高硫气井气液两相流携硫临界气体流速预测方法

《Processes》：Prediction Method for Critical Gas Velocity of Sulfur-Carrying in Gas–Liquid Two-Phase Flow in High-Sulfur Gas Wells

　　

在高硫气水井生产过程中，天然气中饱和的元素硫随井筒温压降低逐渐析出为固体颗粒，当这些硫颗粒无法在天然气与地层水形成的气-液-固三相流中持续向上携带时，易在井筒沉积，可能堵塞生产管柱并严重限制气井产能。当前关于携硫颗粒所需临界气体流速预测模型的研究仍不充分。因此，准确预测该临界流速并通过调整产量预防沉积，对高硫气井管理至关重要。本研究主要创新在于建立了硫颗粒夹带所需临界气体流速预测模型。基于前期实验揭示的“气液聚并-液膜夹带”耦合机制，通过对竖直与倾斜管内液膜中硫颗粒的力学分析建立模型。认识到液膜厚度与流速是模型求解关键参数，基于实验结果和动量平衡原理建立了倾斜管环空流中这两参数的辅助预测模型。所提模型综合纳入井斜角、管径、液流量与硫粒径等因素，适用于直井、水平井及定向井等多种井型。基于48组实验数据评价，平均绝对百分比误差（MAPE）为2.28%，预测精度高。此外开发了临界气体流速工程计算程序，并以普光气田某井为例进行硫沉积条件预测与诊断，验证了模型实用价值。该研究为高硫气田安全高效开发提供科学依据。

研究背景方面，高硫气田约占全球天然气储量10%，高硫储层分布广泛。高硫储层开采时，井筒流体随深度温度压力下降，天然气中饱和元素硫逐渐析出形成固体硫颗粒，与天然气、地层水构成气-液-固三相流。随气井产量递减，井筒流速降低，低于携硫临界流速时硫颗粒沉积，导致减产甚至完全堵井，且硫沉积加速管柱腐蚀。准确预测携硫临界气体流速是预防沉积和优选油管的关键理论之一。已有研究多针对砂、沥青质、钻屑等颗粒，水平管为主，气液两相携固研究有限，既有单相机理与经验公式不能直接用于高硫产水气井携硫场景。研究人员因此基于前期实验揭示的“气流携液-液膜携硫”耦合机制开展本研究。

主要关键技术方法上，研究人员采用弗劳德数（Froude number）与雷诺数（Reynolds number）设计实验流动参数以保证实验室与现场水动力相似；使用现场采集硫颗粒在倾斜管中进行气液两相携硫实验，观察得到“气驱液膜-液膜驱硫粒”顺序夹带机制；对竖直与倾斜管液膜内硫颗粒作受力分析（视硫粒为均匀球体），结合液膜-气芯动量平衡求解液膜厚度与液膜流速；引入Alves环空流模型预测平均液膜厚度；以48组西南石油大学实验数据（管径40 mm、粒径0.5/1/2 mm、倾角0°–90°）及普光气田PG102-X井现场数据验证。

研究结果部分，2.1节“携硫临界液流速度计算模型”中，竖直管通过对硫粒重力、浮力、拖曳力平衡得临界液膜流速式；小倾角/水平管按滚动力矩平衡推导，大倾角按悬浮提升力平衡推导，并依雷诺数分区给出拖曳系数C_D近似式（黏滞区R_e≤1、过渡区1≤R_e≤500、压差阻区500≤R_e≤2×10⁵）。与Wang Zhizhong实验对比，临界液速随倾角先增后减，50°–60°最大，误差<10%。2.2节“气液两相携硫临界气体流速预测模型”中，将颗粒尺度临界液膜流速与液膜尺度动量平衡耦合：由气液界面剪切力平衡液膜重力分量得临界气速关联式，用Alves模型由式(24)(25)(26)联立求平均液膜厚度h_a，再联立式(13)或(16)判定液膜达到携硫临界态对应之气速；求解采用递增气量与液膜厚度并满足动量平衡与临界条件的迭代流程。3.1节“实验数据验证”显示，48组数据模型预测与实测接近，MAPE 2.28%，R²优于Guo模型与Zhu Guo模型，RMSE与MAPE更低，因新模型计入气液界面剪切力与液滴破碎临界韦伯数（Weber number, W_e≈50）约束。3.2节“气井实例计算分析”中，PG102-X井（2023-12-26录井：油压8.2 MPa、套压5.4 MPa、日产气34.2×10⁴ m³/d、日产水6.45 m³/d、地温130 ℃、H₂S 6.7%）地表流速4.66 m/s，最大硫滴径0.6 mm；沿井深临界气速在0–4300 m直井段随深增，约4700 m（倾角约30°）达最大，更深陡倾段递减；实际产量曲线与临界曲线在约4000 m相交，其下临界值大于实产，预示4000 m以下硫沉积，与现场堵塞吻合。

讨论与结论翻译部分，研究人员基于环空液膜硫粒受力建立直井与倾斜管携硫临界液速模型，Wang Zhizhong数据验证误差<10%，临界液速随倾角与粒径变化规律与文献一致。基于“气驱液膜-液膜驱硫”机理，由液膜与气芯受力及动量守恒推得临界气体流速理论模型，48组实验平均相对误差1.8%。以普光气田定向井PG102-X为例，沿井筒临界气速变化计算表明4000 m以下易沉积，与现场观测完全一致，证实模型可靠。该研究为高硫产水气井携硫临界流速预测与硫沉积防控提供了适用直井/水平井/定向井的工程计算依据，论文发表于《Processes》。