际。修正后的公式为（2-6）3、Ｃｏｌｅｍａｎ模型Coleman观察Turner数据，发现Turner模型是在井口压力大于3.4475Mpa的情况下得出的，而积液井井口压力一般低于3.4475Mpa.Coleman研究了大量低压气井的生产数据，运用Turner理论的思想，推导出了低压气井的临界流速公式：换算成标况下的气井流量公式：4、Ｎｏｓｓｅｉｒ模型Turner模型中使用的拽力系数是0.44，Nosseir研究发现Turner的数据雷诺数小于2*105，而在雷诺数2*105NRc106时，拽力系数是0.2，而不是0.44.Nosseir应用光滑，坚硬，球形液滴理论，建立两种分析模型，一种是瞬变流模型，一种是紊变流模型。以Allen的瞬变流公式和牛顿的紊流公式为起点，应用Hinze公式去求最大液滴直径，可得到两个与液滴模型相似的公式:(1)瞬变流公式在低压流动系统中，可以出现瞬变状态，此时拽力系数取044，瞬变流公式：(2)紊变流公式：在高速紊流状态下，拽力系数取0.2，紊变流公式：5、李闵模型李闽认为,被高速气流携带的液滴在高速气流作用下，其前后存在一个压力差，在这压力差的作用下液滴会变成一椭球体（如图2）。扁平椭球液滴具有较大的有效面积，更加容易被携带到井口中，因此所需的临界流量和临界流速都会小于球形模型的计算值。李闽模型计算临界流速和临界流量为Turner模型的38%。在临界流状态下，液滴相对于井筒不动。液滴的重力等于浮力加阻力。即：式中：V--是椭球的体积m3；S--椭球的垂直投影面积,m2；CD--阻力系数，取1。综合上面的式子，就可得到临界流速公式：换算成标况下的气井流量公式：uc为临界流速m／s；qc为临界流量104m3／d；A为油管截面积cm2；p为油管流压（井底或任意点的压力）MPa；T为油管流温（井底或任意点的温度）K；Z为p和T条件下的气体偏差系数；ρL、ρg分别表示液体、气体密度，g／cm3；σ为界面张力，mN／m。资料缺乏时，以下数据供参考：对水，σw=60mN／m；对凝析油，σo=20mN／m。6、杨川东模型杨川东模型把井底作为连续排液的参考点，认为只要井底处能满足连续排液的条件，气井就能正常连续生产。气井油管管鞋处的气体体积流量可表示为:式中：Q--井底条件下管鞋处气体流量m3/d；di--油管内径m；μ--在井底状况下油管鞋断面处的气体流速m/s。井底状况下油管管鞋处的气体体积流量与标准状况下气体流量的关系是式中：Qo--标准状况下管鞋处气体流量m3/d；pwf--井底压力Mpa；Twf--井底温度k；Z--井底条件下的压缩因子，无因次。综合(2-12)(2-13)两式得当气井在临界流速状态下生产时，液体的沉降速度等于气体的速度，即：u-u1=0，运用质点力学可求得沉降速度：式中：μ1--管鞋处液体的沉降速度m/s；γg--气体的相对密度，无因次。为保证连续排液，气体临界流速须为临界沉降速度的1.2倍，即：考虑（2-14）得标准状况下的临界流量为：qc--标准状况下管鞋处气体临界流量m3/d。三、模型分析1、理论分析Duggan是通过经验观测给出的临界流速，为了使用上的方便，将井口作为参考点。Duggan指出的1.524m/s的气体临界流速是现场数据的统计值，对一定的气井有适用性。但是Duggan没有考虑到气藏条件和井筒条件的差异性，气井生产的临界流速不会是也不可能是一个常量。然而Duggan的最大贡献在于他提出了气井生产的临界流速的概念，为气井积液与否提供了判断依据。Turner模型以球形液滴作为基础推导出的临界流速和临界流量公式，在气液比非常高（大于1400），流态属于雾状流的气井计算中具有相当好的精度。Coleman对Turner模型进行了修正，模型适用于井口压力小于3.4475Mpa的低压井的计算。Nosseir模型考虑了两种流态，经过流态的划分进一步提高了计算的准确性。李闽模型将Turner的球形模型修正为椭球模型，其计算的临界流速只有Turner模型的38%，更加符合我国气田的实际情况，在现场得到了广泛的应用。杨川东模型以井底作为参考点，充分考虑了我国气田的实际情况，从质点力学的角度推导出了临界流速，适用性广泛。2、实例分析为了验证上述模型的适用性和准确性，从现场中取四口井计算分析：用上述6种预测模型计算临界流量(m3/d)结果如下：对计算结果作图3、4、5、6，如下：横坐标表示实际气井产量，纵坐标表示计算的临界产量。