氣井出砂對渦流工具攜液能力的影響

劉承婷 閆作秀 劉鋼 張維薇

摘要：為分析氣井出砂對渦流工具攜液能力的影響情況，針對氣井井底積液以及井筒中存在固體雜質(zhì)的問題，提出了一種氣井中渦流工具攜液攜砂的三相流模型。通過對氣井含砂與不含砂的情況進(jìn)行模擬，分析了不同條件下渦流工具的攜液作用，得到了氣井出砂對液相流動規(guī)律、體積分?jǐn)?shù)、速度分布的影響情況。結(jié)果表明：出砂量為10%的情況下，氣井含砂有利于氣井?dāng)y液。氣井含砂使運動阻力增加，液相的運動速度減小，軸向速度分布不規(guī)律，紊流程度增強，從而使運動更加復(fù)雜，氣井對液體的攜帶作用增強;氣井含砂使液相的運動速度減小且分布不規(guī)律。研究結(jié)果對進(jìn)一步完善渦流工具的排水采氣機理、提升氣井的攜液攜砂效果具有參考價值。

關(guān)鍵詞：多相流體力學(xué);氣井出砂;渦流工具;攜液;速度分布

中圖分類號：TE934 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi： 10.7535/hbgykj.2019yx01003

LIU Chengting，YAN Zuoxiu，LIU Gang，et al.Influence of gas-well sand production on liquid carrying capacity of swirling tools[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2019，36（1）：13-18.Influence of gas-well sand production on liquid carrying

capacity of swirling tools

LIU Chengting，YAN Zuoxiu，LIU Gang，ZHANG Weiwei

（Petroleum Engineering Institute， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318， China）

Abstract： In order to analyze the effect of gas-well sand production on the liquid carrying capacity of the vortex tool， aiming at the problem of simultaneous sand production and water discharge in gas wells， a three-phase flow model of eddy current tool carrying liquid and sand is proposed. By simulating the sand and sand-free conditions of gas wells， and by analyzing the liquid-carrying of swirl tool under different conditions， the influence of gas-well sand production on liquid phase flow pattern， volume fraction and velocity distribution is obtained. It is concluded that the sand content of the gas well is beneficial to the liquid well carrying liquid in the case of 10% sand production， gas-well sand causes motion resistance increasing， movement speed decreasing of the liquid phase， causing irregular axial velocity distribution， and increased turbulence， thereby making the movement more complicated， and enhancing the carrying effect of the gas-well on the liquid. The sand content of the gas-well reduces the movement speed of the liquid phase and the distribution is irregular. The research result provides reference for further development of the theory of swirl tool drainage gas recovery and the carrying effect of gas-well on liquid and sand.

Keywords：fluid dunamics of multiphase? systems; gas-well sand production; swirl tool; liquid-carrying; velocity distribution

氣藏開采中后期由于地層壓力及產(chǎn)氣量的降低，氣井?dāng)y液能力減弱，導(dǎo)致氣井自噴能力減弱，甚至造成水淹氣井停產(chǎn)[1-2]。渦流工具可以將多相霧狀流轉(zhuǎn)換為螺旋環(huán)狀流，降低流動壓力損失，提高氣體攜液效率[3-4]。然而，世界上近70%的油氣儲藏于弱膠結(jié)巖層當(dāng)中，弱膠結(jié)巖層的出砂問題極大地危害著石油、天然氣的安全生產(chǎn)[5]。氣井出砂嚴(yán)重影響渦流工具的攜液作用，目前關(guān)于砂巖氣藏渦流工具攜液影響的研究比較缺乏，導(dǎo)致渦流工具作用下氣井出砂對氣井?dāng)y液能力影響的研究沒有理論支撐。

楊旭東等[6]借助CFD軟件對渦流工具排水采氣流動過程進(jìn)行仿真，通過流動規(guī)律的預(yù)測及分析，確定了井下渦流工具排水采氣機理。徐建寧等[7]運用正交試驗方法研究了氣流速度、含水率、螺旋角、翼高、直徑5個因素對渦流工具排液效果的影響。高暉[8]應(yīng)用馬爾文粒度儀測量了螺旋管氣、水、砂三相流底部水平段液膜中的顆粒濃度和粒度分布規(guī)律，為新型螺旋管除砂器設(shè)計提供了理論依據(jù)。以上研究均沒有對渦流工具作用下氣、砂、水三相的運動規(guī)律進(jìn)行研究，忽略了氣井出砂對渦流工具攜液能力的影響。

第1期劉承婷，等：氣井出砂對渦流工具攜液能力的影響河北工業(yè)科技第36卷本文綜合考慮井底積液和井筒中存在固體雜質(zhì)的因素，建立了氣井中渦流工具攜液攜砂的流動模型。通過對比氣井含砂與不含砂條件下渦流工具的攜液作用，分析了氣井含砂對液相流動規(guī)律、體積分?jǐn)?shù)、速度分布的影響，以期為渦流工具的現(xiàn)場應(yīng)用以及防砂治理提供依據(jù)。

