井下渦流工具排液效果影響因素研究進(jìn)展*

任 壘，賈 然，曹正安，王 娟，李陽陽

(1.中國石化中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南濮陽 457001;2.中國石化東北油氣分公司四平采油廠，吉林四平 136000)

0 引言

氣井積液是含水氣藏開發(fā)過程中普遍面臨的一個生產(chǎn)問題。為此，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者深入分析研究了氣井井筒氣液兩相流的運動特性，并在此基礎(chǔ)上建立了一系列用于積液預(yù)測的臨界攜液流量計算模型，如Turner模型、李閩模型等［1］。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，關(guān)于井筒積液形成機理的理論研究已日趨完善，利用改進(jìn)后的臨界攜液流量計算模型可以有效判定不同井況下的井筒積液情況［2］。與此同時，圍繞氣井積液問題所開展的排水采氣工藝研究也取得了顯著進(jìn)步。特別是近年來，伴隨智能氣舉、超聲霧化、井下渦流等［3］新型排液工藝技術(shù)的相繼提出和應(yīng)用，氣井積液問題得到了切實改善。其中，渦流工具憑借結(jié)構(gòu)簡單、易操作、低成本等諸多優(yōu)勢備受行業(yè)關(guān)注，該項技術(shù)自2011年由國外引進(jìn)至今，已在我國蘇里格、徐深等多個氣田進(jìn)行了大量的現(xiàn)場試驗，排水采氣效果明顯，推廣前景十分廣闊。鑒于渦流排液采氣工藝在氣田穩(wěn)產(chǎn)、提高采收率等方面所具有的重要意義，本文綜述了該技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對其后續(xù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 渦流工具工藝原理

利用離心力場對非均相物系進(jìn)行分離是目前多領(lǐng)域廣泛使用的一項分離技術(shù)，渦流排液工藝正是基于上述技術(shù)思路發(fā)展而來的。作為一類特殊的旋流分離裝置，渦流排液工具主要依靠在其端部固定設(shè)置的螺旋導(dǎo)向葉片實現(xiàn)氣液分離的功能。當(dāng)氣液兩相流流經(jīng)渦旋變速段時，流體的流動形態(tài)和運動方式因螺旋葉片的導(dǎo)向、加速作用會隨之改變，具體表現(xiàn)為:密度較大的液態(tài)介質(zhì)受慣性離心力作用被拋甩至管壁處并以液膜形式做螺旋上升運動;密度較小的氣態(tài)介質(zhì)經(jīng)螺旋空腔流出后則以氣柱形式沿油管中心線做軸向上升運動。此時，氣液兩相流即實現(xiàn)了由紊流至層流的流態(tài)轉(zhuǎn)換。由于兩相介質(zhì)的流動通道變得相對獨立，一方面有效減少了介質(zhì)間的相互摩擦，另一方面避免了兩相流中氣體的滑脫現(xiàn)象，故油管的總壓降損失有所下降［4－6］。此外，管壁上的毛細(xì)效應(yīng)對于舉升液體也具有一定輔助作用。結(jié)合經(jīng)典流體力學(xué)理論和液滴模型分析可知，采用渦流排液工具后能夠降低氣體臨界攜液流量，提升氣井?dāng)y液能力。

2 井下渦流工具結(jié)構(gòu)及分類

2.1 工具結(jié)構(gòu)

針對油管的工況差異，井下渦流工具在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有別于地面渦流工具，主要由打撈體、渦旋變速體、導(dǎo)流體、座封器及卡具五個部分組成(圖1)。

