柱塞气举井柱塞上行阶段液体段塞界面跟踪方法

摘要

本发明公开了柱塞气举井柱塞上行阶段液体段塞界面跟踪方法，包括以下步骤：(1)准备油藏产出液物性参数、地层温度梯度和井身结构参数，指定时间步长、初始网格步长和计算收敛精度值；(2)离散液体段塞,构建液体段塞微元描述链表，并初始化链表参数；(3)计算油管中液体段塞上行阶段的运动过程，获得液体段塞界面位置，当液体段塞下界面到达井口时计算结束。本发明中的柱塞气举井柱塞上行阶段液体段塞界面跟踪方法，可以准确计算柱塞气举井生产过程中柱塞上行阶段液体段塞运行情况和界面位置，可应用于大斜度井柱塞气举过程数值模拟计算，为柱塞气举井工艺参数优化和工作制度调整提供技术支撑。

权利要求

1.柱塞气举井柱塞上行阶段液体段塞界面跟踪方法,其特征在于：包括以下步骤:(1)准备油藏产出液物性参数、地层温度梯度和井身结构参数，指定时间步长、初始网格步长和计算收敛精度值；

(2)根据指定初始网格步长，将液体段塞划分为多个微元，从液体段塞顶端依次向下构建液体段塞微元网格节点属性描述链表，并对节点参数进行初始化；

(3)根据指定的时间步长及微元运动动力学模型，动态计算柱塞上行阶段液体段塞的运动过程，获得不同时刻液体段塞界面位置；

所述柱塞上行阶段划分为：

液体段塞上界面到达井口之前的上升阶段和液体段塞上界面到达井口之后的产液阶段两个阶段；

所述上升阶段的计算过程为：

(5.1)根据气体状态方程计算油管上部气体压力；

(5.2)根据注气压力计算气举阀进口压力；

(5.3)根据气举阀进口压力和出口压力计算通过气举阀的质量流量；

(5.4)根据气举阀质量流量和油气层产气量计算柱塞底部气体质量；

(5.5)假定液体段塞加速度，利用微元变形附加加速度计算液体微元修正加速度；

(5.6)根据加速度计算液体段塞微元当前运行速度；

(5.7)根据液体段塞微元的物性和速度计算微元因摩擦力产生的摩阻；

(5.8)根据液体段塞微元摩阻、重力和加速度依次从液体段塞顶部开始向下计算每个微元界面压力；

(5.9)根据柱塞底部气体流动速度和液体段塞下界面压力计算柱塞底部气体底界面压力值和系统压力(5.10)根据液体段塞运动特性计算柱塞底部气体填充体积；

(5.11)根据气体填充体积与气体质量计算该时刻的柱塞底部气体的系统压力(5.12)若两个系统压力 和 的绝对差在误差允许范围内，则假定的加速度值为准确值，则执行一下步，若两个系统压力 和 的绝对差不在误差允许范围内，则返回(5.6)步重新估计加速度，重复以上步骤，直至满足误差精度要求；

(5.13)根据液体段塞微元加速度值计算各微元上界面位置、上界面压力、下界面位置、下界面压力、速度、斜深、垂深、垂直高度、井斜角；

(5.14)根据液体段塞微元垂深采用插值方式计算微元上下界面温度；

(5.15)根据计算获得液体段塞微元压力和温度计算液体段塞微元的高压物性参数；

(5.16)计算柱塞与油管之间间歇漏失液体体积；

(5.17)根据液体段塞微元体积变化情况计算形变附加加速度；

(5.18)根据漏失液体体积计算液体段塞微元体积；

(5.19)根据液体段塞微元速度值计算摩擦系数；

(5.20)根据气举阀出口压力,结合多相管流计算方法和油气井流入动态情况计算地层产液速度；

(5.21)若液体段塞上界面未达到井口则返回(5.1)步计算下一时刻界面位置，直到液体段塞上界面到达井口后完成第一阶段的计算过程；

所述产液阶段的计算过程为：

(6.1)根据第一阶段结束时井口所处微元速度计算流出井口液体体积；

(6.2)根据流出井口液体体积计算液体段塞微元体积；

(6.3)根据注气压力计算气举阀进口压力；

(6.4)根据气举阀进口压力和出口压力计算通过气举阀的质量流量；

(6.5)根据气举阀质量流量和油气层产气量计算柱塞底部气体质量；

(6.6)假定液体段塞加速度，利用微元变形附加加速度计算液体微元修正加速度；

(6.7)根据加速度计算液体段塞微元当前运行速度；

(6.8)根据液体段塞微元的物性和速度计算微元由摩擦力产生的摩阻；

(6.9)根据液体段塞微元摩阻、重力和加速度依次从液体段塞顶部开始向下计算每个微元界面压力；

(6.10)根据柱塞底部气体流动速度和液体段塞下界面压力计算气体底界面压力值和系统压力(6.11)根据液体段塞运动特性计算柱塞底部气体填充体积；

(6.12)根据气体填充体积，气体质量计算该时候的柱塞底部气体的系统压力(6.13)若两个系统压力 和 的绝对差在误差允许范围内，则假定加速度值为准确值，则执行下一步，若两个系统压力 和 的绝对差不在误差允许范围内，则返回(6.6)步重新估计加速度，重复以上步骤，直至满足误差精度要求；

