井下渦流工具攜液效率數(shù)值模擬研究

劉修泰 劉修剛

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

氣井積液是天然氣開采的主要問題之一，其嚴(yán)重影響天然氣的開采效率，造成氣井積液的根本原因是氣藏中存在大量層間水以及層間水不斷滲入井筒［1-2］，因此選擇有效的排水采氣工藝對天然氣的采收效率起著關(guān)鍵性作用。渦流工具是繼泡沫排水、氣舉和速度管柱等應(yīng)用發(fā)展后出現(xiàn)的一項新型排水采氣工藝［3］，渦流工具利用密度差異、氣液混合流體在經(jīng)過渦流工具時產(chǎn)生離心力大小不同，將氣液兩相分離后，使井筒中流體的紊流流態(tài)改變成呈螺旋上升的環(huán)膜流流態(tài)［4］，降低氣液分子之間雜亂無章碰撞的能量損失。

國內(nèi)外學(xué)者對渦流工具在不同氣井現(xiàn)場試驗的工作效果進(jìn)行分析，取得了良好的應(yīng)用效果，同時對渦流工具排液效果以及排液效果的影響因素進(jìn)行大量研究，發(fā)現(xiàn)渦流器外徑和井筒間隙越小，能夠產(chǎn)生較好的渦流效果，可以大幅度減少氣體非渦流損失量［5］。通常渦流工具與井筒存在間隙，其間隙方便渦流工具的現(xiàn)場應(yīng)用，因此國內(nèi)外學(xué)者僅對渦流工具與井筒存在間隙的工況進(jìn)行研究分析，但是針對渦流工具與井筒不存在間隙的工況未涉及。為此，通過利用Fluent流體仿真軟件，針對渦流工具與井筒之間有無間隙工況下的氣體攜液量進(jìn)行仿真分析，研究渦流工具排液效果以及分析渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對排液效果的影響，可對井下渦流工具結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化有一定參考價值及指導(dǎo)意義。

1 渦流氣液兩相流場模型建立

1.1 渦流氣液兩相流場數(shù)學(xué)模型

渦流工具應(yīng)用于天然氣開采時，其在井筒產(chǎn)生的氣液混合兩相流體呈螺旋上升式流動，因此針對此混合流動，選用Fluent軟件中的混合模型進(jìn)行計算更為精確。該混合模型是一種簡化多相流模型，控制體的體積分?jǐn)?shù)可以是0和1之間的任意值，允許相以不同速度運(yùn)動［6］。其控制方程如下［7］。

1）混合模型連續(xù)方程：

1.2 渦流氣液兩相流場結(jié)構(gòu)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個部分組成，其中坐落器用于渦流工具在井筒中的固定，導(dǎo)流筒用于流體的流通，螺旋變速體主要用于改變流體的流態(tài)［8］。鑒于這里主要對渦流工具與井筒之間有無間隙工況下的氣體攜液量及排液效果進(jìn)行仿真來分析渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對排液效果的影響，因此重點(diǎn)考慮渦流工具中的螺旋葉片部分，得到如圖1所示的簡化計算結(jié)構(gòu)模型，表1為進(jìn)行模擬的渦流工具尺寸參數(shù)表。有無間隙工況是指由渦流變速器直徑配合翼高實現(xiàn)的渦流工具與井筒之間的間隙情況。表1中，1～5號表征渦流工具與井筒之間無間隙工況，6號表征渦流工具與井筒之間有間隙工況。

圖1 有限元分析模型

表1 模擬渦流工具尺寸表

1.3 模擬方法及相關(guān)設(shè)置

邊界條件設(shè)置：入口界面為速度入口，入口流速為2 m／s；出口采用出流邊界；重力加速度為9.81 m／s2；液相體積分?jǐn)?shù)為0.01；采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理壁面邊界層流場。

求解器設(shè)置：求解器設(shè)置為三維、穩(wěn)態(tài)、基于壓力的隱式分離式求解器；選用k-epsilon RNG湍流模型及多相流混合模型；由于渦流工具引發(fā)的流動為高速旋轉(zhuǎn)流動，所以壓力離散控制方程選擇PRES?TO格式；壓力與速度之間的耦合采用SIMPLE方法；對動量方程、湍動能方程、湍流耗散率及雷諾應(yīng)力方程的離散都采用二階迎風(fēng)格式。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 渦流變速器直徑與翼高組合對渦流工況的影響