1模型建立及模型優(yōu)化

1.1數(shù)學(xué)模型

選用歐拉模型進(jìn)行計算，并作出如下假設(shè)：

1）氣相為連續(xù)相，液、固兩相均為分散相;

2）入口流體為霧狀流;

3）氣、液、固三相入口速度相同;

4）流動過程中液相分布非常不均勻，流場內(nèi)既有液滴也有液膜[9-15]。

1.1.1多相流模型

連續(xù)性方程：

t（αqρq）+Δ·（αqρqυq）=∑nk=1mpq。（1）

動量守恒方程：

t（αiρiui）+Δ·（αiρiuiui）=-αiρig+Mi，? （2）

τL=αLμL（Δ·uL+Δ·uTL）+αL（λL-23μL）（Δ·uL）I，（3）

τs=-pis+αsμs（Δ·us+Δ·uTs）+

αs（λs-23μs）（Δ·us）I。（4）

1.1.2湍流模型

湍流強度：

I=u′uavg0.16（ReDh）-18 。 （5）????????

湍流動能：

k=32（uavgI）2 。?????? （6）

湍流耗散率：

ε=C0.75k1.5l0.93。（7）

式中：u′為均方速度，m/s;C為模型常量，取009;ReDh為以水力直徑為特征長度所求得的雷諾數(shù);uavg為平均速度，m/s;l為特征長度，m。

1.2幾何模型

圖1是根據(jù)現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)建立的螺旋變速體在井筒中的三維結(jié)構(gòu)簡圖。螺旋角為70°，螺旋翼深為4 mm，螺旋翼寬為5 mm，螺距為30 mm，螺旋段長85 mm，打撈頭部分長28 mm。

1.3模型正確性驗證

將螺旋紐帶試驗數(shù)據(jù)與本研究所采用的歐拉模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。圖2是不同Y軸距離處的軸向速度與試驗結(jié)果進(jìn)行對比的折線圖，可以看出數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢基本一致，相對誤差僅為2.5%，證明采用數(shù)值模擬的方法模擬渦流工具的方式具有可行性并且具有很高的可信度。

1.4邊界條件設(shè)定

入口設(shè)為速度入口（velocity-inlet），三相入口速度相同，液滴粒徑設(shè)為10 μm，砂粒體積分?jǐn)?shù)為10%。出口設(shè)為壓力出口（pressure-outlet），相對壓力設(shè)為0。水力直徑為67 mm，湍流強度為5%。選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計算邊界層流場。

2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1流動規(guī)律變化

圖3 a）—b）分別為渦流工具出口處到模型出口處井筒內(nèi)（Y=200～800 mm）的氣、液兩相和氣、液、固三相的流動跡線圖。總體而言，紊流流動經(jīng)過渦流工具后變成分層旋流。氣體以中心氣柱的形式在井筒中心處螺旋上升，液相與固相經(jīng)渦流工具后沿井筒內(nèi)壁螺旋向上流動。在渦流工具的作用下氣、液兩相較氣、液、固三相的運動更加規(guī)律，固相存在會影響渦流工具對氣、液兩相的旋流效果，渦流工具對液相的離心作用明顯減小。

2.2體積分?jǐn)?shù)變化

圖4是在入口速度為6.5 m/s、液相體積分?jǐn)?shù)為10%、固相體積分?jǐn)?shù)為10%時氣、液兩相和氣、液、固三相流動中Y軸方向液相的體積分?jǐn)?shù)變化圖?？梢钥闯?，氣、液兩相流動時液體靠近壁面處流動，壁面至井筒中心處液相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。氣、液、固三相流動時，由于固相所受離心力大于液相，液相不再靠近壁面處流動，逐漸趨于井筒中心分布，液相在固相與井筒壁面之間螺旋上升。

氣井不含砂時液相較為分散地分布于井筒中，渦流工具的攜液率為95%左右，相同軸向距離處液相體積分?jǐn)?shù)較氣井含砂時小，說明該工況下氣井含砂有利于氣井?dāng)y液。隨著距離的增加，在Y=350 mm處液體在靠近管壁處形成較穩(wěn)定的液膜，固體厚度不再發(fā)生明顯的變化。