(6.14)根据液体段塞微元加速度值计算各微元上界面位置、上界面压力、下界面位置、下界面压力、速度、斜深、垂深、垂直高度、井斜角；

(6.15)根据液体段塞微元垂深采用插值方式计算微元上下界面温度；

(6.16)根据计算获得液体段塞微元压力和温度计算液体段塞微元的高压物性参数；

(6.17)计算柱塞与油管之间间歇漏失液体体积；

(6.18)根据液体段塞微元体积变化情况计算形变附加加速度；

(6.19)根据漏失液体体积计算液体段塞微元体积；

(6.20)根据井口处微元速度计算流出井口液体体积；

(6.21)根据流出井口液体体积计算液体段塞微元体积；

(6.22)根据液体段塞微元速度值计算摩擦系数；

(6.23)根据气举阀出口压力,结合多相管流计算方法和油气井流入动态情况计算地层产液速度；

(6.24)若液体段塞下界面未达到井口则返回(6.2)步计算下一时刻界面位置，直到液体段塞下界面到达井口后完成所有计算过程；

所述根据漏失液体体积计算液体段塞微元体积的过程为：(7.1)若液体段塞底部微元体积Vn,t大于漏失液体体积V′，则执行(7.2)步，否则执行(7.5)步；

(7.2)修正液体段塞底部微元体积Vn,t：Vn,t＝Vn,t‑V′；

(7.3)根据修正液体段塞底部微元体积Vn,t，底部微元上界面位置计算该微元斜深、垂深、垂直高度、井斜角、下界面位置；

(7.4)根据修正液体段塞底部微元垂深采用插值方式计算微元温度，则根据漏失液体体积V′计算液体段塞底部微元体积的过程结束；

(7.5)用液体段塞底部微元体积Vn,t更新漏失液体体积V′，更新公式为：V′＝V′‑Vn,t；

(7.6)从液体段塞微元网格节点属性描述链表移除底部微元节点，链表节点数减1；

(7.7)若更新后的V′值等于零，根据漏失液体体积V′计算液体段塞底部微元体积的过程结束；否则用更新后的V′值代替原漏失液体体积V′后返回(7.1)重复计算，直至根据漏失液体体积V′计算液体段塞底部微元体积的过程结束；

所述根据流出井口液体体积计算液体段塞微元体积的过程为：(8.1)若液体段塞上部微元体积V1,t大于流出井口液体体积Vflow，则执行(8.2)步，否则执行(8.4)步；

(8.2)修正液体段塞上部微元体积V1,t：V1,t＝V1,t‑Vflow；

(8.3)将液体段塞上部微元上界面位置设置为零，根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积的过程结束；

(8.4)用液体段塞上部微元体积V1,t更新流出井口液体体积Vflow，更新公式为：Vflow＝Vflow‑V1,t；

(8.5)从液体段塞微元网格节点属性描述链表移除上部微元节点，链表节点数减1；

(8.6)若更新后的Vflow值等于零，根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积的过程结束；否则用更新后的Vflow值代替原流出井口液体体积Vflow后返回(8.1)重复计算，直至完成根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积的过程。

2.根据权利要求1所述的柱塞气举井柱塞上行阶段液体段塞界面跟踪方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述微元为：微元为动态的、随液柱上行一起运动的，当液体段塞上界面到达井口之前每一时刻微元数量由油管与柱塞间隙漏失液体体积变化确定，当液体段塞上界面到达井口后，每一时刻微元数量受由井口流出液体体积和油管与柱塞间隙漏失液体体积确定。

3.根据权利要求1所述的柱塞气举井柱塞上行阶段液体段塞界面跟踪方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述链表为：链表为线性表，每个节点结构体包含微元的斜深、垂深、垂直高度、微元长度、井斜角、上界面位置、上界面温度、上界面压力、下界面位置、下界面温度、下界面压力、流体体积、流体密度、含气率、含水率、摩擦系数、加速度、液体形变附加加速度、速度、指向上一节点的结构体地址和指向下一个节点的结构体地址成员。

说明书

柱塞气举井柱塞上行阶段液体段塞界面跟踪方法

技术领域

[0001] 本发明属于石油天然气开采技术领域,特别涉及柱塞气举井上行阶段液体段塞界面的跟踪方法。技术背景

[0002] XX油田XX‑X人工岛目前是全国规模最大的滩海整体气举采油平台，平台有气举采油井有100余口，平均井斜45度，最大井斜65度。随着XX油田的不断开发，地层能量不断下降，油井供液能力逐渐下降，常规气举或常规间歇气举的气体滑脱损失和液体的回落导致的油井产量低，气举效率低；另外，对于低产液井，油井结蜡严重，常规机械清蜡周期短，耗费人力多、成本高，加剧了单井长期投资成本。

[0003] 柱塞气举是在举升过程中柱塞作为气体和液体段塞之间的固体界面起到密封作用，以防止气体的窜流同时减少液体滑脱的举升方法。柱塞气举工艺可用于气举采油和排水采气。柱塞气举技术，能够实现降低注气量、提高气举效率、油井清蜡的多项技术功能，是接替连续气举油井后期开采最有效的方式。近年，XX油田为解决XX‑X人工岛气举井后期生产低效问题，对柱塞气举进行攻关研究，本发明内容为其中一项研究成果。

[0004] 柱塞在井筒内的运动情况是一个周期性的循环过程。可以近似认为柱塞的每一个运行周期都是相同的，可以选取一个运行周期，对其运动过程进行受力分析，建立柱塞运行的动力学模型，通过计算，获得柱塞运行时的位移、速度、加速度、界面位置等参数间的变化关系，由此分析柱塞的举升效果。柱塞上行阶段液体段塞界面位置是最为重要的一个参数，该参数计算的准确性直接影响分析效果精度。2013年1月发表于《江汉石油职工大学学报》第26卷第1期1‑5页的文章《大牛地气田柱塞气举动态模型的研究与应用》根据质量守恒和动量守恒原理,在研究了柱塞和液体段塞的运动特征的基础上,建立了多种因素影响下的柱塞和液体段塞运动模型，该模型为大牛地气田的柱塞举升工艺参数优化提供依据。2007年9月发表于《钻采工艺》第30卷第5期62‑64页的文章《柱塞气举全过程动力学模拟研究》，应用质量和动量守恒定律,依据举升中的动力学分析,建立全过程举升动力学模型,能够研究柱塞举升过程中的柱塞位置、速度、加速度、压力等参数的变化规律及各参数间的变化关系.通过编制计算机程序,预测举升过程中各关键参数的变化规律及系统动态特征,为柱塞气举设计提供了一种计算途径。2005年7月发表于《石油学报》第26卷第4期88‑92页的文章《柱塞气举动态模型的建立》，利用动量平衡方程,研究了柱塞和液体段塞的运动特征,建立了多种影响因素下的柱塞和液体段塞运动方程,编制了柱塞气举动态模型计算程序.为柱塞气举优化设计提供了理论基础。这些理论研究与应用推动了柱塞气举技术发展，也解决一些油田开采难题，但目前公开发表文献中都将液体段塞视为一个整体研究，未考液体段塞上行时井斜、压力和温度变化对压力损失和液体段塞体积的影响，这些模型并不适用于大斜度井柱塞气举过程分析。因此，目前需要一种在柱塞上行时考虑井斜、压力和温度变化对压力损失和液体段塞体积影响的液体段塞界面追踪方法，以更好地指导大斜度井柱塞气举工艺设计和参数优化。

