基于泡沫液膜变化倾斜井临界携泡模型研究

《Flow Measurement and Instrumentation》：Study on the critical foam-carrying model of inclined wells based on the variation of foam liquid film

　　摘要
泡沫提升技术已被广泛用于减轻气井中的液相负荷。准确预测泡沫流动条件下的临界携液速度对于优化泡沫排水作业至关重要。然而，现有的临界携液模型要么忽略液相对泡沫特性的影响（滴状模型），要么过度简化泡沫液膜分布（膜状模型），从而导致倾斜式泡沫排水井的预测误差较大。为解决这一缺陷，本研究在不同倾角（30°-90°）、液体流速及发泡剂浓度条件下进行了临界携液实验，并结合基于VOF多相模型的CFD数值模拟来计算泡沫液膜厚度。实验与模拟结果表明，随着倾角减小，气液界面处的泡沫液膜从圆形逐渐变为椭圆形。由此建立了泡沫液膜厚度的椭圆形分布方程，并基于重力、剪切力、界面张力及粘性力的力学平衡，结合泡沫密度、液膜厚度、泡沫含液量及摩擦因子，推导出了三相（气-水-泡沫）临界携液模型。该模型通过46组文献数据验证，平均绝对误差为10.22%；通过3口实际泡沫排水井的数据验证，平均误差为6.49%，性能优于现有模型。所提出的模型能够更精准地预测倾斜井的临界携液速度，为优化泡沫排水作业提供理论支持。