2.3速度分布變化

圖5是入口速度為6.5 m/s時，不同Y軸截面Y=350，500，550，600 mm處氣、液兩相和氣、液、固三相流動的液相軸向速度分布圖，隨著井筒中心到壁面徑向距離的增加，速度逐漸增加。隨著Y軸距離的增加，氣、液兩相流經(jīng)過渦流工具后速度先增加后緩慢減小，當(dāng)距離增加到Y(jié)=500 mm時兩相流速度以很小的趨勢逐漸減小。隨著距離的增加，三相流速度以不規(guī)律的趨勢逐漸減小。氣井不含砂時，液相經(jīng)過渦流工具后速度增加1倍左右，氣井含砂時速度僅增加0.4倍左右。氣井含砂時的液相速度小于不含砂時的速度且速度分布不規(guī)律，說明固相會增加運動阻力，使運動更加復(fù)雜。

圖6是入口速度為10 m/s時，Y=350，500，550，600 mm處液相的軸向速度分布變化圖。比較速度為6.5 m/s時液相速度分布圖可知，在渦流工具的作用下當(dāng)Y軸距離達(dá)到500 mm時氣、液兩相流動速度才開始逐漸減小，旋流段長度增加了150 mm，隨著速度的增加，渦流工具作用的旋流段長度也增加。氣井含砂時，Y=350 mm處液相速度隨著距離的增加逐漸減小，旋流段長度沒有發(fā)生改變，說明氣井含砂會縮短渦流工具作用的旋流段長度。速度為10 m/s、氣井含砂條件下，液相速度變化較6.5 m/s時規(guī)律，說明速度增加有利于渦流工具對氣、液、固三相的旋流作用，速度增加能夠提高氣井中渦流工具的攜液能力。

2.4氣井含砂對渦流工具攜液能力的影響

圖7為渦流工具作用下氣井中含砂含水以及氣井中只含水時氣井?dāng)y液能力的對比圖?？梢钥闯鱿嗤瑮l件下，固相的存在會影響液相的運動規(guī)律，密度較大的固體所受離心力大于液體，從而渦流工具對液體的螺旋作用明顯降低，固相沿井筒內(nèi)壁面螺旋上升，液相趨近于井筒中心分布。由于固相的存在使運動阻力增加使液相的軸向速度分布不規(guī)律、紊流程度增強，從而使液滴之間碰撞聚結(jié)程度增強，液相與氣相之間的混合程度增強，使液體更容易被氣體攜帶流出。在相同軸向距離處氣井不含砂時液相的體積分?jǐn)?shù)較氣井含砂時小，說明氣井含砂有利于氣井?dāng)y液。

3結(jié)論

1）在渦流工具的作用下，氣、液兩相流動較氣、液、固三相的運動更加規(guī)律。固相存在會影響渦流工具對氣、液兩相的旋流效果，渦流工具對液相的離心作用明顯減小。

2）氣井不含砂時，液相較為分散地分布于井筒中，渦流工具攜液率為95%。相同軸向距離處，氣井不含砂時液相的體積分?jǐn)?shù)較含砂時小，說明該工況下氣井含砂有利于氣井?dāng)y液。

3）氣井不含砂時，液相經(jīng)過渦流工具后速度增加1倍左右，氣井含砂時速度僅增加0.4倍左右。隨著Y軸距離的增加，氣、液兩相流經(jīng)過渦流工具后速度先增加后緩慢減小，而三相流速度分布較不規(guī)律。說明固相會增加運動阻力，使運動更加復(fù)雜。

4）氣井不含砂時，速度為10 m/s時，渦流工具作用的旋流段長度較6.5 m/s時增加了150 mm。氣井含砂時，速度在Y=350 mm處開始減小，旋流段長度并沒有發(fā)生改變，說明氣井含砂會縮短渦流工具作用的旋流段長度。但速度為10 m/s，氣井含砂條件下，液相速度變化較6.5 m/s時規(guī)律，說明速度增加有利于渦流工具對氣、液、固三相的旋流作用且有利于氣井?dāng)y液。

5）本文考慮氣井同時含砂含水的問題，研究了氣井出砂對渦流工具攜液能力的影響情況，相比以往氣井中渦流工具排水采氣的研究更具有現(xiàn)實意義，更加符合現(xiàn)場的實際情況。但對于不同油氣井及不同的生產(chǎn)參數(shù)，渦流工具的攜液攜砂效果差異很大，因此需考慮不同工況參數(shù)下渦流工具的攜液攜砂效果，提高渦流工具的實用性。目前仿真模擬軟件與實際流體的邊界條件差異較大，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際運動狀態(tài)存在較大差異，在實際工程問題中難以得到應(yīng)用[16]，因此應(yīng)采用現(xiàn)場實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真，并在此基礎(chǔ)上開展室內(nèi)試驗，以為現(xiàn)場實際應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)/References：

[1]高素娟.基于FLUENT的井下滿眼渦流工具分析[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2018，47（2）：59-63.

GAO Sujuan. Analysis on downhole full-hole vortex tool based on FLUENT [J]. Technology and Development of Chemical Industry， 2018，47（2）： 59-63.