发明内容

[0005] 本发明的目为解决考虑柱塞上行时井斜、压力和温度变化对压力损失和液体段塞体积影响条件下的液体段塞界面追踪问题，实现了对柱塞上行阶段的动态模拟和分析，定量分析模拟了柱塞气举上行阶段的动态运行情况，绘制了柱塞气举柱塞上行阶段液体段塞界面位置与时间定量关系图，可在图中查到不同时间液体段塞界面位置，为柱塞气举井工艺参数优化和工作制度调整提供技术支撑，取得更好的经济效益。

[0006] 本发明的技术方案说明如下。

[0007] 柱塞气举井柱塞上行阶段液体段塞界面跟踪方法,其特征在于：包括以下步骤：

[0008] (1)准备油藏产出液物性参数、地层温度梯度和井身结构参数，指定时间步长、初始网格步长和计算收敛精度值；

[0009] (2)根据指定初始网格步长，将液体段塞划分为多个微元，从液体段塞顶端依次向下构建液体段塞微元网格节点属性描述链表；并对节点参数进行初始化；

[0010] (3)根据指定的时间步长及微元运动动力学模型，动态计算柱塞上行阶段液体段塞的运动过程，获得不同时刻液体段塞界面位置。

[0011] 所述步骤(2)中，所述微元为：

[0012] 微元为动态的、随液柱上行一起运动的，当液体段塞上界面到达井口之前每一时刻微元数量随油管与柱塞间隙漏失液体体积变化，当液体段塞上界面到达井口后，每一时刻微元数量受由井口流出液体体积和油管与柱塞间隙漏失液体体积确定。

[0013] 所述步骤(2)中，所述链表为：

[0014] 链表为线性表，每个节点结构体包含微元的斜深、垂深、垂直高度、微元长度、井斜角、上界面位置、上界面温度、上界面压力、下界面位置、下界面温度、下界面压力、流体体积、流体密度、含气率、含水率、摩擦系数、加速度、液体形变附加加速度、速度、指向上一节点的结构体地址和指向下一个节点的结构体地址成员。

[0015] 所述步骤(3)中，所述柱塞上行阶段划分为：

[0016] 液体段塞上界面到达井口之前的上升阶段和液体段塞上界面到达井口之后的产液阶段两个阶段。

[0017] 所述上升阶段的计算过程为：

[0018] (5.1)根据气体状态方程计算油管上部气体压力；

[0019] (5.2)根据注气压力计算气举阀进口压力；

[0020] (5.3)根据气举阀进口压力和出口压力计算通过气举阀的质量流量；

[0021] (5.4)根据气举阀质量流量和油气层产气量计算柱塞底部气体质量；

[0022] (5.5)假定液体段塞加速度，利用微元变形附加加速度计算液体微元修正加速度；

[0023] (5.6)根据加速度计算液体段塞微元当前运行速度；

[0024] (5.7)根据液体段塞微元的物性和速度计算微元因摩擦力产生的摩阻；

[0025] (5.8)根据液体段塞微元摩阻、重力和加速度依次从液体段塞顶部开始向下计算每个微元界面压力；

[0026] (5.9)根据柱塞底部气体流动速度和液体段塞下界面压力计算柱塞底部气体底界面压力值和系统压力

[0027] (5.10)根据液体段塞运动特性计算柱塞底部气体填充体积；

[0028] (5.11)根据气体填充体积与气体质量计算该时刻的柱塞底部气体的系统压力[0029] (5.12)若两个系统压力 和 的绝对差在误差允许范围内，则假定的加速度值为准确值，则执行一下步，若两个系统压力 和 的绝对差不在误差允许范围内，则返回(5.6)步重新估计加速度，重复以上步骤，直至满足误差精度要求；

