天然氣井渦流工具排水采氣數(shù)值模擬

王春生，田明磊，徐玉建，董國慶，儀記敏，孟 珊

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，大慶 黑龍江 163318）

天然氣井渦流工具排水采氣數(shù)值模擬

王春生，田明磊，徐玉建，董國慶，儀記敏，孟 珊

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，大慶 黑龍江 163318）

天然氣井累積液量過多是天然氣開采所面對的一個重大問題。渦流排水工藝結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、環(huán)保高效，對解決氣井積液有很好的應(yīng)用前景。目前，針對天然氣井中渦流排水采氣機(jī)理及其內(nèi)部流體流動規(guī)律仍缺少理論方面的研究。因此，為了更深入的了解井下天然氣流場的一般規(guī)律、驗(yàn)證排液采氣機(jī)理，在此基礎(chǔ)上建立了渦流工具的三維立體模型，并使用流體動力學(xué)常用計(jì)算方法，通過使用 Fluent多相流 mixture模型對井內(nèi)流體流動進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過觀測井端出口處液體含量以及徑態(tài)分布規(guī)律，觀察氣液兩相流狀態(tài)及流動軌跡，并分析了渦流工具對天然氣井流場的影響規(guī)律。揭示渦流工具工作機(jī)理，推動認(rèn)識渦流排水采氣工藝的本質(zhì)，為工藝工況優(yōu)選提供依據(jù)和方向，為渦流排水技術(shù)的應(yīng)用及動力學(xué)模擬奠定理論基礎(chǔ)。

氣井積液；渦流排水；多相流；數(shù)值模擬

作為清潔能源，天然氣消費(fèi)量逐年激增，天然氣工業(yè)迎來迅速發(fā)展的新契機(jī)[1]。然而，深度開采天然氣所面臨的最重要問題就是氣井累積液量過多，井底累積液量過多造成天然氣井產(chǎn)液量的降低甚至停產(chǎn)，嚴(yán)重影響著氣田產(chǎn)量的高效開采，降低了天然氣井開采時間和氣藏的最終采收率[2]。針對氣井累積液量過多問題通常運(yùn)用泡排、氣舉、電潛泵、射流泵等排水采氣工藝[3]。由美國能源部開發(fā)研制的新型工藝—“渦流排水采氣工藝”在 2005年實(shí)驗(yàn)測試取得良好效果后，這種節(jié)能環(huán)保的高效排液技術(shù)進(jìn)入人們的視野[4]。到目前為止，針對渦流工具排水采氣機(jī)理，仍一直缺少理論方面的研究和證明。因此，為進(jìn)一步了解渦流工具井下流場情況，驗(yàn)證其排水采氣效果，分析并預(yù)測采用渦流排水采氣工藝的合理工況和最佳生產(chǎn)參數(shù)，本文基于計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）方法，應(yīng)用Fluent軟件對使用渦流排水采氣工藝的天然氣井進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

1 氣井?dāng)y液理論液滴模型

圖1為建立的小液滴模型，我們假設(shè)井內(nèi)氣流向上運(yùn)動時所攜帶的小液滴為球形，并對小球做受力分析，從而推導(dǎo)出井中氣流向上運(yùn)動時能攜帶小液滴運(yùn)動的最小流速公式。

圖1 球形液滴Fig.1 Spherical droplets

分析球形液滴的受力（如圖1），球形液滴在井內(nèi)受到自身重力、氣相浮力和運(yùn)動氣流向上的推力的共同作用。

氣流中液滴自身重力與浮力的矢量和G為：

運(yùn)動氣流對液滴向上的拽力F為：

式中：R—液滴半徑，m；

ρL—液相密度，kg/m3；

ρG—?dú)庀嗝芏?，kg/m3；

g—重力加速度，9.8 m/s2；

VC—?dú)怏w臨界攜液速度，m/s；

CD—流體阻力系數(shù)。

當(dāng) F=G時，氣井氣流中的液滴鉛直方向受力平衡，氣流速度為臨界攜液速度VC。

當(dāng)氣流速度VG大于等于臨界攜液速度VC時，氣井內(nèi)的氣流能夠?qū)霃綖镽的液滴攜帶到地面。

2 天然氣井渦流排水采氣工藝機(jī)理研究

此次研究是應(yīng)用SolidWord三維畫圖軟件對渦流工具進(jìn)行建模。以渦流工具及其以上20 m井筒為計(jì)算區(qū)域，按流域幾何形態(tài)差異進(jìn)行分割，采用分段式網(wǎng)格劃分原則，井筒部分采用cooper網(wǎng)格劃分方法，渦流環(huán)形空間部分及導(dǎo)流孔道部分使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分（圖 2）。在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下盡量減少網(wǎng)格數(shù)量以節(jié)省計(jì)算資源及時間。

