氣井渦流排液采氣工具有效作用長度

陳德春，姚亞，韓昊，付剛，宋天驕，謝雙喜

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300456）

氣井渦流排液采氣工具有效作用長度

陳德春1，姚亞1，韓昊1，付剛1，宋天驕1，謝雙喜2

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300456）

針對目前對渦流工具適用條件和工具有效作用長度認識不清，現(xiàn)場應(yīng)用與分析主要依據(jù)經(jīng)驗，進而影響使用效果等問題，運用AutoCAD和Fluent流體模擬軟件，建立渦流工具氣液兩相流場模型，研究流體旋轉(zhuǎn)強度的衰減規(guī)律，預(yù)測渦流工具有效作用長度，并分析井筒氣液狀況和工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對有效作用長度的影響。研究結(jié)果表明：流體旋轉(zhuǎn)強度的衰減規(guī)律符合對數(shù)遞減，以對數(shù)遞減公式預(yù)測的渦流工具有效作用長度介于10～100 m；流體入口速度和井筒氣液比是影響工具有效作用長度的主要因素，入口速度和氣液比增大，有效作用長度增大；槽寬為60 mm時，工具有效作用長度較大，排液效果較好；減小槽深和工具與油管之間的間隙，流體速度增大，有效作用長度增大。研究結(jié)果可為現(xiàn)場渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選和排液效果的提高提供理論依據(jù)。

排水采氣；渦流工具；有效作用長度；數(shù)值模擬；氣液狀況；結(jié)構(gòu)參數(shù)

0　引言

隨著氣藏開采程度的增加，地層壓力和產(chǎn)氣量逐漸降低，氣體攜液能力減弱，同時水侵量不斷增加，嚴重影響氣井自噴產(chǎn)量，甚至造成氣井水淹停產(chǎn)［1-3］。為提高氣井自噴排水采氣效果，美國于2004年研究出一種新型高效渦流工具。該工具將氣液兩相霧流轉(zhuǎn)換為螺旋環(huán)流，降低了流動壓力損失，減小了臨界攜液流量，提高了氣體攜液效率［4-5］，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好［6-8］。然而，渦流攜液技術(shù)的應(yīng)用超前于理論研究，國內(nèi)外研究人員對渦流工具的有效作用長度以及其影響因素，大多只給出了定性描述，工程設(shè)計與分析仍處于經(jīng)驗狀態(tài)。2012年，岳君等［9］將渦旋環(huán)膜流膜厚降低到初始膜厚5%時的流動距離設(shè)定為渦流有效距離，缺乏充分的理論依據(jù)；2015年，杜汶濃［10］通過室內(nèi)實驗研究了旋流維持的距離，但沒有將實驗條件和氣井真實生產(chǎn)參數(shù)結(jié)合起來，誤差較大。為此，筆者根據(jù)渤海G2氣井實際生產(chǎn)狀況，研究建立了渦流氣液兩相流場模型，利用Fluent軟件對渦流工具進行數(shù)值模擬，研究流體旋轉(zhuǎn)強度的衰減規(guī)律，為計算渦流工具有效作用長度打下理論基礎(chǔ)；同時，分析了井筒氣液狀況以及工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對有效作用長度的影響，為科學(xué)有效地使用該技術(shù)提供了理論依據(jù)。

1　渦流氣液兩相流場模型建立

1.1幾何模型

井下渦流工具主要由坐落器、導(dǎo)流筒和螺旋變速體3部分組成。其中，坐落器用于渦流工具在井筒中的固定，導(dǎo)流筒用于流體流通，螺旋變速體用于改變流體流態(tài)［11］。筆者根據(jù)工具的真實數(shù)據(jù)，采用AutoCAD建立了螺旋變速體的幾何模型（見圖1）。螺旋變速體的幾何參數(shù)主要包括頂角角度、槽寬、槽深及螺旋葉片導(dǎo)程。

1.2數(shù)學(xué)模型

1.2.1多相流模型

氣液兩相在螺旋上升過程中，兩相之間存在相互作用力，選用Fluent軟件中的歐拉模型進行計算，更為精確［12］。歐拉模型的控制方程組主要包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，表達式分別為

式中：ρk為密度，kg/m3；t為時間，s；uk為速度，m/s；▽為哈密爾頓算子；pk為壓力，MPa；I為單位張量；Tk為剪應(yīng)力張量，MPa；g為重力加速度，m/s2；ek為比內(nèi)能，J/ kg；qk為體積熱源，W/m3；下標k代表氣相或液相（k=g時代表氣相，k=l時代表液相）。