[0030] (5.13)根据液体段塞微元加速度值计算各微元上界面位置、上界面压力、下界面位置、下界面压力、速度、斜深、垂深、垂直高度、井斜角；

[0031] (5.14)根据液体段塞微元垂深采用插值方式计算微元上下界面温度；

[0032] (5.15)根据计算获得液体段塞微元压力和温度计算液体段塞微元的高压物性参数；

[0033] (5.16)计算柱塞与油管之间间歇漏失液体体积；

[0034] (5.17)根据液体段塞微元体积变化情况计算形变附加加速度；

[0035] (5.18)根据漏失液体体积计算液体段塞微元体积；

[0036] (5.19)根据液体段塞微元速度值计算摩擦系数；

[0037] (5.20)根据气举阀出口压力,结合多相管流计算方法和油气井流入动态情况计算地层产液速度；

[0038] (5.21)若液体段塞上界面未达到井口则返回(5.1)步计算下一时刻界面位置，直到液体段塞上界面到达井口后完成第一阶段的计算过程。

[0039] 所述产液阶段的计算过程为：

[0040] (6.1)根据第一阶段结束时井口所处微元速度计算流出井口液体体积；

[0041] (6.2)根据流出井口液体体积计算液体段塞微元体积；

[0042] (6.3)根据注气压力计算气举阀进口压力；

[0043] (6.4)根据气举阀进口压力和出口压力计算通过气举阀的质量流量；

[0044] (6.5)根据气举阀质量流量和油气层产气量计算柱塞底部气体质量；

[0045] (6.6)假定液体段塞加速度，利用微元变形附加加速度计算液体微元修正加速度；

[0046] (6.7)根据加速度计算液体段塞微元当前运行速度；

[0047] (6.8)根据液体段塞微元的物性和速度计算微元由摩擦力产生的摩阻；

[0048] (6.9)根据液体段塞微元摩阻、重力和加速度依次从液体段塞顶部开始向下计算每个微元界面压力；

[0049] (6.10)根据柱塞底部气体流动速度和液体段塞下界面压力计算气体底界面压力值和系统压力

[0050] (6.11)根据液体段塞运动特性计算柱塞底部气体填充体积；

[0051] (6.12)根据气体填充体积，气体质量计算该时候的柱塞底部气体的系统压力[0052] (6.13)若两个系统压力 和 的绝对差在误差允许范围内，则假定加速度值为准确值，则执行下一步，若两个系统压力 和 的绝对差不在误差允许范围内，则返回(6.6)步重新估计加速度，重复以上步骤，直至满足误差精度要求；

[0053] (6.14)根据液体段塞微元加速度值计算各微元上界面位置、上界面压力、下界面位置、下界面压力、速度、斜深、垂深、垂直高度、井斜角；

[0054] (6.15)根据液体段塞微元垂深采用插值方式计算微元上下界面温度；

[0055] (6.16)根据计算获得液体段塞微元压力和温度计算液体段塞微元的高压物性参数；

[0056] (6.17)计算柱塞与油管之间间歇漏失液体体积；

[0057] (6.18)根据液体段塞微元体积变化情况计算形变附加加速度。

[0058] (6.19)根据漏失液体体积计算液体段塞微元体积；

[0059] (6.20)根据井口处微元速度计算流出井口液体体积；

[0060] (6.21)根据流出井口液体体积计算液体段塞微元体积；

[0061] (6.22)根据液体段塞微元速度值计算摩擦系数；

[0062] (6.23)根据气举阀出口压力,结合多相管流计算方法和油气井流入动态情况计算地层产液速度；

[0063] (6.24)若液体段塞下界面未达到井口则返回(6.2)步计算下一时刻界面位置，直到液体段塞下界面到达井口后完成所有计算过程。

[0064] 所述根据漏失液体体积计算液体段塞微元体积的过程为：

[0065] (7.1)若液体段塞底部微元体积Vn,t大于漏失液体体积V′，则执行(7.2)步，否则执行(7.5)步；

[0066] (7.2)修正液体段塞底部微元体积Vn,t：Vn,t＝Vn,t‑V′；

[0067] (7.3)根据修正液体段塞底部微元体积Vn,t，底部微元上界面位置计算该微元斜深、垂深、垂直高度、井斜角、下界面位置；

[0068] (7.4)根据修正液体段塞底部微元垂深采用插值方式计算微元温度，则根据漏失液体体积V′计算液体段塞底部微元体积的过程结束；

[0069] (7.5)用液体段塞底部微元体积Vn,t更新漏失液体体积V′，更新公式为：V′＝V′‑Vn,t；

[0070] (7.6)从液体段塞微元网格节点属性描述链表移除底部微元节点，链表节点数减1；

[0071] (7.7)若更新后的V′值等于零，根据漏失液体体积V′计算液体段塞底部微元体积的过程结束；否则用更新后的V′值代替原漏失液体体积V′后返回(7.1)重复计算，直至根据漏失液体体积V′计算液体段塞底部微元体积的过程结束。

[0072] 所述根据流出井口液体体积计算液体段塞微元体积的过程为：

[0073] (8.1)若液体段塞上部微元体积V1,t大于流出井口液体体积Vflow，则执行(8.2)步，否则执行(8.4)步；

[0074] (8.2)修正液体段塞上部微元体积V1,t：V1,t＝V1,t‑Vflow；

[0075] (8.3)将液体段塞上部微元上界面位置设置为零，根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积的过程结束；

[0076] (8.4)用液体段塞上部微元体积V1,t更新流出井口液体体积Vflow，更新公式为：Vflow＝Vflow‑V1,t；

[0077] (8.5)从液体段塞微元网格节点属性描述链表移除上部微元节点，链表节点数减1；

[0078] (8.6)若更新后的Vflow值等于零，根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积的过程结束；否则用更新后的Vflow值代替原流出井口液体体积Vflow后返回(8.1)重复计算，直至完成根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积的过程。

附图说明

[0079] 图1是柱塞气举井上行阶段液体段塞界面跟踪方法的主要流程路线图。

[0080] 图2是柱塞气举井上行阶段液体段塞上界面到达井口之前的上升阶段示意图。

[0081] 图3是柱塞气举井上行阶段液体段塞上界面到达井口之后的产液阶段示意图。

[0082] 图4是本发明计算出的柱塞气举柱塞上行阶段液体段塞界面位置与时间定量关系图。

具体实施方式

[0083] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0084] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。参考图1所示，为本发明提供一种柱塞气举井柱塞上行阶段液体段塞界面跟踪方法，包括如下步骤：

[0085] (1)获取油藏产出液物性参数、地层温度梯度和井身结构参数，指定时间步长、初始网格步长和计算收敛精度值。

[0086] 通过油田开发资料、钻井资料、投产设计资料，获得的基本参数包括：油藏深度、IPR曲线数据、地层温度、含水率、生产气油比、油气水相对密度、井口温度、井口流压、套压、井眼轨迹数据、油管内表面粗糙度、油管外表面粗糙度，油管直径、油管壁厚、套管下入深度、套管内表面粗糙度、套管直径、气举阀孔径、气举阀启动压差、气举阀位置、气举阀关闭压力、柱塞卡定器位置、柱塞长度、柱塞直径、柱塞质量、注气压力、和单周期举升液体段塞标况高度。

