氣井?dāng)y液用渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

陳德春付剛韓昊姚亞宋天驕謝雙喜

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

氣井?dāng)y液用渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

陳德春1付剛1韓昊1姚亞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；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

為了提高氣井渦流排液采氣工具的工作效率，進(jìn)行了渦流工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。運(yùn)用AutoCAD和Fluent流體模擬軟件，建立了渦流工具氣液兩相流場模型，運(yùn)用正交試驗(yàn)確定了模擬計(jì)算方案，通過方差和極差分析得到了不同氣液條件下導(dǎo)程、導(dǎo)程數(shù)、槽深和槽寬等4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工具出口峰值速度的影響程度并確定了工具最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明，較小的槽深和槽寬、較大的導(dǎo)程和導(dǎo)程數(shù)可以起到很好的增速效果。槽深取5 mm，槽寬取40～45 mm，導(dǎo)程數(shù)取3倍，導(dǎo)程取172～219 mm時(shí)，氣液混合物經(jīng)過渦流工具后氣相峰值速度最大，攜液效果最好。工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工具出口峰值速度的影響程度隨氣液條件而變化，液氣比較大時(shí)，選擇較大的導(dǎo)程數(shù)具有更明顯的增速效果；入口速度較大時(shí)，較小的槽寬具有更明顯的增速效果，而較大的導(dǎo)程增速效果并不明顯；較小的槽深始終具有明顯的增速效果。研究結(jié)果可以為現(xiàn)場渦流工具的優(yōu)選和使用效果的提高提供依據(jù)。

氣井；排采技術(shù)；渦流工具；結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化；液氣比；數(shù)值模擬；正交試驗(yàn)；敏感性分析

井下渦流工具是一種新型的井下氣液分離裝置，不需要外界提供能量，無需增加管理人力?，F(xiàn)場試驗(yàn)證明［1-4］：使用渦流工具后氣井?dāng)y液量增大，井筒壓力損失降低，可為海上油氣田提供一種經(jīng)濟(jì)合理解決井底積液問題的方案［5］。張翠婷［6］（2012）對(duì)渦流工具的分氣效果進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化；馮翠菊［7］等（2013）對(duì)影響渦流工具攜液效果的主要因素進(jìn)行了研究；吳丹［8］等（2014）研究了工具不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣井?dāng)y液效果的影響，并給出了工具參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。研究結(jié)果表明，影響渦流工具排水采氣效果的因素主要有2方面，一是渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括導(dǎo)程、導(dǎo)程數(shù)（導(dǎo)程不變的情況下螺旋葉片的長度）、槽深和槽寬；二是井筒氣液條件，包括液氣比和氣液混合物速度。之前研究中使用單因素分析方法研究工具各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)攜液效果的影響，進(jìn)而確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。但由于工具各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在相互影響，單因素分析中最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的直接組合并不一定具有最好的攜液效果。此外，這些研究中的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果是在某一特定的氣液條件下得到的，具有局限性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，井的氣液條件不同，得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)也不相同。筆者通過建立渦流氣液兩相流場模型，采用數(shù)值模擬方法和正交試驗(yàn)方案，研究了不同氣液條件下渦流工具最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，分析渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)攜液效果影響的程度，為現(xiàn)場渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1　渦流氣液兩相流場模型

Flow field model for swirl gas/liquid

井下渦流工具主要由打撈頭、繞流器、導(dǎo)流筒、坐封器和接箍擋環(huán)組成，其中打撈頭用于配合打撈工具，繞流器用于改變流體的流態(tài)，導(dǎo)流筒用于流體流通，坐封器和接箍擋環(huán)用于工具的固定［9］。利用AutoCAD建立繞流器和打撈頭結(jié)構(gòu)的幾何模型，如圖1所示。

將建立的工具模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖2），并導(dǎo)入Fluent軟件中，設(shè)置模擬參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。其中多相流模型選用歐拉模型，湍流模型選擇雷諾應(yīng)力模型［10］。

