井下渦流工具攜液機(jī)理及影響因素研究

許　劍　肖　茂　曾興平

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川　德陽　618000）

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井下渦流工具攜液機(jī)理及影響因素研究

許劍肖茂曾興平

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽618000）

摘要渦流排水采氣工藝是近年來國內(nèi)研究的一項(xiàng)新領(lǐng)域，目前主要著重于工具結(jié)構(gòu)本身，對(duì)工具后的氣液兩相流流型、流態(tài)以及螺旋距離較少提及。基于渦流氣液兩相流物理實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)渦流工具的攜液機(jī)理研究，取得了渦流工具是通過能量轉(zhuǎn)換、改變流態(tài)以及擋板效應(yīng)綜合作用的認(rèn)識(shí)；通過對(duì)氣井工況、工具結(jié)構(gòu)的敏感性分析，取得了產(chǎn)水量、井斜角以及過流面積是影響渦旋距離主要因素的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞渦流工具兩相流攜液機(jī)理影響因素

0　引言

渦流排水采氣工藝是2002-2006年美國能源部針對(duì)低壓低產(chǎn)井開展的項(xiàng)目［1］，2010年我國先后在蘇里格、大慶、四川、吉林、華北等油氣田開展試驗(yàn)［2］，少數(shù)井效果較好，大部分氣井排采效果不理想，2013年中國石化西南油氣分公司引進(jìn)井下渦流工具，并在兩口低壓、低產(chǎn)井開展入井試驗(yàn)，渦流攜液效果不顯著。針對(duì)國內(nèi)對(duì)渦流工藝攜液機(jī)理、影響因素以及適用界限認(rèn)識(shí)不清的問題，利用氣液兩相流物理實(shí)驗(yàn)開展了渦流攜液機(jī)理和影響因素研究。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

渦流排水采氣實(shí)驗(yàn)裝置（圖1）由進(jìn)水系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)管段3部分組成，水平段長(zhǎng)6 m，斜井段垂直長(zhǎng)4 m，直井段長(zhǎng)4 m，均采用?70×5 mm的有機(jī)玻璃管，以便于可視化觀測(cè)實(shí)驗(yàn)管段中氣液流動(dòng)情況。注氣子系統(tǒng)由壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、氣體渦街流量計(jì)、閥門、注氣管線、調(diào)壓蝶閥、球閥、壓力表組成；注水子系統(tǒng)由壓力儲(chǔ)水箱、注水管線、調(diào)壓蝶閥、球閥、機(jī)械壓力表組成；渦流工具入口預(yù)留壓力傳感器接頭，渦流工具后預(yù)留差壓傳感器接頭，方便數(shù)據(jù)采集。

圖1　渦流氣液兩相流物理實(shí)驗(yàn)圖

1.2實(shí)驗(yàn)工具

渦流工具的核心部件是螺旋變速體，能夠起到改變流態(tài)、產(chǎn)生渦流的作用，實(shí)驗(yàn)以新場(chǎng)氣田CX479井渦流工具的螺旋變速體為原型制作樣件，制作不同過流面積渦流實(shí)驗(yàn)樣件兩只，相關(guān)參數(shù)見表1。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

通過改變不同注水量和注氣量，觀察渦流螺旋形態(tài)和距離，在實(shí)驗(yàn)段上布置了壓力傳感器、壓差傳感器，壓力主要監(jiān)測(cè)工具入口壓力（可表征井底壓力），壓差主要監(jiān)測(cè)渦流工具后2 m局部壓降。

表1　渦流物理實(shí)驗(yàn)樣件表

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

未加渦流工具斜井段為段塞分層流，液體出現(xiàn)回流滑脫現(xiàn)象，添加渦流工具后，能夠明顯看到流體呈渦旋流，液體被甩到管壁，氣體在管道中部流動(dòng)，能有效阻止液體回落，正是液體滑脫破壞了渦流流型（圖2）。實(shí)驗(yàn)觀察得到：高流速下渦流工具將段塞分層流改變成螺旋流，提高氣體持液率；低流速下渦流工具起擋板作用，阻止液體滑脫。

圖2　工具流態(tài)圖

2.2井底壓力和斜井差壓分析

固定斜井段傾斜角為25°，保持注水量為5.8m3/d，注氣量從5 m3/h增加到120 m3/h，分別記錄添加渦流工具前后壓力、斜井差壓變化情況（圖3）。

圖3　井底壓力與斜井差壓隨注氣量變化關(guān)系圖

由于出口為常壓，井底壓力則反映的是全井筒壓力損失。當(dāng)產(chǎn)氣量小于A點(diǎn)時(shí)，隨著氣量增加，井筒積液被帶出，井底壓力逐漸減小；產(chǎn)氣量大于A點(diǎn)時(shí)，氣體摩阻起主要作用，井底壓力逐漸增加，因此，A點(diǎn)即是全井筒壓力損失最小點(diǎn)，該點(diǎn)產(chǎn)量即為最有利于氣井生產(chǎn)產(chǎn)量（簡(jiǎn)稱為最佳產(chǎn)量）。