[0087] 根据用户计算精度和效率要求，设定计算时间步长、初始网格单元步长和计算收敛精度值。

[0088] (2)根据指定初始网格步长，将液体段塞划分为多个微元，从液体段塞顶端依次向下构建液体段塞微元网格节点属性描述链表；并对节点参数进行初始化。

[0089] 2‑1)构建链表节点结构体。

[0090] 链表为线性表，每个节点结构体包含微元的斜深、垂深、垂直高度、微元长度、井斜角、上界面位置、上界面温度、上界面压力、下界面位置、下界面温度、下界面压力、流体体积、流体密度、含气率、含水率、摩擦系数、加速度、液体形变附加加速度、速度、指向上一节点的结构体地址和指向下一个节点的结构体地址成员。

[0091] 2‑2)初始化链表节点参数。

[0092] 液体段塞微元速度、加速度、形变附加加速度均为零，液体段塞微元物性参数、体积、微元界面位置的计算方法为本技术领域的人员所熟知，本说明不再详述。

[0093] 计算液体段塞上界面的压力,其计算公式为：

[0094]

[0095] 上式中，P上界面为液体段塞上界面压力(单位MPa)，Pt为油井井口流压(单位MPa)，rg为天然气相对密度(无因次)，Δh为液体段塞上部天然气垂直高度(单位m)，Tavg为液体段塞上部天然气平均温度(单位K)，Zavg(单位m)为液体段塞上部天然气平均压缩因子(无因次)；

[0096] 计算液体段塞微元界面压力，其计算公式为：

[0097]

[0098]

[0099] 上式中，i为液体段塞微元界面标号，i和i+1界面所在微元标号为i+1，P为微元界3 3
面压力(单位MPa)， 为微元液体密度(单位Kg/m)， 为微元水密度(单位Kg/m)，
3
为微元油密度(单位Kg/m)， 为微元垂直高度(单位m)，fw为微元液体含水率(无因次)；

[0100] (3)根据柱塞气举井上行阶段井口产物的不同，可将上行阶段划分为两个阶段：液体段塞上界面到达井口之前的上升阶段和液体段塞上界面到达井口之后的产液阶段。其中：

[0101] 液体段塞上界面到达井口之前的上升阶段为第一阶段，如图2所示，气体从油套环空注入，通过气举阀进入柱塞底部油管，在油管中形成气腔并持续膨胀，推动柱塞和液体段塞上升，同时由于柱塞与油管壁之间存在间隙一部分液体回落，液体段塞总质量逐渐减少，液体段塞上界面到达井口时，该阶段结束。

[0102] 液体段塞上界面到达井口之后的产液阶段为第二阶段，如图3所示，液体从井口流出，液体压头快速减少，液体段塞和柱塞快速上升，当柱塞到达井口时，该阶段结束.另外，柱塞与油管壁之间存在液体回落，也对液体总质量产生影响。

[0103] 在本申请实施例中，假设井筒内温度梯度是不变的，即温度场是稳定的，液体段塞微元节点温度由井口和地层温度插值确定，注入气体是真实气体而不是理想气体；液体为可压缩流体；油气藏流入动态参数已知；一般情况下柱塞长度远小于举升液体段塞，因此把柱塞与油管的摩阻视为等长的液段与油管的摩阻；油井井口压力给定；液体段塞上行过程中析出气体与液体均匀混合，无滑脱效应。在假设条件和初始状态明确的前提下，可动态计算柱塞气举举升阶段的运动过程，获得液体段塞的界面位置。

[0104] (4)在本申请实施例中，上升阶段的计算过程为：

[0105] 4‑1)井口生产闸门打开，油气井所处平衡状态打破，上升阶段开始；

[0106] 4‑2)根据气体状态方程计算油管上部气体压力；

[0107] 4‑3)根据注气压力计算气举阀进口压力，计算公式如下：

[0108]

[0109] 上式中，Pin为气举阀进口压力(单位MPa)，Pc为注气压力(单位MPa)，rg为天然气相对密度(无因次)，Δhc为气举阀进口处垂直深度(单位m)，Tc,avg为油套环空平均温度(单位K)，Zc,avg为油套环空天然气平均压缩因子(无因次)；

[0110] 4‑4)根据气举阀进口压力Pin和出口压力Pout,g计算通过气举阀的质量流量qmg，计算公式如下：

[0111] 当 时，

[0112]

[0113] 当 时，

[0114]

[0115]

[0116] 上式中，Pin为气举阀进口压力(单位MPa)，Pout,g为气举阀出口压力(单位MPa)，qsc3
为通过气举阀的标准体积流量(单位m/d)，k为天然气绝热指数(无因次)，d为气举阀阀孔直径(单位mm)，rg为天然气相对密度(无因次),Δhc为气举阀进口处垂直深度(单位m)，T为气举阀进口断面气体温度(单位K)，Z为气举阀进口断面处天然气平均压缩因子(无因次)，
3
ρair为标准空气密度(单位kg/m),qmg为通过气举阀的质量流量(单位kg/s)；

[0117] 4‑5)根据气举阀质量流量qmg和油气层产气量计算柱塞底部气体质量 计算公式如下：

[0118]

[0119] 上式中， 为当前柱塞底部气体质量(单位kg)， 为上一时间段柱塞底部气体质量(单位kg)，qmg为通过气嘴的质量流量(单位kg/s)， 为上一时间段油气层产气3 3
速度(单位m /s)， 为上一时间段油气层产气密度(单位kg/m),Δt为时间步长(单位s)；

[0120] 4‑6)估计液体段塞加速度a，液体微元修正加速度 其中 为上一时间段微元形变附加加速度，加速度上向为正；

[0121] 4‑7)根据加速度计算液体段塞微元当前运行速度vi,t＝vi,t‑1+ai·Δt，；其中vi,t‑1为上一时间段微元运动速度；

[0122] 4‑8)根据液体段塞微元的物性和速度计算微元由摩擦力产生的摩阻ΔPif，计算公式如下：

[0123]