引言
气井液相负荷是天然气开采后期面临的主要挑战之一。当气体流速不足以将井筒中的液体（如水）有效提升时，就会发生液相积聚现象，进而降低井的生产效率（Zhang P, 2022(a) [1]和2022(b) [2]；Li M, 2002 [3]；Tugan M F, 2020 [4]）。泡沫辅助气体排水技术通过向井筒中注入发泡剂，使其与井底积聚的液体混合，生成大量泡沫。这些泡沫可降低液体的有效密度，从而有效缓解气井中的液相负荷问题（Liu S [5], 2023 [6]；Hosseini-Nasab S M, 2024 [7]；Amani P, 2023 [8]）。泡沫能够降低流阻与液体的有效密度，改变气液流动模式，提升气液分离效果，进而减少液体积聚（Tavakkoli M, 2021 [9]；Liang Z, 2014 [10]）。此外，泡沫还能维持气泡的长期浮力，减少液体在管壁上的附着（Huang F, 2022 [11]；Adeyemi G A, 2024 [12]）。同时，泡沫还有助于提升气井生产的稳定性，缓解压力波动，优化气体回收效率，最终提高气井产量并确保长期稳定生产（Yin P, 2023 [13]）。近年来，表面活性剂分子设计方面的进展，尤其是醇醚硫酸盐类，表明经过设计的分子结构能够在高温高盐储层条件下显著提升泡沫稳定性与携液效率（Tang H, 2025 [14]）。此外，还开发了含有改性纳米SiO2的纳米颗粒增强型泡沫排水系统，以提升恶劣储层条件下的泡沫稳定性，为页岩气井的脱液处理提供了新途径（Zhang X, 2025 [15]）。目前，泡沫辅助气体排水技术已在全球多个大型油气田得到广泛应用，包括中国苏里格气田（Xiong C, 2019 [16]）、美国科罗拉多州的瓦滕伯格气田（Yang J, 1999 [17]）、马来西亚的一个成熟油田（Ahmad S A, 2017 [19]），尤其是澳大利亚的东南沿海气田（Amani P, 2023 [8]）。随着技术的不断进步，预计泡沫排水技术将在全球范围内得到进一步推广，尤其适用于产量低、气压低且液相负荷严重的气井。该技术对于这类应用具有重要的经济与工程价值。最近，超分子表面活性剂化学领域的进展带来了基于伪双子结构的高耐盐性泡沫排水系统，进一步拓展了泡沫辅助技术在极端高盐条件储层中的应用范围（Dong S, 2026 [20]）。在成熟气田中，通过对泡沫排水参数进行系统优化，可显著提升携液能力，同时降低化学品消耗量（Liu M, 2025 [21]）。准确判断气井中的液相负荷对于优化生产流程、提升气井产量具有重要意义。目前，大多数学者主要研究气液两相流模型，重点探讨气液相的滴状反转模型与膜状反转模型。Peng L在2024年[22]提出了一个完全耦合的组分型井筒/储层模型，用于预测垂直及倾斜气井中的液相负荷。Wang W在2024年[23]提出了一种新的机理模型，用于预测倾斜天然气井中的液相负荷。Shi S在2024年[24]研究了垂直向上气水两相流中湍流与环流状态之间的过渡边界。Liu H在2024年[25]建立了一个改进的综合预测模型，将井筒温压场与气井液相负荷相结合。Pagou A L在2020年[a] [26]基于临界速度准则，为垂直及倾斜气井开发了液相负荷预测与识别模型。他在2020年[b] [27]进一步提出了一个液膜模型，用于预测和识别液相负荷，强调在倾斜井筒中液膜反转是主导机制。Ming R在2018年[28]提出了一种新模型，用于提升水平气井中液相负荷的预测精度。Zheng D等人（2024年）提出了一种新方法，通过整合滴状反转与膜状反转机制，提升了气井液相负荷临界气体速度的预测精度（Zheng D, 2024 [29]）。然而，关于加入发泡剂后的气井液相负荷模型的研究仍然有限。早些时候，N.S. Deshpande（2000年）[30]等人研究了管道中泡沫的流动特性，重点关注泡沫结构、泡沫管道流动中的压降以及泡沫的携液能力。他们发现，在气液比较低时，泡沫呈多面体结构；而在气液比较高时，则呈现椭圆形。基于N.S. Deshpande的研究，Li在2007年[31]对Turner模型（Turner R.G., 1969年）[32]进行了修改，加入了温度与压力因素。通过实验研究，Li确定了不同发泡剂浓度下泡沫的表面张力与密度，并计算了不同表面活性剂浓度下气井的临界携液速度。Campbell在2001年[33]等人则将单相液滴视为独立的连续泡沫结构。由泡沫构成的液滴所受的阻力会导致迎风面与背风面之间的压力差，进而使液滴大小发生变化。因此，他们基于Turner液滴模型，提出了一个用于有效泡沫排水的临界携液速度模型。Chen在2014年[34]对大牛田的泡沫排水井进行了临界携液试验，基于滴状模型提出了一种计算不同发泡剂浓度下临界携液速度的方法，准确率达到了83%。Zhang在2014年[35]基于滴状反转模型，考虑了气体上升过程中液滴的结构变化，并通过实验数据拟合得出了泡沫临界携液模型。Barreto C.V.在2017年[36]对Turner模型进行了修改，用泡沫的密度与表面张力替代了水的相应参数，并考虑了发泡剂注入的影响，从而形成了一个泡沫临界携液模型，其中K值恒定为1.1912。Liu Y在2018年[37]研究了克拉玛依气田的泡沫排水井，在不同的气液比、弯管段及直管段条件下，研究了流动模式与临界携液速度，并为不同的发泡剂浓度建立了临界携液速度模型。Z.Y. Chen在2023年[38]基于Campbell提出的泡沫临界携液流速计算方法，对泡沫排水井的临界气液流速进行了实验研究，发现随着注入泡沫剂浓度的增加，临界泡沫携流速度与节流临界泡沫携流速度均有所下降。通过实验数据回归，得出了适用于不同泡沫浓度的计算模型。Wang在2024年[39]对实际井筒中的泡沫流动进行了液滴变形实验，如图1所示，考虑了发泡能力以及表面活性剂的类型与浓度等因素。该研究量化了这些参数对泡沫液滴性能的影响，从而建立了一个适用于不同泡沫类型与浓度的表面活性剂模型。最近，有研究建立了一种考虑倾斜井筒中液滴与液膜共存的临界携液速度模型，并利用页岩气水平井的现场数据进行了验证，显著提升了液相负荷的诊断精度（Cheng Y, 2025 [40]）。对于倾斜气井，有研究者提出了一种考虑非均匀液膜厚度与液滴卷入效应的机理模型，发现临界气体速度在约38°的倾角时达到峰值（Tan X H, 2025 [41]）。总之，泡沫滴状模型主要是基于单个泡沫气泡或泡沫团簇的行为，能够反映泡沫的基本流动特性。但它未能充分体现多相流中液相的影响，尤其是在气液界面较为复杂的情况下。如图2所示，为解决这一问题，泡沫液膜模型逐渐成为描述泡沫多相流的重要理论工具。然而，针对考虑液相效应的泡沫液膜模型的研究仍然较少。仅有Ajani在2016年[42]研究了阳离子表面活性剂作用下临界携液速度的变化，主要关注液相含液量、泡沫质量、泡沫密度及液体体积等参数。该研究为垂直管道中的泡沫流动建立了一个临界携液模型，该模型主要是对Barnea（1968b）[43]模型的改进。最近的研究还表明，诸如黄原胶之类的聚合物添加剂可以通过增加层状粘度并降低临界气体速度，显著提升垂直井筒中泡沫的稳定性与卸液效率（Matouq M M, 2025 [44]）。不过，上述模型都存在一定的局限性。有些模型基于泡沫滴状行为，未考虑液相对液相携带量的影响；另一些模型虽然基于泡沫液膜模型，但未能充分考虑泡沫特性对液相携带量的影响，仅考虑了影响液膜应力的少数因素。例如，罗氏气水两相液膜厚度模型无法计算气水泡沫三相液膜的厚度。因此，本研究在罗氏模型的基础上，提出了一种新的液膜厚度模型，该模型适用于气水泡沫三相系统。该模型考虑了气泡泡沫流体中的剪切力、界面张力、压力差力、粘性力、浮力以及湍流等因素。最终建立了一个适用于水平、倾斜及垂直管道的泡沫多相流临界携液模型。