通過氣井流場跡線圖可以看出：渦流工具與井筒形成的螺旋環(huán)形空間使得高速上行的井下氣液兩相混合流體受力旋轉(zhuǎn)。流體在螺旋環(huán)形空間得到加速，其運(yùn)動軌跡及流動狀態(tài)發(fā)生顯著變化，流體運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐脖诼菪闲小?/p>

圖2 渦流工具三維模型及部分網(wǎng)格Fig.2 Three-dimensional model and grid of vortex tools

模擬天然氣井計(jì)算條件為：氣中壓力10 MPa，氣中溫度85 ℃，油壓5 MPa，固定日產(chǎn)氣104 m3/d，井底進(jìn)液按2 m3/d計(jì)算。應(yīng)用Fluent軟件中多相流模型進(jìn)行計(jì)算，邊界條件設(shè)為質(zhì)量流速進(jìn)口和壓力出口，用壁面函數(shù)來處理壁面邊界層流場，得到如下計(jì)算結(jié)果（圖3）。

圖3 使用渦流工具氣井流場跡線圖Fig.3 The gas well flow filed chart of using vortex tools

通過氣井井筒截面液相體積分?jǐn)?shù)plot圖可以更加直觀的看出：經(jīng)渦流工具作用，氣液兩相均勻混合的流體由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用，大部分密度較大的液態(tài)流體被甩至井筒壁，井筒中心含量很少，而氣體則在井筒中心匯集向上輸運(yùn)，這有效改善了流體的密度梯度分布。井中流體轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的氣、液兩相分層旋流（圖4）。

圖4 井口截面徑向液相體積分?jǐn)?shù)分布圖Fig.4 The liquid phase volume fraction distribution of wellhead place

3 天然氣井渦流排水工況的優(yōu)選

找到適合應(yīng)用渦流排水采氣工藝的井況條件對于此工藝的現(xiàn)場應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)、測試、推廣起著重要作用。天然氣井日產(chǎn)氣能力、井底進(jìn)液量、進(jìn)液液滴直徑都對渦流排水采氣工藝提高攜液效果有著重要的影響。

3.1 日產(chǎn)氣量對排液效果的影響

天然氣井的日產(chǎn)氣量直接影響其攜液能力。固定井底進(jìn)液量2 m3/d，分別計(jì)算日產(chǎn)氣2 500、5 000、1 0000、1 5000、20 000 m3/d情況下使用渦流工具井與未使用渦流工具的普通氣井井口出液量情況。

繪制渦流排水氣井出口增液率與日產(chǎn)氣量關(guān)系曲線如圖 5。通過計(jì)算可以得出結(jié)論：渦流工具的確具備提高井中氣體攜帶液珠的能力，日產(chǎn)氣量對于其提高攜帶液體的能力有至關(guān)重要的影響。渦流工具對于提高排水效果有一個最佳的產(chǎn)氣量，此模擬條件下氣井日產(chǎn)氣104 m3/d時渦流排水工藝對于提高攜液效果最佳。當(dāng)日產(chǎn)氣量超過一定值時，不依靠渦流工具氣井自身氣流速度就已具備足夠的攜液能力完成排液，此時下入渦流工具反而會損耗氣井壓能而不利于生產(chǎn)。

圖5 出口增液率與日產(chǎn)氣量關(guān)系曲線Fig.5 The diagram of the increase of liquid velocity and the gas production rate every day

3.2 井底進(jìn)液量對排液效果的影響

天然氣井底進(jìn)液量對氣井?dāng)y液同樣有著重要影響。固定日產(chǎn)氣5 000 m3/d，分別計(jì)算井底進(jìn)液量1、2、3、4、5 m3/d情況下使用渦流工具井與未使用渦流工具的普通氣井井口出液情況（圖6）。

圖6 出口增液率與井底進(jìn)液量關(guān)系曲線Fig.6 The diagram of the increase of liquid velocity and the fluid volume of into bottom hole

通過計(jì)算結(jié)果可以得出的結(jié)論是：天然氣井井底進(jìn)液量對氣體攜液效果有著重要影響。當(dāng)井底進(jìn)液量高于3 m3/d 時，氣井中的水就已經(jīng)不能完全從井口排出，氣井積液，井口出液驟減。此時使用渦流工具可以明顯起到提高攜液的效果，且進(jìn)液量越大，出口增液率越高。井底進(jìn)液量5 m3/d時，出口增液率高達(dá)42.5%。井底進(jìn)液量低于3 m3/d時可不采用渦流排水工藝便可正常生產(chǎn)。

3.3 氣中含水液滴直徑對排液效果的影響

含水天然氣中的水主要以小液滴的形式存在，液滴粒徑的大小直接影響著小液滴聚并回落井底的幾率和氣流臨界攜液流速的大小。固定日產(chǎn)氣5 000 m3/d，井底進(jìn)液2 m3/d，分別計(jì)算進(jìn)液液滴直徑0.01，0.03mm，0.05，0.07，0.09 mm情況下渦流排水井與同條件下一般氣井井口出液量，計(jì)算不同進(jìn)液液滴直徑渦流排水工藝提高攜液的情況（圖7）。