[0124] 上式中，i为液体段塞微元界面标号，i和i+1界面所在微元标号为i+1，ΔPif为微元摩擦力产生摩阻(单位MPa)，fi为微元摩擦损失系数(无因次)，Li为微元长度(单位m)，ρi为3
微元密度(单位kg/m),vi,t为微元速度(单位m/s)，Dt为油管内直经(单位m)，g为重力加速度
2
(单位m/s)；

[0125] 4‑9)根据液体段塞微元摩阻ΔPif、重力和加速度依次从液体段塞上部开始向下计算每个微元界面压力值Pi，计算公式如下：

[0126]

[0127] 上式中，i为液体段塞微元界面标号，i和i+1界面所在微元标号为i+1，Pi+1为微元界面i+1处的压力(单位MPa)，Pi为微元界面i处的压力(单位MPa)， 为微元i+1摩擦产生2
的水头压力损失(单位MPa)，mi+1为微元i+1质量(单位kg)，ai+1为微元i+1加速度(单位m /
2
s)，θi+1微元i+1处井斜角(单位弧度)，g为重力加速度(单位m /s)，At为油管横截面面积(单
2
位m)；

[0128] 4‑10)根据气体速度和液体段塞下界面压力值计算液体段塞底部气体底界面压力值Pd,g和系统压力 计算公式如下：

[0129]

[0130]

[0131] 上式中，Pd,g为底部气体底界面压力值(单位MPa)，Pn为液体段塞下界面压力值(单位MPa)，fd,g为底部气体的摩擦系数(无因次)，Ld,g为底部气体长度(单位m)，ρd,g为底部气体3
密度(单位kg/m),vd,g为底部气体运动速度(单位m/s)，Dt为油管内直经(单位m)，g为重力加
2
速度(单位m/s)， 为底部气体的系统压力(单位MPa)；

[0132] 4‑11)根据液体段塞运动特性计算柱塞底部气体体积 计算公式如下：

[0133]3

[0134] 上式中， 为当前底部气体体积(单位m)， 为上一时刻底部气体体积(单位3 2
m)，vn为液体段塞下部微元运行速度(单位m/s)，At为油管横截面面积(单位m)，Δt为时间
3
步长(单位s)， 为上一时刻地层产液量速度(单位m/s)，V′为上一时刻漏失液体体积
3
(单位m)；

[0135] 4‑12)根据气体体积和气体质量计算该时刻的柱塞底部气体的系统压力 计算公式如下：

[0136]

[0137] 上式中， 为柱塞底部气体的系统压力(单位MPa)，md,g为柱塞底部气体质量(单位kg)， 为柱塞底部气体平均温度(单位K)， 为柱塞底部气体天然气平均压缩因子(无因3
次)， 为当前底部气体体积(单位m)，Mg为柱塞底部气体摩尔质量(单位kg/kmol)，R为通用气体常量，其值为0.008314(单位 )；

[0138] 4‑13)若两个系统压力 和 的绝对差在误差允许范围内，则假定加速度值为准确值，则执行下一步，若两个系统压力 和 的绝对差不在误差允许范围内，返回4‑6步重新估计加速度，重复以上步骤，直至满足误差精度要求；

[0139] 4‑14)根据液体段塞微元加速度值计算各微元上界面位置、上界面压力、下界面位置、下界面压力、速度、斜深、垂深、垂直高度、井斜角；

[0140] 4‑15)根据液体段塞微元垂深采用插值方式计算微元上下界面温度；

[0141] 4‑16)计算液体段塞微元的高压物性参数；

[0142] 4‑17)计算柱塞于油管之间间歇漏失液体体积V′：计算公式如下：

[0143]

[0144]

[0145] 上式中，Qlost为漏失流速(单位m3/s)，π为圆周率(无因次)，μp为漏失液体粘度(单3 2
位mPa·s)，ρ为漏失液体密度(单位kg/m)，g为重力加速度(单位m/s)，Ppdown为柱塞下截面压力(单位MPa)，Ppup为柱塞上截面压力(单位MPa)，Lp为柱塞长度(单位m)，rt为油管内半径(单位m)，rp为柱塞半径(单位m)，vp为柱塞运行速度(单位m/s)，Δt为时间步长(单位s)，V′
3
为该时刻漏失体积(单位m)；

[0146] 4‑18)根据液体段塞微元体积变化情况计算形变附加加速度 计算公式如下：

[0147]

[0148] 上式中， 为微元形变附加加速度(单位m2/s)，Vi,t为当前微元体积(单位m3)，3 2
Vi,t‑1为上一时刻微元体积(单位m )，At为油管横截面面积(单位m)，Δt为时间步长(单位s)；

[0149] 4‑19)根据漏失液体体积V′计算液体段塞微元体积；

[0150] 4‑20)计算摩擦系数fi，计算方式已公开出版物较多，如陈家琅，陈涛平主编的《石油气液两相管流》第二版，且为本行业人员所熟悉，不在本说明书中重复说明；

[0151] 4‑21)根据气举阀出口处压力Pd,g,结合多相管流计算方法和油气井流入动态情况计算地层产液速度Ql,pro，计算方式已公开出版较多，如罗英俊、万仁溥主编的《采油技术手册》第三版，且为本行业人员所熟悉，不在本说明书中重复说明；

[0152] 4‑22)若液体段塞上界面未达到井口则返回4‑2步计算下一时刻界面位置，直到液体段塞上界面到达井口后完成第一阶段的计算过程。

[0153] (5)在本申请实施例中，产液阶段的计算过程为：

[0154] 5‑1)根据第一阶段结束时井口所处微元速度计算流出井口液体体积Vflow；

[0155] 5‑2)根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积；

[0156] 5‑3)根据注气压力计算气举阀进口压力，计算公式如下：

[0157]