1.2.2湍流模型

雷諾應(yīng)力模型摒棄了各向同性假設(shè)，更加嚴格地考慮了流線彎曲、渦旋、張力快速變化等因素。摒棄了渦黏性假設(shè)，考慮了雷諾應(yīng)力的對流和擴散，對流體復(fù)雜流動具有更高的預(yù)測精度。渦流氣液兩相流場為螺旋流、各向異性，采用雷諾應(yīng)力模型進行模擬具有較高的精度［13］。雷諾應(yīng)力模型的運輸方程為

1.2.3數(shù)學(xué)模型正確性驗證

基于M.Surendra的氣液兩相流螺旋紐帶實驗［14］，對本研究采用的雷諾應(yīng)力模型與歐拉模型的正確性進行驗證。將距離入口不同距離（Z）橫截面流體切向速度的模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的趨勢完全一樣，相對誤差僅有2.3%?？梢姡@2個模型能很好地模擬渦流工具導(dǎo)致的螺旋流動。

1.3模擬參數(shù)

以渤海G2氣井實際資料設(shè)定Fluent軟件模擬參數(shù)：出口界面采用壓力出口，壓力值取8.96 MPa；入口界面采用速度入口，入口流速為0.84 m/s；操作溫度為366.91 K，重力加速度為9.81 m/s2，氣液比為55.6 m3/ m3；液滴直徑為0.1 mm，剛性液滴，不具有融合性；采用壁面函數(shù)處理壁面邊界層的流場。

2　渦流工具有效作用長度預(yù)測

安裝渦流工具后，流體的流動軌跡由直線變?yōu)槁菪€，氣液螺旋上升，流體旋轉(zhuǎn)強度增大，氣體攜液效率增大。因此，渦流工具的有效作用長度主要取決于螺旋流動維持長度，旋轉(zhuǎn)強度減為0時，此時的流動距離即為渦流工具的有效作用長度。從Fluent軟件中得到不同軸向位置處的流體旋轉(zhuǎn)強度（即流體切向速度與軸向速度的比值）（見圖3）。圖中，Ω為流體旋轉(zhuǎn)強度，ΔZ為不同點與初始面的軸向距離，D為油管內(nèi)徑。

由圖3可以看出，雷諾數(shù)（Re）增大，旋轉(zhuǎn)強度增大，并且旋轉(zhuǎn)強度衰減規(guī)律均符合對數(shù)遞減規(guī)律，擬合公式如式（5）所示，擬合精度均大于0.9。

式中：a，b為擬合系數(shù)。

3　有效作用長度影響因素分析

3.1入口速度對有效作用長度的影響

產(chǎn)氣量不同，渦流工具排液效果不同，則有效作用長度不同。產(chǎn)氣量的變化實質(zhì)是流體入口速度的變化，對入口速度分別為0.84，2.00，3.00，4.00 m/s的模型進行流場模擬，得出不同入口速度時渦流工具的有效作用長度，結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，入口速度增大，則渦流工具有效作用長度增大。這是因為，入口速度增大，流體流經(jīng)渦流工具之后，所受的離心力增加，螺旋流動程度增加，旋轉(zhuǎn)強度增大，旋轉(zhuǎn)強度減為0時的流動距離增加。

3.2氣液比對有效作用長度的影響

保持氣量恒定，減少水量，改變氣液比（55.6，100.0，1 000.0，2 000.0 m3/m3）進行模擬，結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出，氣液比增大，則渦流工具有效作用長度增大。這是因為：氣液比增大，含水率減小，截面含液量減小，當液滴直徑一定時，含水率越小，液滴數(shù)量就越少，流體流動阻力也隨之減小；當流體流經(jīng)渦流工具之后，氣液分離，氣流的阻力減弱，并且氣液比越大，流動阻力減小的程度越小，氣體軸向速度越小，旋轉(zhuǎn)強度增大，有效作用長度增大。

3.3間隙對有效作用長度的影響

改變螺旋變速體與油管內(nèi)壁之間的間隙（0，1，2，4 mm）進行模擬，結(jié)果見圖6。

由圖6可以看出，間隙增大，渦流工具有效作用長度減小。這是因為，間隙增大，流體過流面積增大，加速作用減弱，流體速度減小，螺旋流動程度減弱，同時間隙增大導(dǎo)致軸向流動程度增強，螺旋流動程度減弱，旋轉(zhuǎn)強度減小，有效作用長度減小。