[2]常永峰， 李凱， 常森， 等. 射流渦流排水采氣裝置攜水?dāng)?shù)值模擬研究[J]. 石油機械， 2017， 45（11）： 50-55.

CHANG Yongfeng， LI Kai， CHANG Sen， et al. Numerical simulation of water carrying on jet vortex drainage gas recovery device[J]. China Petroleum Machinery， 2017， 45 （11）： 50-55.

[3]許劍，趙哲軍， 朱江.數(shù)模與物模相結(jié)合研究渦流工具攜液機理[J].中外能源，2016，21（7）：55-58.

XU Jian， ZHAO Zhejun. Numerical simulation and physical modeling on liquid carrying mechanism of vortex tool [J]. Sino-global Energy， 2016，21 （7）： 55-58.

[4]陳德春，韓昊.氣井渦流工具作用效果分析與臨界攜液流量實驗研究[J].天然氣地球科學(xué)，2015，26（11）：2137-2141.

CHEN Dechun， HAN Hao. An experimental study on the effect of the vortex tool and its influence on critical velocit [J]. Natural Gas Geoscience， 2015，26 （11）： 2137-2141.

[5]李洪波. 氣砂兩相流在天然氣開采過程中的理論及實驗研究[D]. 成都：四川大學(xué)， 2004.

LI Hongbo. Theoretical and Experimental Study on Gas Sand Two-phase in Natural Gas Exploitation [D]. Chengdu： Sichuan University， 2004.

[6]楊旭東，李麗，張軍，等.井下渦流工具排水采氣機理研究[J].石油機械，2015，43（5）：81-86.

YANG Xudong， LI Li， ZHANG Jun. Mechanism study of downhole vortex tool for water drainage during gas production [J]. China Petroleum Machinery， 2015，43 （5）： 81-86.

[7]徐建寧，邵樂，梁慧榮，等.基于正交試驗的渦流排水采氣影響因素分析[J].石油礦場機械，2014，43（11）：52-56.

XU Jianning， SHAO Le， LIANG Huirong， et al. Based on orthogonal experiment analysis of factors affecting ortex drainage gas[J]. Oil field Equipment， 2014，43 （11）： 52-56.

[8]高暉，郭烈錦，張西民.螺旋管內(nèi)氣液固三相流顆粒相分布規(guī)律[J].工程熱物理學(xué)報，2004，25（1）：69-72.

GAO Hui， GUO Liejin， ZHANG Ximin. Particle phase distribution in gas-liquid-solid three-phase through helically coiled tube[J]. Journal of Engineering Thermophysics， 2004，25 （1）： 69-72.

[9]趙玉新.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用實例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[10]SURENDRA M， FALCONE G C. Investigation of Swirl Flows Applied to the Oil and Gas Industry [R]. [S.l.]： SPE 115938， 2008.

[11]張少峰，孫姣.氣液固循環(huán)流化床顆粒分布板實驗研究[J].化學(xué)工程，2006，34（3）：20-23.

ZHANG Shaofeng， SUN Jiao. Experimental study on particle distributor in gas-liquid-solid circulating fluidized bed [J]. Chemical Engineering， 2006，34 （3）： 20-23.

[12]任壘，賈然，曹正安，等.井下渦流工具排液效果影響因素研究進(jìn)展[J].機械研究與應(yīng)用，2015，28（3）：49-51.

REN Base， JIA Ran， CAO Zhengan， et al. Research status and outlook of vortex tool for liquid discharge in gas well[J]. Mechanical Research and Application， 2015，28 （3）： 49-51.

[13]張春，金大權(quán)，王晉，等.蘇里格氣田井下渦流排水采氣工藝研究[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2012，6（5）：45-48.

ZHANG Chun， JIN Daquan， WANG Jin， et al. Drainage gas recovery by downhole eddy current used Sulige gasfield[J]. Natural Gas Technology and Economy， 2012，6 （5）： 45-48.

[14]周際永，伊向藝，盧淵.國內(nèi)外排水采氣工藝綜述[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2005，36（sup1）：44-45.

[15]熊健，李凌峰，張濤.氣井臨界攜液流量的計算方法[J].天然氣與石油，2011，29（4）：54-56.

XIONG Jian， LI Lingfeng， ZHANG Tao. Calculation of critical liquid carrying flow rate in gas well [J]. Natural Gas and Oil， 2011， 29（4）： 54-56.

[16]康健. 組合式排水采氣工具在采氣過程中的數(shù)值模擬研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2016.

KANG Jian. The Numerical Simulation Study of Combined Water Drainage Gas Recovery Tools in Gas Production Processes [D]. Daqing： Northeast Petroleum University， 2016.第36卷第1期河北工業(yè)科技Vol.36，No.1