[0158] 上式中，Pin为气举阀进口压力(单位MPa)，Pc为注气压力(单位MPa)，rg为天然气相对密度(无因次),Δhc为气举阀进口处垂直深度(单位m)，Tc,avg为油套环空平均温度(单位K)，Zc,avg为油套环空天然气平均压缩因子(无因次)；

[0159] 5‑4)根据气举阀进口压力Pin和出口压力Pout,g计算气举阀质量流量qmg，计算公式如下：

[0160] 当 时，

[0161]

[0162] 当 时，

[0163]

[0164]

[0165] 上式中，Pin为气举阀进口压力(单位MPa)，Pout,g为气举阀出口压力(单位MPa)，qsc3
为通过气举阀的标准体积流量(单位m/d)，k为天然气绝热指数(无因次)，d为气举阀阀孔直径(单位mm)，rg为天然气相对密度(无因次),Δhc为气举阀进口处垂直深度(单位m)，T为气举阀进口断面气体温度(单位K)，Z为气举阀进口断面处天然气平均压缩因子(无因次)，
3
ρair为标准空气密度(单位kg/m),qmg为通过气举阀的质量流量(单位kg/s)；

[0166] 5‑5)根据气举阀质量流量qmg和油气层产气量计算柱塞底部气体质量 计算公式如下：

[0167]

[0168] 上式中， 为当前柱塞底部气体质量(单位kg)， 为上一时间段柱塞底部气体质量(单位kg)，qmg为通过气嘴的质量流量(单位kg/s)， 为上一时间段油气层产气3 3
速度(单位m /s)， 为上一时间段油气层产气密度(单位kg/m),Δt为时间步长(单位s)；

[0169] 5‑6)假定液体段塞加速度a，液体微元修正加速度 其中 为上一时间段微元形变附加加速度，加速度上向为正；

[0170] 5‑7)根据加速度计算液体段塞微元当前运行速度vi,t＝vi,t‑1+ai·Δt，；其中vi,t‑1为上一时间段微元运动速度；

[0171] 5‑8)根据液体段塞微元的物性和速度计算微元由摩擦力产生的摩阻ΔPif，计算公式如下：

[0172]

[0173] 上式中，i为液体段塞微元界面标号，i和i+1界面所在微元标号为i+1，ΔPif为微元摩擦力产生的摩阻(单位MPa)，fi为微元摩擦损失系数(无因次)，Li为微元长度(单位m)，ρi3
为微元密度(单位kg/m),vi,t为微元速度(单位m/s)，Dt为油管内直经(单位m)，g为重力加速
2
度(单位m/s)；

[0174] 5‑9)根据液体段塞微元摩阻ΔPif、重力和加速度依次从液体段塞上部开始向下计算每个微元界面压力值Pi，计算公式如下：

[0175]

[0176] 上式中，i为液体段塞微元界面标号，i和i+1界面所在微元标号为i+1，Pi+1为微元界面i+1处的压力(单位MPa)，Pi为微元界面i处的压力(单位MPa)， 为微元i+1摩擦产2
生的摩阻(单位MPa)，mi+1为微元i+1质量(单位kg)，ai+1为微元i+1加速度(单位m/s)，θi+1微
2 2
元i+1处井斜角(单位弧度)，g为重力加速度(单位m/s)，At为油管横截面面积(单位m)；

[0177] 5‑10)根据气体速度和液体段塞下界面压力值计算液体段塞底部气体底界面压力值Pd,g和系统压力 计算公式如下：

[0178]

[0179]

[0180] 上式中，Pd,g为底部气体底界面压力值(单位MPa)，Pn为液体段塞下界面压力值(单位MPa)，fd,g为底部气体的摩擦系数(无因次)，Ld,g为底部气体长度(单位m)，ρd,g为底部气体3
密度(单位kg/m),vd,g为底部气体运动速度(单位m/s)，Dt为油管内直经(单位m)，g为重力加
2
速度(单位m/s)， 为底部气体的系统压力(单位MPa)；

[0181] 5‑11)根据液体段塞运动特性计算柱塞底部气体体积 计算公式如下：

[0182]3

[0183] 上式中， 为当前底部气体体积(单位m)， 为上一时刻底部气体体积(单位3 2
m)，vn为液体段塞下部微元运行速度(单位m/s)，At为油管横截面面积(单位m)，Δt为时间
3
步长(单位s)， 为上一时刻地层产液量速度(单位m /s)，V′为上一时刻漏失液体体积
3
(单位m)；

[0184] 5‑12)根据气体体积，气体质量计算该时候的柱塞底部气体的系统压力 计算公式如下：

[0185]

[0186] 上式中， 为柱塞底部气体的系统压力(单位MPa)，md,g为柱塞底部气体质量(单位kg)， 为柱塞底部气体平均温度(单位K)， 为柱塞底部气体天然气平均压缩因子(无因3
次)， 为当前底部气体体积(单位m)，Mg为柱塞底部气体摩尔质量(单位kg/kmol)，R为通用气体常量，其值为0.008314(单位 )；

[0187] 5‑13)若两个系统压力 和 的绝对差在误差允许范围内，则假定加速度值为准确值，则执行一下步，若两个系统压力 和 的绝对差不在误差允许范围内，返回5‑6步重新估计加速度，重复以上步骤，直至满足误差精度要求；

[0188] 5‑14)根据液体段塞微元加速度值计算各微元上界面位置、上界面压力、下界面位置、下界面压力、速度、斜深、垂深、垂直高度、井斜角；

[0189] 5‑15)根据液体段塞微元垂深采用插值方式计算微元上下界面温度；

[0190] 5‑16)计算液体段塞微元的高压物性参数；

[0191] 5‑17)计算柱塞于油管之间间歇漏失液体体积V′：计算公式如下：

[0192]

[0193]

