井下渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

陳 杰，楊 志，耿鳳康，陳 勇，康 露

(西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500)

氣田進(jìn)入開發(fā)中后期后，產(chǎn)量不斷降低、產(chǎn)水量日益增多，排水采氣成為穩(wěn)產(chǎn)和提高采收率的必然選擇。渦流工具作為一種新型的排水采氣工藝技術(shù)，使用廣泛，且取得良好效果[1]。但渦流工具在國內(nèi)氣井上的使用效果不佳，究其原因是人們對渦流工具的使用條件尚未有較為明確的認(rèn)識，參數(shù)結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化。現(xiàn)場試驗證明[2-8]：使用渦流工具后氣井?dāng)y液量增大，井筒壓力損失降低，可為氣田提供一種經(jīng)濟(jì)合理解決井底積液問題的方案。張翠婷[9]對渦流工具的分氣效果進(jìn)行數(shù)值模擬，并對其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化；馮翠菊等[10]對影響渦流工具攜液效果的主要因素進(jìn)行了研究；吳丹等[11]研究了工具不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣井?dāng)y液效果的影響；陳德春等[12]對渦流工具部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化?；诖?，進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括螺距、導(dǎo)流葉片高度、內(nèi)徑、導(dǎo)程倍數(shù)和葉片數(shù)；井筒氣液條件包括液相分布、切向速度、軸向速度三個方面。通過建立渦流氣液兩相流場模型，采用數(shù)值模擬方法研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)分別對井筒氣液條件的影響；建立正交試驗方案，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 渦流工具流場模擬

渦流工具主要由導(dǎo)向腔、渦流變速體、投撈魚頭三部分組成。導(dǎo)向腔的作用是改變氣液兩相流動狀態(tài)，使之流入渦流變速體，渦流變速體是渦流工具的核心部位，渦流工具的作用效果通過渦流變速體實現(xiàn)。運用SolidWorks和Fluent流體模擬軟件，建立渦流工具模型。渦流工具示意圖與剖面圖分別如圖1、圖2所示。渦流工具參數(shù)如表1所示。

表1 渦流工具各項參數(shù)Table 1 Various parameters of vortex tool

圖1 渦流工具示意圖Fig.1 Schematic diagram of vortex tool

圖2 渦流工具剖面圖Fig.2 Section of vortex tool

將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并導(dǎo)入Fluent軟件中，設(shè)置模擬參數(shù)進(jìn)行計算。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。模型網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 渦流工具網(wǎng)格圖Fig.3 Grid chart of vortex tool

2 渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

渦流工具的作用是將氣液進(jìn)行分離，氣液分離效果越好，渦流工具作用效果越好。通過優(yōu)化渦流工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以提高渦流工具使用效果，從液相分布、切向速度、軸向速度3個角度分析螺距、導(dǎo)流葉片高度、內(nèi)徑、導(dǎo)程倍數(shù)、葉片數(shù)對渦流工具作用效果的影響。

2.1 螺距的影響

計算五組不同螺距的渦流工具，螺距長度分別為160、200、240、280、320 mm，幾何模型如圖4所示。

圖4 不同螺距結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of different pitch

2.1.1 螺距對液相分布的影響

取距離渦流工具相同位置處截面的液相分布云圖，如圖5所示。對比改變渦流工具螺距對液相分布的影響。由圖5可以看出，當(dāng)螺距為200 mm時，渦流工具氣液分離效果最好，壁面處的液相體積分?jǐn)?shù)最高，160 mm螺距效果次之，其他氣液分離效果從好到壞依次是螺距為240、280、320 mm。根據(jù)液相體積分?jǐn)?shù)變化可知，隨著螺距的增加，液相在壁面處的體積分?jǐn)?shù)不斷降低，渦流工具的作用效果逐漸變差。因此對液相分布的分析得出200 mm螺距的作用效果最好。

圖5 不同螺距下距離渦流工具相同位置處液相分布Fig.5 Liquid phase distribution at the same position of the vortex tool at different pitches

2.1.2 螺距對切向速度的影響

取距離渦流工具相同位置處截面的切向速度云圖，如圖6所示。切向速度越大，液滴所受慣性力越大，液滴易被甩至壁面，氣相的液體含量就越低，氣液分離效果也就越好。由圖6可以看出，隨著渦流工具螺距增大，切向速度逐漸降低，氣液分離效果逐漸變差。圖7為不同螺距下最大切向速度隨Z軸方向位置的變化，由圖7可知，當(dāng)螺距為160 mm時，切向速度最大，為3.005 m/s；200 mm螺距的最大切向速度為2.672 m/s；240 mm螺距的最大切向速度為2.81 m/s，但隨著螺距增大，切向速度不斷降低。通過對切向速度分析，螺距為160 mm時作用效果最好。