实验装置与方法
如图3所示，泡沫多相流携液实验是在一个具有-90°至+90°实验角度范围的多相流平台上进行的。该平台包括气体供应系统（空气压缩机、储气罐）、液体供应系统（微量加药泵、混合室、水箱、螺旋泵）、测量系统（气体流量计、液体流量计、压力表）以及数据采集系统（无纸记录仪与计算机）。气体供应系统配备了……

CFD模型的建立
本研究的对象是不同倾角下的井筒模型。所建立的物理模型如图所示。经过多次数值模拟后，管道内的流动状态在2米长度处趋于稳定。如图10所示，为研究不同倾角下泡沫多相流液膜厚度的变化，建立了一个长度为5米、内径为40毫米的井筒模型。气体从管道的下部进入……

模型假设
由于各相密度的影响，最初在注入发泡剂后，管道内会形成三相流动状态，即上部为气相，中部为泡沫相，下部为液相。然而，随着气-液-泡沫相的混合加剧，液相与泡沫相完全混合，形成泡沫流体，可视为一种混合相。因此，本研究做出以下假设：(1)液相与……结论通过针对泡沫多相流临界液体携带量的实验室实验以及泡沫液膜厚度变化的数值模拟，本研究发现，在临界状态下，泡沫排水井沿周向呈现椭圆形的泡沫液膜分布。基于这些研究结果，建立了适用于倾角大于30°的泡沫液膜计算模型，以及泡沫排水井的临界泡沫携带模型。主要结论为资金声明本研究得到了重庆市教育委员会（KJQN202101542）的支持，旨在研究深部页岩气水平井中泡沫的液体携带规律及其排水应用的局限性。作者贡献声明施书强：指导、验证、写作——审稿与编辑。余庆银：形式分析、验证、写作——初稿撰写。王雅宁：指导、写作——初稿撰写。林少康：概念构建、数据整理、指导。徐梅：概念构建、数据整理、验证。向安奇：形式分析、方法论设计。吕壮：软件应用、验证。张晓川：软件应用、可视化处理。张永才：概念构建、形式分析。王欣：数据整理。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。施书强|余庆银|王雅宁|林少康|徐梅|向安奇|吕壮|张晓川|张永才|王欣|王金堂|白英瑞|黄贤斌|李健中国重庆，401331，重庆科技学院石油工程学院