3.4槽寬對有效作用長度的影響

目前使用的渦流工具，其槽寬均介于40～80 mm。對槽寬分別為40，45，50，60，70，80 mm的渦流工具模型進行模擬對比，結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出，槽寬減小，有效作用長度先增大后減小，槽寬為60 mm時的有效作用長度最大。這是因為，槽寬減小，過流面積減小，流體速度增大，流體螺旋流動程度增加，旋轉(zhuǎn)強度增大，有效作用長度增大。槽寬為60 mm時的氣體速度最大，槽寬小于60 mm時，氣液兩相受到較大的離心力向管壁運動，氣液分離效果變差，氣相受迎面液相壓力影響，速度減小，有效作用距離減小。

3.5槽深對有效作用長度的影響

目前渦流工具的槽深大多介于5～15 mm，改變槽深（5，9，15 mm）進行模擬，結(jié)果見圖8。

由圖8可以看出，槽深增大，渦流工具的有效作用長度減小。這是因為，槽深增大，繞流器直徑減小，過流面積增大，渦流工具的加速作用減弱，流體速度減小，螺旋流動程度減弱，有效作用長度減小。

4　結(jié)論

1）本文建立的渦流模型的模擬結(jié)果與M.Surendra的螺旋紐帶實驗數(shù)據(jù)趨勢完全一致，相對誤差僅為2.3%，能夠很好地模擬螺旋流動。

2）螺旋流動過程中，流體旋轉(zhuǎn)強度的衰減規(guī)律符合對數(shù)遞減，采用對數(shù)遞減公式預(yù)測的渦流工具有效作用長度介于10～100 m。

3）槽寬為60 mm時，氣液分離效果較好，氣體流速較大，渦流工具有效作用長度較大。選取槽寬為60 mm的渦流工具有利于排液。

4）流體入口速度和井筒氣液比對渦流工具有效作用長度有很大影響。入口速度和氣液比增大，有效作用長度增大。工具與油管之間的間隙對有效作用長度影響較小，間隙和槽深減小，有效作用長度增大。

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（編輯史曉貞）

Effective length of vortex tools for liquid discharge in gas wells

CHEN Dechun1，YAO Ya1，HAN Hao1，F(xiàn)U Gang1，SONG Tianjiao1，XIE Shuangxi2
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Engineering Technology Company，Energy Resources Development Co.Ltd.，CNOOC Ltd.，Tianjin 300456，China）

At present，there is still no clear understanding of applicable conditions and effective length of vortex tools，and field application and analysis are mainly based on experience，which can weaken the application effect of vortex tools.In order to study the attenuation law of fluid swirl intensity，predict effective length of vortex tools，and analyze the influence of structure parameters and gas-liquid condition on effective length，F(xiàn)luent and AutoCAD software are applied to establish two-phase vortex flow models. The research shows that fluid swirl intensity is conformed to logarithmic decrement and the effective length of vortex tools is in the range of 10-100 m.Furthermore inlet velocity and gas-liquid ratio are main factors influencing the effective length of vortex tools，and with the increase of inlet velocity and gas-liquid ratio，effective length becomes greater.Longer effective length and better liquid removing efficiency is with 60 mm trough width.With the decreases of trough depth and the space between vortex tools and tube，fluid velocity becomes higher and effective length increases.The results provide theoretical basis for the structure parameter optimization and improvement of drainage efficiency of vortex tools.

drainage gas recovery；vortex tools；effective length；numerical simulation；gas-liquid conditions；structure parameters

中海油能源發(fā)展股份有限公司科研項目“渦流工具攜液影響因素分析”（GC2014ZC2916）

TE377

A

10.6056/dkyqt201604028

2015-12-18；改回日期：2016-05-14。

陳德春，男，1969年生，教授，博士，現(xiàn)主要從事油氣開采理論與技術(shù)的研究與教學(xué)工作。E-mail：chendc@upc.edu.cn。

引用格式：陳德春，姚亞，韓昊，等.氣井渦流排液采氣工具有效作用長度［J］.斷塊油氣田，2016，23（4）：537-540.

CHEN Dechun，YAO Ya，HAN Hao，et al.Effective length of vortex tools for liquid discharge in gas wells［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：537-540.