基于Fluent的天然氣井渦流工具影響因素分析

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249)①

氣井積液是氣田開發(fā)過程中經(jīng)常發(fā)生的一種嚴(yán)重現(xiàn)象。如果氣藏產(chǎn)水不能被氣體有效地排出井筒，將會(huì)增加氣藏的背壓，這些液體聚集在井底，將會(huì)限制氣井的開發(fā)能力甚至把氣井壓死[1]。渦流排水采氣作為一種新型的排水采氣技術(shù)，是美國(guó)能源部2003年資助的低產(chǎn)油田新技術(shù)研究項(xiàng)目之一[2]。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司于2011年引進(jìn)這一創(chuàng)新技術(shù)，并將其應(yīng)用到大慶、長(zhǎng)慶等油田。部分試驗(yàn)井的增產(chǎn)成效顯著，但還有部分井試驗(yàn)效果不盡人意[3-6]。因此，有必要針對(duì)我國(guó)有水氣田的具體開發(fā)情況，進(jìn)一步對(duì)渦流工具的影響因素、關(guān)鍵技術(shù)以及工藝適用性等展開研究，以加快該項(xiàng)工藝在我國(guó)的推廣應(yīng)用[7]。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)渦流工具排水采氣效果的影響因素展開了研究[8-14],得到雷諾數(shù)、持液率、產(chǎn)氣量等因素對(duì)旋渦流流場(chǎng)的影響規(guī)律。但是對(duì)于內(nèi)部流場(chǎng)的研究以及影響因素的分析尚有欠缺。

本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，使用Fluent流體仿真軟件對(duì)渦流工具外部流場(chǎng)進(jìn)行模擬[15]，分析渦流工具的助排機(jī)理，并采用正交試驗(yàn)的方法，針對(duì)螺旋角、翼高、翼寬及旋流段內(nèi)徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)渦流工具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 渦流工具建模分析

1.1 渦流工具工作原理及幾何模型

渦流工具主要由導(dǎo)引銷(投撈魚頭)、旋流段、導(dǎo)流段、坐封器等組成。將渦流工具固定在油管內(nèi)，氣液兩相流向上流動(dòng)進(jìn)入渦流工具，由導(dǎo)流腔進(jìn)入旋流段，在旋流段沿螺旋葉片開始旋轉(zhuǎn)。由于液體密度較大，受離心力作用會(huì)沿管壁螺旋上升；而氣體密度相對(duì)小得多，在經(jīng)過渦流工具后會(huì)在管道中心上升，使得氣液兩相分離，從而使井筒內(nèi)的流型由彈狀流或段塞流等不規(guī)則的紊流流態(tài)變?yōu)橐?guī)則的分層旋流，這種螺旋流可以大幅提高氣相的攜液能力，有效地避免或緩解積液現(xiàn)象。

使用SolidWorks建立渦流工具三維立體模型，如圖1所示。

圖1 渦流工具三維模型

渦流工具部件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)工作原理的分析，旋流段是渦流工具的核心組成部分，因此選用旋流段作為簡(jiǎn)化后的幾何模型導(dǎo)入Gambit劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格時(shí)采用分段分塊方法，管壁采用cooper網(wǎng)格劃分法，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的渦流工具旋流段采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在流場(chǎng)流動(dòng)復(fù)雜的區(qū)域采用了加密網(wǎng)格的方法。

圖2為用此法生成的流體區(qū)域和固體壁面的三維網(wǎng)格模型。

圖2 渦流工具的有限元網(wǎng)格

1.2 數(shù)學(xué)模型

在FLUENT中有3種多相流模型：混合模型、VOF模型和歐拉模型。其中混合模型用來(lái)模擬各相速度不同、相與相之間耦合很強(qiáng)的多相流，適用于本課題的研究[3]。 控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ρm為混合密度；αk為第k相的體積分?jǐn)?shù)；um為質(zhì)量平均速度；uDk為第k相漂移速度；μm為混合黏度；i,j=1,2,3，分別代表x、y、z坐標(biāo)方向。

渦流工具其內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的旋流流場(chǎng)，流場(chǎng)中氣液分離時(shí)氣相和液相的流動(dòng)具有各向異性，因此在湍流模型的選擇中采用雷諾應(yīng)力模型。

1.3 邊界條件

設(shè)置入口處液相體積分?jǐn)?shù)為0.001，入口氣液兩相速度相同為1.0 m/s，考慮重力影響(重力加速度為9.8 m/s2), 管道出口設(shè)為自由出流邊界條件，壁面條件選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2 模擬結(jié)果與影響因素敏感性分析

