气砂两相流在天然气开采过程中的理论及实验研究论文_吴晓冬,张彩荣,余国军,陈蓉,崔建荣

摘要：气井出砂在天然气开采过程中危害极大，是影响其正常生产的重要因素，为了能正确认识天然气开采过程中气井出砂的根本原因，以及在气井内相互作用影响，本文从气砂产生原因，详细分析受力状况，构建具体模型，结合气砂两相流理论和当前文献研究基础，重点对天然气开采过程的气砂两相流理论及实验研究进行探究，为天然气安全高效开采提供借鉴和参考。

关键词：天然气；气砂两相流；气井出砂

天然气被称为“工业氧气”，在资源矿产中占有重要战略地位，是推动社会经济发展的重要动力，在目前，我国社会各个领域都广泛应用了天然气作为能源输出，其开采效率和质量，将对社会经济产生重要影响。目前因为开采施工技术有限，探测技术不完善，气井在生产工作中因为防砂措施不到位，压力变化监控不精确，常有出砂情况，导致开采效益达不到预期的理想效果，因此必须改进技术，在现有防砂基础上，将气井内气流及压力精确控制在一定范围内，改善开采效率[1]。

1.气砂两相流在天然气开采过程中的理论及研究的重要性

天然气在长期开采过程中，气井出砂一直问题一直伴随着，得不到有效改善，世界上相关学者和专业研究人员，对气井出砂这一现象进行了较长时间的研究和探索，在长期的实践过程中，通过出砂原因分析、建立数字模型、减少气压分流等举措，取得了一定理论成效，但由于各个天然气田自身的环境地质因素复杂，各自出砂的原因也不尽相同，一般性防砂效果不具备通用性，照搬照抄结果反而产生不利影响。从对多个气田出砂情况进行分析，一般性因素常为气井内部的气流流速和气压变化，结合当地地质因素，在不断受到气流冲击和长期压力下，导致底下层表面容易出砂。气流大会将砂砾高速带入管道中，会对管筒产生腐蚀、冲击的危害，气流小将会导致砂砾堆积，长期出砂将会阻塞管筒，产生不可预估的严重后果。因此，解决气井出砂和砂砾对生产设备的损坏，是当前天然气开采中面临的重要问题。气砂两相流理论根据气井携砂模型分析，建立新的气流力学模型，采用数字轴向进行气砂分流，从而降低气井砂砾危害，对改善天然气开采质量有极大的促进作用[2]。

2气砂两相流在天然气开采过程中的理论及研究

2.1砂粒受力状况分析

在气田生产天然气的过程中，气井内部砂砾运动情况，与气流流速和气井内部压强有关，在不同阶段，砂砾受力情况不同，从整体分析看，砂砾自身运动状况体现了其受力情况，包括以下几种：第一种，砂砾收到的向下的力大于向上的力，显示出砂情况；第二种砂砾受到向上的力不足以克服重力，砂砾出现堆积现象；第三种砂砾受力出现均衡，即临界状态，砂砾出现悬浮与气井的现象。这几种情况的出现与气井内部各种因素相关，并且随着生产过程，三种情况会相互变化，砂砾的相对位置改变，受到的力也出现变化，结果出现变化，因此研究气井内部砂砾受力情况，需要建立动态模型，动态分析其运动轨迹和气压气流之间的关系[3]。

2.2建立动态分析模型

建立动态分析模型，将深入有效分析气井气砂两相流理论，首先建立气井砂砾垂直运动模型，导入参考力系，对砂砾向上的推力f，气压p，重力G，

在对已知数据进行详细分析，通过数据模型，计算出砂砾的受力方向、加速度等数据，通过不断的进行动态分析，可以计算砂砾处于气井不同位置时的状态，以此判断其受力种类，得出砂砾最终是上升或者下降或者悬浮等状态。除了判断砂砾受力状况，还需要分析气井温度变化、砂砾加速度等因素，并建立相关的数学模型[4]。

2.3实验的展开

通过建立好的数学模型，将参数导入，对气砂两相流在气井中的情况，通过实验的方式进行详细分析判断。

2.4研究结果分析

通过上表可以分析出，气井压力和气井温度对出砂影响不大，砂砾的大小与整体密度对最后的结果影响很大，直径越大，密度越高，其临界数据也越高，三者呈现出正相关关系。结合理论进行深入分析，可以发现，在理论上临界数据将会由于砂砾受力变化而产生不同的结果，但是在天然气实际开采过程中，出现了理论与实际不一致情况，这种情况的出现可能由于采样性质特殊，也可能由于数据模型建立还不够精细。此外，实验结果表明，通过单一的变量参数对比，临界数据与砂砾大小、密度、管筒直径都呈现出正相关，通过动态分析判断，在设定的条件下，上下行气压差对临界数据影响具有关键作用[5]。

3结论

进入新世纪以来，天然气在一次性能源消费中的占比逐年攀升，工业生产和居民生活对其依赖性日益地凸显。天然气开采的实践证明，技术是平稳、高效开采的重要保障。本研究气砂两相流数学模型，详细的实验数据，全面分析判断作业中各个因素对出砂结果的影响，为今后天然气开采减少出砂，降低出砂对生产设备的冲蚀和磨损，保护生产设备，降低开采成本提供较好的解决策略。在天然气开采的实践作业中，也应从设备、人才、方法等方面有效整合，依据系统性、可操作等原则建立科学的应对方面，并引入出砂风险评估的理念和模式，实现技术整合下的质量和安全的双线提升，促进天然气企业的高效运行和生产。

参考文献：

[1]王修武，谢希，王新欣等.垂直气井气流携砂实验分析[J].天然气技术与经济，2012，6（2）：42-44

[2]李瑞，乌效鸣，李炯，王生维，吴川，梅永贵，张峰.煤层气井两相流多参数探测技术[J].煤炭学报，2014，（09）：1862-1867.

[3]薛征征.气砂两相流在天然气开采过程中的理论与实验研究[J].石化技术，2016，（07）：201+219.

[4]刘大锰，姚艳斌，蔡益栋，李俊乾，张百忍.煤层气储层地质与动态评价研究进展[J].煤炭科学技术，2010，（11）：10-16.

[5]薛征征.气砂两相流在天然气开采过程中的理论与实验研究[J].石化技术，2016，23（7）：201，219.

论文作者:吴晓冬,张彩荣,余国军,陈蓉,崔建荣

论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期

论文发表时间:2020/4/14

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