持液率為任一流動截面內(nèi)液相面積所占總面積的百分比，其值大小表征氣液兩相之間滑脫現(xiàn)象的嚴(yán)重性［9］。模擬采用的試驗指標(biāo)是模擬管柱部分進(jìn)出口持液率的差值，持液率差值越小，試驗結(jié)果越好［10］。渦流變速器直徑和翼高是渦流工具與井筒之間是否存在間隙的主要影響因素，通過不同變速器直徑與翼高組合的進(jìn)出口持液率差值比較無間隙工況和有間隙工況的排液效果，研究對比發(fā)現(xiàn)，2、3、4、5號工具組合排液效果優(yōu)于6號工具組合，1號工具組合排液效果差于6號工具組合。因此只有針對特定的變速器直徑與翼高組合，渦流工具與井筒之間無間隙工況排液效果優(yōu)于渦流工具與井筒之間有間隙工況，優(yōu)選出3號工具，變速器直徑為52 mm與翼高為5 mm的工具組合進(jìn)出口持液率差值最小，渦流工具排液效果最好（圖2）。

圖2 不同工具組合與持液率差值關(guān)系曲線圖

2.2 液相體積分布變化

圖3是3號工具井筒軸向上的液相體積分?jǐn)?shù)云圖，從圖3研究分析得出，當(dāng)使用渦流工具后，氣液兩相將產(chǎn)生離心力的差異，致使氣液兩相分離，氣體將在井筒中心以氣柱的形式流動，液體將以液膜的形式分布在油管內(nèi)壁，流型轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)流。隨著流動距離增大，井筒中心逐漸形成穩(wěn)定的氣柱，油管內(nèi)壁形成穩(wěn)定的液膜。

通過氣井井筒出口液相體積分?jǐn)?shù)plot圖可以直觀得出結(jié)論：流體經(jīng)過渦流工具時，螺旋葉片致使氣液兩相流產(chǎn)生一定的切向速度，以及在離心力的作用下，密度較大液態(tài)流體將被甩向井筒壁，井筒中心將存在很小量密度較大液態(tài)流體，氣體將在井筒中心匯集向上輸運(yùn)，其有效改善了流體的密度梯度分布。井筒中混合兩相流體轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@氣、液兩相分層旋流，如圖4所示。

圖3 軸向上液相體積分?jǐn)?shù)云圖

圖4 出口徑向上液相體積分?jǐn)?shù)分布圖

2.3 液相速度分布變化

下放渦流工具前，井筒內(nèi)氣液分布均勻，處于霧流狀態(tài)［11］。通過氣井井筒出口液相體積分?jǐn)?shù)plot圖可以得出：流體經(jīng)過渦流變速體后，螺旋環(huán)流井筒中心處的流體速度大于霧流流體速度，管壁處的氣體流速略小于霧流氣體流速，氣體對管壁處的液膜攜帶作用增強(qiáng)，液體回流程度減弱。與入口端相比，出口端處液體軸向速度提高8.3%。流型由霧流轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪h(huán)流，氣體攜帶液體的能力增強(qiáng)，如圖5所示。

3 結(jié)論

1）基于渦流工具與井筒之間有無間隙工況下的氣體攜液量對比研究，發(fā)現(xiàn)針對特定變速器直徑與翼高組合下，渦流工具無間隙工況排液效果優(yōu)于有間隙工況，并且變速器直徑與翼高組合分別為52 mm和5 mm時渦流工具無間隙工況排液效果最佳。

2）渦流工具利用氣液兩相離心力差異，致使氣液兩相分離，將流體從霧流流型轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪h(huán)流流型，隨著流動距離增大，井筒中心逐漸形成穩(wěn)定的氣柱，油管內(nèi)壁形成穩(wěn)定的液膜。

3）渦流工具螺旋型流道使得流體加速流動，與入口端相比，出口端處液體軸向速度提高8.3%，隨著流體向上輸送距離增加，氣井?dāng)y液效率提高；并且氣體對管壁處液膜攜帶作用增強(qiáng)，減弱液體回流程度。

圖5 出口徑向上速度分布圖

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