2.1 仿真模擬

根據(jù)搜集的現(xiàn)場(chǎng)資料，選擇渦流工具幾何尺寸：螺旋段直徑為?40 mm；導(dǎo)流孔道長(zhǎng)為 100 mm，寬為30 mm；螺旋葉片截面寬為10 mm，高為 8 mm；旋流體長(zhǎng)度為 100 mm，直徑為?60 mm。

使用Fluent軟件對(duì)渦流工具周圍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到流場(chǎng)區(qū)域的速度分布，并沿軸向截取了5個(gè)截面，得到不同截面的軸向速度分布云圖，如圖3所示。由圖3可以看出，氣液兩相均勻來(lái)流經(jīng)過渦流工具之后，速度明顯上升，且管壁附近的流速小，管道中心的流速大，說明渦流工具之后氣液兩相產(chǎn)生明顯的分層流動(dòng)，流態(tài)由無(wú)規(guī)則的紊流運(yùn)動(dòng)變成規(guī)則有序的螺旋流。

圖3 速度分布云圖

2.2 渦流工具影響因素敏感性分析

取進(jìn)出口持液率的差值作為評(píng)價(jià)渦流工具排液采氣效果的試驗(yàn)指標(biāo)。在無(wú)質(zhì)量交換的情況下，持液率差值越小，試驗(yàn)效果越好。

影響渦流工具排水采氣效果的主要因素有螺旋角、旋流體的內(nèi)徑、翼高、翼寬等。使用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)這4個(gè)因素進(jìn)行數(shù)值分析，每個(gè)因素取4個(gè)水平因子，如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)水平

選用標(biāo)準(zhǔn)五因素四因子的正交試驗(yàn)表L16(4)5制定試驗(yàn)方案，如表2所示。表中第1～4列分別為螺旋角、內(nèi)徑、翼高、翼寬，用A、B、C、D標(biāo)號(hào)。

使用Fluent軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)方案中16種不同尺寸的渦流工具進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，取入口速度1 m/s，入口液相體積分?jǐn)?shù)為0.001。取進(jìn)出口持液率的差值作為評(píng)價(jià)渦流工具排液采氣效果的試驗(yàn)指標(biāo)。在無(wú)質(zhì)量交換的情況下，持液率差值越小，試驗(yàn)效果越好。計(jì)算得到試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)方案

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)每個(gè)因素相同水平的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果求平均值可以得到不同因素對(duì)排液采氣效果的影響。圖4～7為螺旋角、旋流段內(nèi)徑、翼高、翼寬對(duì)進(jìn)出口持液率差值的影響。

由圖4可以看出，進(jìn)出口持液率的差值隨著螺旋角的增加先增加，大于37°差值開始緩慢減小，所以螺旋角取30°度可以得到較好的排液效果。

圖4 螺旋角對(duì)持液率差值的影響

由圖5可以看出,旋流段內(nèi)徑為40 mm時(shí)進(jìn)出口持液率的差值最小，排液效果最好。

圖5 直徑對(duì)持液率差值的影響

由圖6可以看出，翼高為1.5 mm時(shí)排液效果最好。

圖6 翼高對(duì)持液率差值的影響

由圖7可以看出,進(jìn)出口持液率的差值隨著螺旋片翼寬的增加而減小，翼寬大于3 mm時(shí)進(jìn)出口持液率的差值開始逐漸增大。翼寬為3 mm時(shí)，持液率差值最小，所以螺旋片翼寬選3 mm。

圖7 翼寬對(duì)持液率差值的影響

3 結(jié)論

1) 通過FLUENT軟件對(duì)氣井內(nèi)渦流工具周圍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)渦流工具排液采氣效果的影響，并通過正交試驗(yàn)找出合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2) 渦流工具使得管道中心速度明顯增大，管壁附近速度減小，氣井內(nèi)的流動(dòng)由不規(guī)則的湍流流動(dòng)變成規(guī)則的分層螺旋流動(dòng)。氣體的攜液能力增強(qiáng)，從而提高了排液采氣效果。

3) 對(duì)渦流工具旋流段的結(jié)構(gòu)參數(shù)(螺旋角、翼高、翼寬、內(nèi)徑)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，得出最優(yōu)方案為:螺旋角30°、螺旋體直徑?40 mm,螺旋線翼高1.5 mm,螺旋線翼寬3 mm。

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