圖1　螺旋變速體的幾何模型Fig. 1 Geometric model of helical gear

圖2　網(wǎng)格模型圖Fig. 2 Network grid

2　模擬計(jì)算方案

Program for simulation and calculation

使用渦流工具后，中心氣流阻力減小，氣體速度增大［11］，臨界流速一定的情況下，氣相速度越大，攜液能力越強(qiáng)，因此用出口氣相峰值速度作為工具攜液效果評(píng)判的指標(biāo)。

將導(dǎo)程、導(dǎo)程數(shù)、槽深、槽寬4個(gè)參數(shù)作為研究因素?？紤]到數(shù)值模擬的計(jì)算量較大，根據(jù)實(shí)際需要，每種因素取4 個(gè)水平，各因素各水平的取值見表1。由于工具結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在相互影響，理論上需要列舉所有的參數(shù)組合，得到256（44）種方案，進(jìn)行256次計(jì)算；為了減少工作量，根據(jù)正交表的設(shè)計(jì)方法，選擇L16（45）的正交表，只需計(jì)算16種方案即可得到精確的結(jié)果。

表1　渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)的因素水平表Table 1 Factor levels of structural parameters of swirl tools

由于工具結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化是基于特定的井筒氣液條件，如果有多口井需要進(jìn)行工具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，則每口井都需要做16組數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算量很大。因此研究不同氣液條件下渦流工具的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，應(yīng)用時(shí)只需根據(jù)井的實(shí)際氣液條件選擇對(duì)應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果，方便快捷。

3　結(jié)果分析

Results

3.1氣液條件一定時(shí)工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

Optimization of structural parameters under designated gas/liquid conditions

3.1.1極差分析 氣液條件取值：氣液混合物速度4 m/s，液氣比1∶50。A～D為渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)的因素，由于在試驗(yàn)中留有空列可作為衡量試驗(yàn)因素和系統(tǒng)的誤差，并可以做方差分析，因此將E做為空列。將得到的16組出口氣相峰值速度進(jìn)行計(jì)算分析（見表2）。

表2　極差分析數(shù)據(jù)（入口速度4 m/s，液氣比1∶50）Table 2 Data for range analysis （with inlet velocity of 4 m/s and liquid/gas ratio of 1∶50）

通過表2可以看出影響出口氣相峰值速度的因素重要程度由大到小為：槽深＞導(dǎo)程＞導(dǎo)程數(shù)＞槽寬。最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：導(dǎo)程218 mm，導(dǎo)程數(shù)3倍，槽深5 mm和槽寬40 mm。

3.1.2方差分析 表3為方差分析結(jié)果，F(xiàn)值可以反映各因素水平改變時(shí)引起的差異顯著程度，越大說明因素對(duì)結(jié)果的影響越顯著。對(duì)于給定水平α=0.10，由P｛F＞λ｝=0.10查F（3，12）分布表，得到λ=2.61?？梢钥闯鰧?dǎo)程、導(dǎo)程數(shù)、槽深、槽寬的F＞λ，即各工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)出口速度峰值都有顯著影響。

表3　方差分析數(shù)據(jù)（入口速度4 m/s，液氣比1∶50）Table 3 Data for variance analysis （with inlet velocity of 4 m/s and liquid/gas ratio of 1∶50）

3.1.3最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下結(jié)果分析 建立最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的工具模型，經(jīng)過Fluent模擬計(jì)算，出口峰值速度為4.421 m/s，比表2中所有方案的計(jì)算結(jié)果都要高，說明采用正交數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行工具參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的結(jié)果是可靠的。得到的軸向方向水體分布見圖3。圖中中心紅色區(qū)域代表氣柱，邊緣綠色或者藍(lán)色區(qū)域代表液膜?？梢钥闯黾尤霚u流工具之后，水的體積含量分布發(fā)生變化：管壁處的水的體積分?jǐn)?shù)增大，形成液膜；管道中心處的水的體積分?jǐn)?shù)減小，形成氣芯。