打撈體包含魚頭和魚脖兩部分，其作用是與投放/打撈工具串相連，依靠鋼絲或測井電纜完成渦流工具的投撈作業(yè)。渦旋變速體是渦流工具的核心部件，由內(nèi)實柱體和固定的外螺旋葉片組成，主要用于誘發(fā)兩相介質(zhì)的渦流流態(tài)。導(dǎo)流體是一個上、下兩端均制有內(nèi)螺紋的中空圓柱體，分別連接渦旋變速體下部和座封器上部，柱體表面均勻分布3～4個導(dǎo)流孔道，使無規(guī)則的兩相介質(zhì)紊流進(jìn)入由渦旋變速體和油管內(nèi)壁形成的螺旋空腔。座封器是一個中空柱體，由連接段和座封頭組成，與卡具相結(jié)合共同完成渦流工具的井下定位，同時對上部結(jié)構(gòu)起到支撐作用。卡具由接箍擋環(huán)、彈簧板、卡簧和卡簧軸銷組成，接箍擋環(huán)為圓環(huán)結(jié)構(gòu)與彈簧板垂直相連。渦流工具在投放至設(shè)計深度前，上提鋼絲彈開卡簧，使其沿油管內(nèi)壁自由下滑，達(dá)到油管接箍處時擋環(huán)可自動卡扣，此時渦流工具安裝完畢。

圖1 井下渦流工具結(jié)構(gòu)圖

2.2 主要工具類型

渦流排液工具的設(shè)置深度主要根據(jù)氣井臨界攜液流量在井筒內(nèi)的出現(xiàn)位置進(jìn)行確定。研究結(jié)果表明［7］:對于產(chǎn)液量較大的氣井，臨界攜液流量通常出現(xiàn)在油管鞋處。而當(dāng)產(chǎn)液量較小時，溫度和壓力對攜液流量的影響程度會存在一個過渡，最終導(dǎo)致臨界攜液流量最大值并不一定出現(xiàn)井底附近。為了滿足上述兩種情況下的應(yīng)用需要，渦流排液工具在與油管的連接方式上進(jìn)行了針對性地調(diào)整，分別設(shè)計了安裝于油管接箍處的投撈式渦流工具(DXR型)及油管柱底部的固定式渦流工具(DX/DXI型)。投撈式渦流工具的實體結(jié)構(gòu)在上文中已有敘述，固定式渦流工具通過螺紋與油管柱底部相連。因此，現(xiàn)場應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合井況條件合理選擇相應(yīng)類型的渦流排液工具。

3 影響渦流工具排液效果的主要因素

渦流工具的現(xiàn)場試驗結(jié)果表明其排液效果受工具自身結(jié)構(gòu)參數(shù)及井況條件的共同影響?？紤]到該項技術(shù)引入的時間較短，可供借鑒的研究成果還十分有限，國內(nèi)一些學(xué)者針對這一問題開展了更為深入的專項研究。目前，CFD仿真模擬是進(jìn)行渦流工具排液效果分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要途徑，具體流程如圖2所示。其中，實體建模的方法較為多樣，借助常用的 CAD軟件如 AutoCAD、Solid-Works等即可滿足設(shè)計需求，CFD分析普遍以ANSYS Fluent軟件為主。依據(jù)圖2方法，分別從工具參數(shù)及氣井工況兩個方面對影響渦流工具排液效果的潛在因素進(jìn)行模擬分析。

圖2 渦流工具流場仿真模擬流程

3.1 工具結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

參照圖1所示的渦流工具實體結(jié)構(gòu)示意圖初步篩選出了工具各部件的潛在影響因素(見圖3)，并對其逐一分析。

圖3 渦流工具結(jié)構(gòu)影響因素

(1)打撈頭參數(shù)對排液效果的影響 直觀認(rèn)為打撈頭對兩相流流動的潛在影響主要集中在魚頭的頂角結(jié)構(gòu)，為了客觀分析頂角對排液效果的影響程度，吳丹等［8］分別模擬了工具頂角為 70°、90°、180°時的氣液兩相流動，通過對比速度曲線后發(fā)現(xiàn)不同頂角條件下同一位置處的速度變化十分微弱，故魚頭頂角對工具的排液效果影響可以忽略。因此，宜采用無頂角的結(jié)構(gòu)設(shè)計以簡化加工工序同時方便工具投放。

(2)渦旋變速體參數(shù)對排液效果的影響 作為渦旋變速體的核心組成部分，螺旋導(dǎo)向葉片的參數(shù)優(yōu)選一直是國內(nèi)學(xué)者的重點研究課題。馮翠菊等［9］、楊樹人等［10］、李雋等［11］分別研究了不同螺旋葉片尺寸下的工具排液效果，結(jié)果表明:

①螺旋角的大小對兩相介質(zhì)的分離效果影響較小，但考慮到流體流動阻力隨螺旋角減小而增大的變化規(guī)律，減小螺旋角會加劇壓降損失進(jìn)而影響持液。此外，參考國外現(xiàn)場應(yīng)用的渦流工具實際尺寸，分析認(rèn)為選用螺旋角較大的渦流工具更有利于排液。

②螺旋翼高對進(jìn)出口持液率差值的影響呈波動變化特征，徐建寧等［12］分析了翼高范圍介于1～3 mm時的進(jìn)出口持液率差值情況，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選出了1.5 mm作為最佳螺旋翼高。

③螺旋截面形狀對渦流工具的排液效果影響微弱。需要指出的是，當(dāng)工具入口流速大于0.1 m/s時，采用矩形截面的螺旋葉片更有助于排液。

④螺旋空腔內(nèi)的介質(zhì)流動空間隨渦旋變速體內(nèi)柱直徑增加而減小，由于流道變窄，介質(zhì)流速提高，更利于氣液分離，誘發(fā)的渦流流態(tài)也更加穩(wěn)定，故適當(dāng)增加內(nèi)柱直徑可以提高氣體攜液能力。

(3)座封器參數(shù)對排液效果的影響 座封頭底部入口是兩相紊流進(jìn)入渦流工具的起始界面，入口截面大小視外部油管尺寸而定。張翠婷等［13］通過對比兩種不同入口截面直徑的渦流工具發(fā)現(xiàn)單純改變?nèi)肟谥睆綄ε乓盒Ч挠绊懖⒉幻黠@。

3.2 井況條件的影響

通過統(tǒng)計加裝渦流排液工具后的氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，兩相介質(zhì)的流速及含水體積分?jǐn)?shù)是影響工具排液效果最為顯著的兩個工況因素。流場模擬分析結(jié)果顯示:介質(zhì)流速對排液效果的影響過程存在一個拐點，當(dāng)流速升至臨界值前時，排液效果逐漸變好，而后流速的變化對排液效果的影響趨于穩(wěn)定。其次，對于不同的氣井該臨界值并不恒定，需結(jié)合其他氣井參數(shù)綜合確定;對于含水體積分?jǐn)?shù)高于10%的氣井來說，含水體積分?jǐn)?shù)越高越有利于氣井排液，當(dāng)含水體積分?jǐn)?shù)低于10%時，含水體積分?jǐn)?shù)的影響十分微弱。

4 結(jié)論及展望

與傳統(tǒng)排水采氣工藝原理不同，井下渦流排液技術(shù)僅依靠氣井自身能力即可完成攜液，從而在很大程度上降低了外界干預(yù)所帶來物質(zhì)和能量損耗，同時避免了對環(huán)境的潛在污染。另外渦流工具現(xiàn)場試驗的良好效果也進(jìn)一步印證了該技術(shù)推廣應(yīng)用的可行性。作為一項頗具潛力的新興工藝，渦流排液采氣技術(shù)的相關(guān)研究尚處于初級階段，還有許多技術(shù)難題需要攻克，分析后認(rèn)為其未來的發(fā)展方向主要集中在以下幾個方面:

(1)渦流工具的適用性研究將作為一個重要的研究分支。今后應(yīng)從我國含水氣田的開發(fā)實際出發(fā)，充分考慮地層參數(shù)、井身結(jié)構(gòu)等因素的影響，力爭建立起一套完善可行的渦流工具選井原則。

(2)基于渦流工具的復(fù)合排水采氣技術(shù)研究。值得說明的是渦流排液技術(shù)仍就存在一定的局限性，特別是對于自噴能力有限的低產(chǎn)氣井而言，單純依靠渦流工具的輔助作用可能難以實現(xiàn)理想攜液，因此加強該技術(shù)與諸如泡排、氣舉等傳統(tǒng)工藝相結(jié)合的復(fù)合排水采氣研究尤為必要。

(3)工具結(jié)構(gòu)及實施方案的優(yōu)化改進(jìn)，譬如工具座放方式、安裝級數(shù)等都有待進(jìn)一步深化研究。

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