渦流工具有降壓提速的作用，將部分壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能［3］，表現(xiàn)為井筒壓力損失增加了14%；渦流工具將井筒中回落液體阻擋在工具之上，提高氣井持液率，表現(xiàn)為工具后斜井差壓增加了19%；添加渦流工具后氣井最佳產(chǎn)量降低了10%，有利于氣井生產(chǎn)。

2.3傾斜角度敏感性分析

將渦流工具安裝在井底，通過調(diào)整斜井段傾斜角分別為65°、45°、25°三個(gè)角度，保持相同的注水量，記錄不同注氣量下的井底壓力、斜井差壓以及渦流工具后流體螺旋距離（表2）。

表2　不同傾斜角渦流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

隨著產(chǎn)氣量增加，渦流螺旋距離越遠(yuǎn)，尤其是產(chǎn)氣量大于60 m3/h，渦流螺旋距離增加更加迅速。井斜角每減小20°，井筒壓力損失降低8%～10%，斜井差壓降低25%～30%，渦流工具后氣液兩相流螺旋距離提高80%～100%。傾斜角度越小，渦流流態(tài)越好，螺旋距離越遠(yuǎn)，渦流工藝來源于水平輸送粉塵［4］，用于水平輸送，渦流效果最好。

2.4產(chǎn)水量敏感性分析

將渦流工具安裝直井段，固定注水量為0.1 m3/d、1 m3/d和4 m3/d，記錄不同產(chǎn)氣量下流體螺旋距離（圖4）。

注水量0.1 m3/d的螺旋距離是1 m3/d的3.2倍，注水量1 m3/d的螺旋距離是4 m3/d的1.8倍。產(chǎn)水量越少，井筒中液體滑脫越小，對(duì)渦流流型的破壞作用越小，因此，產(chǎn)水量越低，渦流的螺旋距離越遠(yuǎn)。

圖4　不同注水流量渦流螺旋距離圖

2.5渦流工具過流面積敏感性分析

渦流工具螺旋角度為45°，過流面積分別為1 066 mm2和575 mm2（圖5）開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，記錄隨著產(chǎn)氣量增加渦流工具后流體螺旋距離（圖6）。

圖5　1 066 mm2和575 mm2過流面積渦流工具圖

圖6　不同過流面積渦流工具螺旋距離圖

過流面積減小46%，螺旋距離提高1倍，減小過流面積對(duì)提高攜液距離作用顯著［5］。

3　結(jié)論

1）高流速下渦流工具改變流型，提高氣體持液率；低流速下起擋板作用，阻止液體滑脫。

2）添加渦流工具后井底回壓、斜井壓差增大，說明壓能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，工具后持液率增加。

3）傾斜角每減少20°，螺旋距離增加約1倍，傾斜角越小螺旋形態(tài)越好，渦流工具源自水平輸送粉塵，因此用于水平管輸送效果較好。

4）少量水的情況下，螺旋距離提高約5倍，由于沒有液體滑脫，渦旋距離大幅上升，進(jìn)一步證實(shí)水的滑脫是破壞螺旋的主要因素。

5）渦流工具螺旋角在36°～45°，角度對(duì)螺旋距離影響不明顯，渦流工具過流面積減小46%，螺旋距離提高約2倍，減小過流面積，對(duì)提高攜液距離作用顯著。

參考文獻(xiàn)

［1］楊旭東，衛(wèi)亞明，肖述琴，等.井下渦流工具排水采氣在蘇里格氣田探索研究［J］.鉆采工藝，2013，36（6）：125-127.

［2］楊濤，余淑明，楊樺，等.氣井渦流排水采氣新技術(shù)及其應(yīng)用［J］.開發(fā)工程，2012，32（8）：63-66.

［3］朱慶，張俊杰，謝飛，等.渦流排水采氣技術(shù)在四川氣田的應(yīng)用［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2013，7（1）：37-39.

［4］楊濤，余淑明，楊樺，等.氣井渦流排水采氣新技術(shù)及其應(yīng)用［J］.開發(fā)工程，2012，32（8）：63-66.

［5］魏航信，職黎光，吳偉.基于旋流機(jī)理的排水采氣技術(shù)研究進(jìn)展［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2014（7）：71-73.

（編輯：李臻）

修訂回稿日期：2016-04-05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-1132（2016）03-0046-03

doi：10.3969/j.issn.2095-1132.2016.03.012

作者簡(jiǎn)介：許劍（1984-），工程師，從事采輸氣研究工作。E-mail：starsix04@126.com。