圖3　軸向方向水體積分?jǐn)?shù)分布圖Fig. 3 Distribution of volume fractions of water along the axis

圖4為氣液混合物經(jīng)過渦流工具后流動(dòng)軌跡曲線，可以看出：流經(jīng)渦流工具之后，井壁與螺旋葉片形成封閉空間，將流體轉(zhuǎn)變?yōu)檠芈菪€運(yùn)動(dòng)，管中心附近會(huì)形成一個(gè)高速氣核區(qū)，軸向速度增大。這是由于： （1）渦流工具減小流體的過流截面，氣體流量一定時(shí)，橫截面積的減小必然造成流速的增大；在極高的速度下，液體獲得離心加速度被甩至管壁，氣體得以占據(jù)中心流道，形成氣核；（2）由于氣體具有較強(qiáng)的壓縮性，液體被甩至管壁造成中心區(qū)壓力降低，氣體膨脹，井筒過流截面不變，氣體流速增大。

圖4　流體流動(dòng)軌跡示意圖Fig. 4 Flow trajectories of fluids

3.2氣液條件變化時(shí)工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

Optimization of structural parameters under changing gas/liquid conditions

氣液條件取值：速度取2 m/s、4 m/s和6 m/s；液氣比取1∶50、1∶100、1∶200、1∶1 000和1∶2 000。進(jìn)行15組正交試驗(yàn)，每組選擇L16（45）的正交表進(jìn)行16次模擬計(jì)算，并進(jìn)行極差分析和方差分析。通過極差分析可以得到設(shè)定氣液條件下工具的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，15種氣液條件下工具最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4。

通過表4可以看出：槽寬范圍為40～80 mm，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)取40 mm和45 mm；槽深范圍為5～15 mm，15組氣液條件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)均取5 mm；導(dǎo)程范圍為125～218 mm，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)取179 mm和218 mm；導(dǎo)程數(shù)范圍為1.5～3倍，15組氣液狀況的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)均取3倍。這說明較小的槽深和槽寬、較大的導(dǎo)程和導(dǎo)程數(shù)可以起到很好的增速效果。這是因?yàn)殡S著槽深和槽寬的減小，氣液混合物流經(jīng)截面積減小，速度增大；隨著導(dǎo)程和導(dǎo)程數(shù)的增大，螺旋葉片長度增加，流體沿螺旋葉片的加速作用增強(qiáng)，流體速度增大，軸向分速度和徑向分速度增大，流體所受的離心力增大，氣液分離效果增強(qiáng)，減小了氣液間的碰撞和摩擦，因此提高了中心氣柱的速度。

通過方差分析判斷一定氣液條件下工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)果影響的顯著程度。對(duì)于給定水平α=0.10，由P｛F＞λ｝=0.10查F（3，12）分布表，得到λ=2.61。為了更清楚地表現(xiàn)出工具結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的顯著程度，取λ的一半即以λ=1.31為界，在“影響顯著”和“影響不顯著”之間加入“影響較顯著”。15種氣液條件得到結(jié)果匯總見表5。

表5　不同氣液條件下方差分析結(jié)果Table 5 Optimal structural parameters for tools under different gas/liquid conditions

通過表5可以看出：隨著氣液條件的改變，工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)攜液效果影響的顯著程度隨之變化；液氣比相同時(shí)，隨著入口速度的增大，導(dǎo)程對(duì)氣相出口峰值速度的影響逐漸不顯著，槽寬對(duì)氣相出口峰值速度的影響逐漸顯著；速度相同時(shí)，隨著液氣比的增大，導(dǎo)程數(shù)對(duì)氣相出口峰值速度的影響逐漸顯著；槽深的變化對(duì)氣相出口峰值速度有顯著影響。