[0194] 上式中，Qlost为漏失流速(单位m3/s)，π为圆周率(无因次)，μp为漏失液体粘度(单3 2
位mPa·s)，ρ为漏失液体密度(单位kg/m)，g为重力加速度(单位m/s)，Ppdown为柱塞下截面压力(单位MPa)，Ppup为柱塞上截面压力(单位MPa)，Lp为柱塞长度(单位m)，rt为油管内半径(单位m)，rp为柱塞半径(单位m)，vp为柱塞运行速度(单位m/s)，Δt为时间步长(单位s)，V′
3
为该时刻漏失体积(单位m)；

[0195] 5‑18)根据液体段塞微元体积变化情况计算形变附加加速度 计算公式如下：

[0196]

[0197] 上式中， 为微元形变附加加速度(单位m2/s)，Vi,t为当前微元体积(单位m3)，3 2
Vi,t‑1为上一时刻微元体积(单位m )，At为油管横截面面积(单位m)，Δt为时间步长(单位s)。

[0198] 5‑19)根据漏失液体体积V′计算液体段塞微元体积；

[0199] 5‑20)根据井口处微元速度计算流出井口液体体积Vflow；

[0200] 5‑21)根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积；

[0201] 5‑22)计算摩擦系数，计算方式已公开出版物较多，如陈家琅，陈涛平主编的《石油气液两相管流》第二版，且为本行业人员所熟悉，不在本说明书中重复说明；

[0202] 5‑23)根据气举阀出口处压力Pd,g,结合多相管流计算方法和油气井流入动态情况计算地层产液速度Ql,pro，计算方式已公开出版物较多，如罗英俊、万仁溥主编的《采油技术手册》第三版，且为本行业人员所熟悉，不在本说明书中重复说明；

[0203] 5‑24)若液体段塞下界面未达到井口则返回5‑3步计算下一时刻界面位置，直到液体段塞下界面到达井口后完成第二阶段的计算过程。

[0204] (6)在本申请实施例中，液体段塞举升时的第一阶段上升阶段和第二阶段产液阶段计算过程中根据漏失液体体积V′计算液体段塞微元体积过程为：

[0205] 6‑1)若液体段塞底部微元体积Vn,t大于漏失液体体积V′，则执行6‑2步，否则执行6‑5步；

[0206] 6‑2)修正液体段塞底部微元体积Vn,t，计算公式如下：

[0207] Vn,t＝Vn,t‑V′

[0208] 6‑3)根据修正液体段塞底部微元体积Vn,t和底部微元上界面位置计算该微元斜深、垂深、垂直高度、井斜角、下界面位置；

[0209] 6‑4)根据修正液体段塞底部微元垂深采用插值方式计算微元温度，则根据漏失液体体积V′计算液体段塞微元体积的过程结束；

[0210] 6‑5)用液体段塞底部微元体积Vn,t更新漏失液体体积V′，更新公式为：

[0211] V′＝V′‑Vn,t

[0212] 6‑6)在液体段塞微元网格节点属性描述链表中移除底部微元节点，链表节点数减1；

[0213] 6‑7)若更新后的V′值等于零，根据漏失液体体积V′计算液体段塞底部微元体积的过程结束；否则用更新后的V′值代替原漏失液体体积V′后返回6‑1重复以上计算，直至完成根据漏失液体体积V′计算液体段塞底部微元体积的过程结束。

[0214] (7)在本申请实施例中，液体段塞上行时的第二阶段产液阶段计算过程中根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积的过程为：

[0215] 7‑1)若液体段塞上部微元体积V1,t大于流出井口液体体积Vflow，则执行7‑2步，否则执行7‑4步；

[0216] 7‑2)修正液体段塞上部微元体积V1,t，计算公式如下：

[0217] V1,t＝V1,t‑Vflow

[0218] 7‑3)将液体段塞上部微元上界面位置设置为零，根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积的过程结束；

[0219] 7‑4)用液液体段塞上部微元体积V1,t更新流出井口液体体积Vflow，更新公式为：

[0220] Vflow＝Vflow‑V1,t

[0221] 7‑5)从液体段塞微元网格节点属性描述链表中移除上部微元节点，链表节点数减1；

[0222] 7‑6)若更新后的Vflow值等于零，根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积的过程结束；否则用更新后的Vflow值代替原流出井口液体体积Vflow后返回7‑1重复以上计算，直至完成根据流出井口液体体积Vflow计算液体段塞微元体积的过程。

[0223] 本实施例1中，通过XX油田XX‑X井的实测数据，结合陈家琅，陈涛平主编的《石油气液两相管流》第二版所提供流体物性计算方法，使用本发明计算出了柱塞气举柱塞上行阶段液体段塞界面位置与时间定量关系。

[0224] 表1 XX油田XX‑X井流体相对密度参数表

[0225]原油相对密度 0.8
天然气相对密度 0.70
地层水相对密度 1.01

[0226] 表2 XX油田XX‑X井油藏及工艺参数表

[0227]油藏温度 120℃ 地面温度 10℃
油藏深度 2500m 含水率 40％
油管内径 0.062m 柱塞相对粗糙度 0.00001
油管外径 0.073m 柱塞质量 5kg
柱塞长度 0.4m 气举阀位置 2300m
3
设计产液量 14m/d 卡定器位置 1600m
3
油套管相对粗糙度 0.00005 注气量 8000m/d
生产气油比 110 液体段塞标况高度 360m
井口流压 1.5MPa 注气压力 8.5MPa

[0228] 表3 XX油田XX‑X井油藏流入动态参数曲线数据表

[0229]序号 流压(MPa) 流量(m3/d)
1 0.00 22.00
2 1.00 21.50
3 4.70 19.00
4 6.60 18.00
5 10.00 14.00
6 18.00 0.00

[0230] 表4 XX油田XX‑X井完井套管数据表

[0231]

[0232] 表5 XX油田XX‑X井井斜数据表

[0233]

[0234]

[0235]

[0236] 通过XX油田XX‑X井的实测表1至表5的数据，使用本发明计算出了柱塞气举柱塞上行阶段液体段塞界面位置与时间定量关系，结果如图4。