实际产量等于临界流量时，数据点就落在图中的基准线上，接近积液井数据在基准线上，未积液井数据在基准线的下方，积液井数据在基准线的上方。A井、C井的实际生产状态为未积液，A井临界流量计算图显示：6种模型计算结果都在基准线以下，反映气井无积液现象，与实际相符。C井临界流量图中，只有李闽模型计算结果在基准线收下，显示气井无积液，其它模型计算结果都偏大。B、D井是接近积液井，李闽模型、Coleman模型的计算值在基准线附近，显示气井接近积液状态。其它计算值都在基准线以上，计算值偏大。李闽模型在4口井的计算中都显示出了很高的精度，非常适合我国气田的实际。Coleman模型在两口低压接近积液井中的计算结果较准确，反映出其在低压井中的良好适应性。Turner模型和杨川东模型的计算结果接近，但是与Duggan、Nosseir模型的结果一样，数值偏大。3、结论（1）气井临界流速和临界流量模型为现场判断气井积液与否提供了准确的判断依据。（2）各种临界流速和临界流量模型都有各自的适用条件,对于不同的井况采用不同的模型能够提高预测的准确性。（3）Duggan模型是统计模型，其它模型都是基于液滴模型得到的计算模型。（4）李闽模型在计算实例中准确性很高,非常适合我国气田实际，Turner模型和杨川东模型应用广泛，但数值偏大，现场常常取其值的三分之一作为气井积液与否的依据。四、泡沫排水采气应用时机的初点和末点五、最佳泡排时机1、低产水气井泡排时机确定根据临界携液理论，当实际产量低于临界携液流量时井底就会产生积液，一般认为一旦气井不能连续携液，那么应该启用泡沫排水采气工艺。但事实并非如此，在川西大部分气藏采用排水采气的时机普遍都较晚，这主要是因为川西气田绝大部分气井产水量有限，从井筒开始积液到气井停产的时间较长，而且当积液量较小时加药，由于积液量计算误差较大，不能很好地优化加药量，达不到将积液带出井筒的目的，反而会形成新的污染，因此对于低压低产水气井排水采气工艺应用初点的确定不能严格按照临界携液理论来计算。对于低压低产水气井，可在监测、分析井筒内积液的基础上进行井底压力计算，并且把计算值与井底流压进行对比，当井底压力大于井底流压则气井被压死，否则气井仍有产能。并可根据气井日产水情况进行井筒内积液高度预测，适时选择采用泡沫排水采气时机，低产水气井的井底压力计算可根据液柱和气柱的压力叠加获得，井底积液高度可通过气井井口油压力之差计算得出。分别应用静止气柱（套压）和流动气柱（油压）方法可计算井筒没有积液时的井底压力pws和pwf：通过此法判断井底积液量，然后进一步预测井筒携液能力和确定排水采气的时机，以延长自然排水期，降低二次污染与减少作业成本。2、高产水气井泡排时机确定对于高产水气井，一旦气井不能连续携液，少则几小时，多则几天该井就会停喷。因此，为了保证产水井有稳定的产能，减少停喷后的修井及排水费用，排水采气的时机选择应以气井能否连续携液为标准，并且由于高产水气井水淹速度较快，一旦不能连续携液很快就会停产，因此建议提前进入泡沫辅助排水阶段。六、最小携泡理论研究根据Tuener液滴模型假设，排出气井积液所需要的最低条件是使气流中的最大液滴能连续向上运动，即气体对液滴的曳力大于液滴的重力，而对于携液的泡沫而言，通过引入泡排剂使液滴结构发生改变，其密度和表面张力较单相的液滴都会降低。考虑到气泡相对于液滴在举升过程中的形变量更大。因此，在李闽教授液滴模型的基础上，提出了计算携带泡沫的最低气体流速公式，即临界携泡流量公式。通过临界携泡模型修正计算出的临界携泡流量，也是泡沫排水采气所需的最小流量。该式与临界携液流量公式原理相同，a的取值根据实验结果确定，在没有实验数据的情况下，a取值为2.3。1、理论认识泡沫排水采气工艺在应用一段时间以后，随着地层能量的进一步降低，泡沫排水的难度将增加。前期施工方法已不能完全奏效，施工效果较初期变差或无效，有的甚至连施工加入的泡沫液都未返排出来，这标志着泡沫排水采气工艺进入到应用末点，即地层能量已不能满足携带泡沫的要求，需要采用其他工艺排液。通过计算加入不同泡排剂后的临界携泡流量可知，泡排剂的起泡能力和表面张力是影响临界携泡流量大小的主要因素，并且随着泡沫逐渐破碎成液滴，气井携泡能力会有所下降。根据计算，若与tuener临界携液模型比较，则临界携泡流量为临界携液流量的1／6±，若与李闽教授的改进模型比较，则临界携泡流量为临界携液流量的1／3±。结合川西气藏