页岩气含气性控制因素
刘士吉
摘 要：一种新型页岩气用井下多相流体控制系统包括套筒通过细杆连接滑槽，上述通过小钢球锁止球头机构在两个工作位置，.此种新型井下流体控制器可在下行工作位置打开通流孔使液柱与其相对运动时有低的动能损失，在上行工作位置有效分隔气液。对其建立模型、CFD分析比较多种新型控制器结构与传统结构，发现上述结构存在较大优势，其中一种比其他受压减小3%-8%，在页岩气井中有很高的应用价值。
关键词：多相流；控制系统；页岩气；仿真
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.095
1 引言
页岩气具有资源量大、寿命长等特点。中国有页岩气区块54个，面积约17×104km2[2]。由于页岩气井储层在产气的同时也会产生其他液体，生产过程中产液体及积液问题日益突出[3]。且产液体量上升迅猛，产量大，一旦产出液体气产量迅速下降。
页岩气井内流体成分复杂，需要一种在气体连续生产过程中可以在井下油管中动态分隔生产的多余液体与气体的方式来控制井内的多相流体。上世纪提出了一种可用于分隔液气体的控制系统。其在井中下降时依靠重力运行到定位系统，上升过程中依靠产层的高压气体推动液体到达井口，阻碍生产的液柱被排出，管线可连续采收气体。此后研究者做出了改进，包括PSC公司的专利结构使其在下降时液体产生湍流曝气减小阻力[6]；和可开关内部通流结构的构型。
2 新型控制器介绍
近年，研究得出减小流体经控制器时的能量损失有助提高页岩气井的生产。基于此，IPS公司设计的两级流体控制系统通过一个拥有大内部通流截面积的套筒以及一个较小的先导球头。先释放球头再释放套筒，由于内部形成大通流，两级都可以使流体快速且顺畅的通过；在上行工作期间，球头堵住套筒下端，在气藏压力作用下形成密封面。其设计具有先进性，但由于使用了两个体，实际运行时难以两级的相对运动。
Mobil公司提出一种新型一体式页岩气井下动态控制器。控制器特征为为将分体式的球头锁定在控制器底部，球头与控制器套筒之间通过细支架与滑槽连接，滑槽中两个机构锁定套筒与球头的相对位置。套管下部设计为引导流线型以减少撞击液体时损失的动能。控制器有上下两个行程。下行程中，套筒外有涡流发生槽和捕捞头，滑槽钢珠卡定在环槽中，钢珠使滑槽通过流体段塞柱时与球头不发生纵向的相对位移；先导杆由弹块销和尾椎被鎖止在球头中，制造出通流减小流体损失的动能。当控制器遭遇定位装置时，在冲量的作用下先导杆缩进至与球头下端部平齐，小钢珠由滑槽上的环槽滑入先导杆上的环槽，惯性使套筒继续下行，球头连杆件则相对向上缩进，使小钢珠锁止球头与先导杆的位移一起向上缩进，直至和管壁发生接触形成密封面，在上行状态时气藏压力维持结构直至控制器上升至下一个定位装置。
3 新型控制器的计算和仿真
在前文所述控制器的基础上，需要对其在多相液体环境的两个工作状态中分别实现较少的液体漏失与较低的动能损失的能力做出评估。建立受力的牛顿平衡方程：
式中m为总质量，πr2Hρ1g为气体浮力，Ff2为上下压差形成的阻力。根据控制器结构的变量仅有上下压差，因此将沿轴向压力代数和作为设计的目标，使用Fluent计算流体力学分析软件包进行仿真。
设控制器静止，来流与其产生相对位移，根据控制器在多相流体中的运动状态建立模型：a.流体介质：水掺杂油蜡，入口流速：0.6m/s，入口压力2.8mpa，温度70℃，主控制方程选用K-e模型。其方程如下：
优选方案建模，将切片导入Fluent。在选取的4种新型控制器中，A型采用高曲率头部和椭圆形后端，滑槽加厚；B型在A型的基础上将球头改为圆形，球头与滑槽连接处圆滑处理；C型在不改变A型球头结构，滑槽做为流型；D型有锐角菱形的头部和与A型相同的滑槽；作为对照，加入了两级流体控制器；所有控制器都呈下降或完全打开状态。从结果看，速度最高点出现在球头最大直径处，球头后部形成负压，连接处圆滑程度对流动影响不大，滑槽的流线型设计展现了有利影响。圆形球头相比于其他构型来说，球头的能量损失最小，流体经新型控制器后的流速损失（5～8e-01）相对于传统控制器的流速损失（0～1.03e-01）都有较大提升，达到减小动能损失的目的。
4 结论
本文介绍了一种新型流体控制器，对此控制器进行了计算和仿真，明确了此控制器控制器具小动能损失和较好的多相流体分隔效果的原因。此种结构简单零部件少，加大了生产效率。分析过程中还发现这种控制器无法避免管壁摩擦阻尼，有进一步的改进空间。
参考文献：
[1]蒲泊伶.四川盆地页岩气成藏条件分析[D].2008.
[2]董大忠，邹才能，李建忠等.页岩气资源潜力与勘探开发前景[J].地质通报，2011，30（2/3）：324+336.
[3]杨旭东，李丽，张军等.井下涡流工具排水采气机理研究[J].石油机械，2015，43（05）.
[4]Victor B M.Sand plunger：U.S.Patent 7，475，731[P].2009-1-13.
[5]Tanton M S.Plunger lift：U.S. Patent 8，181，706[P].2012-5-22.
[6]Gong M，Harrison L E， Pirog T W，et al.Plunger lift systems and methods： U.S. Patent 8，833，467[P].2014-9-16.endprint