圖7 液滴直徑與出口增液率關(guān)系曲線Fig.7 The diagram of droplet diameter and the increase of liquid velocity in the exit

通過對氣井中流體不同液滴直徑工況下使用渦流工藝排水的計(jì)算結(jié)果可得出結(jié)論：含水氣井流體中液滴直徑小于0.03 mm時，渦流工具排液效果并不顯著，甚至不如同條件未下入渦流工具的普通氣井；液滴直徑大于0.05 mm時，下入渦流工具的天然氣井比同條件普通氣井?dāng)y帶出更多液體；液滴直徑越大，即井中氣體濕度大，含水多，此時渦流排水采氣對于提高攜液效果越顯著。

4 結(jié)論及建議

本文主要運(yùn)用渦流工具對氣井進(jìn)行排水采氣并運(yùn)用流體動力學(xué)計(jì)算方法針對氣井中流體的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行模擬計(jì)算，研究分析了其內(nèi)部流場的一般規(guī)律，驗(yàn)證了渦流排水采氣的機(jī)理，并模擬計(jì)算各工況條件下渦流工具排液效果，得出以下結(jié)論和建議：

（1）氣井中的含水天然氣經(jīng)渦流工具作用，以氣液兩相分層流動的形態(tài)螺旋上行，液相集中在井筒外圍，氣體則在井筒中心流動，流體湍流強(qiáng)度減弱。

（2）應(yīng)用渦流工具的氣井與其他氣井相比氣流能攜帶出更多的液體。效果好的氣井增加排液量達(dá)10%以上。

（3）渦流排水采氣工藝可應(yīng)用于由于井筒或井底累積液量過多導(dǎo)致產(chǎn)量下降的氣井，液相粒徑大于0.05 mm時，渦流工具排水采氣效果明顯，液滴的直徑越大，提高攜液效果越好。

（4）應(yīng)用渦流排水采氣工藝要求氣井具有一定的自噴能力，即流體應(yīng)有一定的流速來保證攜液能力的提升，日產(chǎn)氣能力應(yīng)高于2 500 m3/d，日產(chǎn)氣104m3/d時，應(yīng)用此工藝排液效果最佳。

［1］金忠臣，楊川東，張守良，等. 采氣工程［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，2004.

［2］馮翠菊，王春生，張黌. 天然氣井下渦流工具排液效果影響因素分析[J]. 石油機(jī)械, 2013 (1): 78-81.

［3］樂宏，唐建榮，葛有琰，等. 排水采氣工藝技術(shù)［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，2011.

［4］ 春 蘭，魏文興 . 國內(nèi)外排水采氣工藝現(xiàn)狀［J］ .吐哈油氣，2004，9 ( 3) : 255－261.

［5］Dougherty Sr G A，F(xiàn)ehn B J，Smith T B. Apparatus and method for creating a vortex flow: US Patent 4，7，160，02［P］.2007-01-09.

Numerical Simulation of Vortex Tools Drainage Gas Recovery of Gas Wells

WANG Chun-sheng，TIAN Ming-lei，XV Yu-jian，DONG Gou-qing，YI Ji-min，MENG Shan
(Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China)

The liquid loading of gas well is an important issue in exploitation of natural gas. The technic of vortex drainage has good application prospect to solve the gas effusion because the tool is convenient to construct and it plays an important role in the protection of environment, the technic is environmental and efficient. Currently, the mechanism of the vortex drainage and the theory of fluid motion are still missing. Therefore, in order to get better understanding of the general rule of the downhole natural airflow field and verify the drainage mechanism, a three-dimensional structural model of vortex tools was established, the fluid flow was calculated by Fluent based on fluid dynamics and mixture model of multiphase. By monitoring the wellhead liquid content and radial distribution,and observing the state of the gas-liquid flow and the path line, the effect of vortex tool on gas well flow field was analyzed. The study reveals the working mechanism of vortex tools and facilitates understanding of the nature of the vortex drainage process. The paper can provide theoretical basis for application and dynamics simulation of vortex drainage technology.

Gas well liquid loading ; Vortex drainage; Multiphase flow; Numerical simulation

TE 357

A

1671-0460（2015）08-1969-03

2015-01-30

王春生（1977-），男，副教授，博士，在站博士后，現(xiàn)從事于熱流固耦合數(shù)值計(jì)算及稠油油藏開發(fā)方面的研究。電話：（0459）6503703。E-mail：wcsfcj@163.com。

田明磊，男，在讀碩士，現(xiàn)從事復(fù)雜流體計(jì)算。E-mail：454774770@qq.com。