4　結(jié)論

Conclusions

（1）應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent和正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，研究出一套采用正交數(shù)值試驗(yàn)對(duì)渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。算例結(jié)果表明該方法得到的參數(shù)組合能達(dá)到最好攜液效果，結(jié)果合理可靠。

（2）利用Fluent軟件模擬計(jì)算了15組氣液情況，通過極差分析得到不同氣液條件下工具最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，結(jié)果表明：槽深取5 mm，槽寬取40～45 mm，導(dǎo)程數(shù)取3倍，導(dǎo)程取172～219 mm時(shí)，氣液混合物經(jīng)過渦流工具后氣相峰值速度最大，攜液效果最好。

（3）通過方差分析研究了15組氣液情況下工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)出口峰值速度影響顯著程度，結(jié)果表明：液氣比較大時(shí)，較大的導(dǎo)程數(shù)增速效果更明顯；入口速度較大時(shí)，較小的槽寬增速效果更明顯，而較大的導(dǎo)程增速效果并不明顯；較小的槽深始終具有明顯的增速效果。

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（修改稿收到日期 2016-01-22）

〔編輯 朱 偉〕

Optimization of structural parameters for fluid-carrying swirl tool in gas wells

CHEN Dechun1， FU Gang1， HAN Hao1， YAO Ya1， SONG Tianjiao1， XIE Shuangxi2
1. College of Petroleum Engineering， China Uniνersity of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China；2. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co.， Tianjin， 300457， China

A study was made on structural optimization of swirl tool to enhance operation efficiency of the swirl fluid-discharging and gas-producing tool in gas wells. AutoCAD and Fluent fluid simulation software were used in the study to build a flow field model for gas/liquid in swirl tool. In addition， orthogonal test was performed to clarify the program for simulation and calculation. Through variance and range analysis， impacts of four structural parameters （i.e. lead， number of leads， trough depth and trough width） on peak velocity at outlet of the tool were determined together with optimal structural parameters for such tool. The results show that minor trough depth and width， together with large lead and number of leads can effectively enhance velocities. With trough depth of 5 mm， trough width of 40-45 mm， lead number of 3 and leads of 172-219 mm， the maximum velocity of gas from gas/liquid mixture through swirl tool with the most desirable fluid-carrying capacity can be obtained. Impacts of structural parameters of such tool on the maximum outlet velocity may vary with conditions of gas/liquid. With relatively high liquid/gas ratio， higher number of leads may effectively enhance the velocity. With relatively high velocity at inlet， smaller trough width may obviously increase the velocity. Besides， larger leads may have

gas well； discharging and production technique； swirl tool； optimization of structural parameter； liquid/gas ratio； numerical simulation； orthogonal test； sensitivity analysis

付剛（1992-），在讀碩士研究生，研究方向：油氣田開發(fā)工程。通訊地址：（266580）山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)長江西路66號(hào)中國石油大學(xué)（華東）工科樓B座439。E-mail：1184404933@qq.cominsignificant impacts on increase in velocity. Smaller trough depth may constantly display obvious impacts on enhancement of velocity. The study results may provide necessary references for selecting optimal swirl tools and promoting performances of such tools on site.

TE934

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0400- 05

10.13639/j.odpt.2016.03.024

CHEN Dechun， FU Gang， HAN Hao， YAO Ya ， SONG Tianjiao， XIE Shuangxi. Optimization of structural parameters for fluid-carrying swirl tool in gas wells［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（3）: 400-404.

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

陳德春（1969-），博士，教授，從事采油工程理論與技術(shù)的研究與教學(xué)。通訊地址：（266580）山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)長江西路66號(hào)中國石油大學(xué)（華東）工科樓B座412。E-mail：chendc@upc.edu.cn

引用格式：陳德春，付剛，韓昊，姚亞，宋天驕，謝雙喜.氣井?dāng)y液用渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［J］.石油鉆采工藝，2016，38（3）：400-404.