圖6 不同螺距下距離渦流工具相同位置處切向速度云圖Fig.6 Tangential velocity clouds at the same position of the vortex tool at different pitc

圖7 不同螺距的最大切向速度隨Z軸方向位置的變化Fig.7 Variation of maximum tangential velocity with different pitch with Z-direction position

2.1.3 螺距對軸向速度的影響

取距離渦流工具相同位置處截面的軸向速度云圖，如圖8所示。渦流工具將分散于氣相中的液滴轉(zhuǎn)變?yōu)橐耗じ街诠鼙冢跉怏w軸向速度的剪切作用下，液膜隨著氣相向上運動，管壁處氣相軸向速度越大，液膜就越易被氣相攜帶。由圖8可以看出，當(dāng)螺距為240、320 mm時，管壁處的軸向速度較小，當(dāng)螺距為160、200、280 mm時，管壁處的軸向速度大致相同。圖9為X-Z截面上不同螺距在不同Z方向位置處的軸向速度分布。從圖9可以看出，螺距160、200、280 mm在管壁處的軸向速度大致相同，攜液能力相對較好。

圖8 不同螺距下距離渦流工具相同位置處軸向速度云圖Fig.8 Axial velocity clouds at the same position of the vortex tool at different pitches

圖9 不同螺距下距離渦流工具相同位置處軸向速度分布Fig.9 Axial velocity distribution at the same position of the vortex tool at different pitches

根據(jù)對液相分布、切向速度、軸向速度的分析，當(dāng)螺距為200 mm時，管壁處液相體積分?jǐn)?shù)高，切向速度較大，可以將氣液兩相很好的進(jìn)行分離，管壁處的軸向速度也較大，可以更好地攜帶液膜向上運動。因此，當(dāng)螺距為200 mm時，渦流工具的作用效果最好。

2.2 導(dǎo)流葉片高度的影響

計算五組不同高度的導(dǎo)流葉片的渦流工具，導(dǎo)流葉片高度分別為5、10、15、20、25 mm，幾何模型如圖10所示。

圖10 不同導(dǎo)流葉片高度結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structural diagram of different height of guide vane

2.2.1 導(dǎo)流葉片高度對液相分布的影響

取相同位置處截面上的液相分布云圖，如圖11所示。由圖11可知，隨著導(dǎo)流葉片高度的增加，管壁處的液相逐漸增加，液膜厚度逐漸增加，當(dāng)葉片高度為25 mm時，管壁液相厚度分布不均勻，而當(dāng)葉片高度為20 mm時，液膜分布更為均勻。因此，根據(jù)對液相分布的分析可以初步得出20 mm高度的作用效果最好。

圖11 不同葉片高度下在相同位置處液相分布Fig.11 Liquid phase distribution at the same position at different blade heights

2.2.2 導(dǎo)流葉片高度對切向速度的影響

取相同位置處截面上的切向速度云圖，如圖12所示。由圖12可知，隨著導(dǎo)流葉片高度的增加，切向速度逐漸增大。由圖13可知，隨著導(dǎo)流葉片高度的增加，切向速度也隨之增大，切向速度的變化趨勢相同，當(dāng)葉片高度為25 mm時，最大切向速度為 3.091 m/s。因此，根據(jù)對切向速度的分析可以得出，葉片高度越大，切向速度越大，所以25 mm高度最優(yōu)。

圖12 不同葉片高度下在相同位置處切向速度云圖Fig.12 Tangential velocity clouds at the same position at different blade heights

圖13 不同葉片高度下最大切向速度隨軸向位置的變化Fig.13 Variation of maximum tangential velocity with axial position at different blade height

2.2.3 導(dǎo)流葉片高度對軸向速度的影響

取相同位置處截面上的軸向速度云圖，如圖14所示。由圖14可以看出，隨著導(dǎo)流葉片厚度的增加，軸向速度變化不大，圖14中軸向速度變化范圍一致。圖15為X-Z截面上不同葉片高度在相同位置處的軸向速度分布，從圖中可以看出，軸向速度在管壁處的大小基本相同。

圖14 不同葉片高度下在相同位置處軸向速度云圖Fig.14 Axial velocity clouds at the same position at different blade heights

圖15 不同葉片高度下在相同位置處軸向速度分布曲線Fig.15 Axial velocity distribution at the same position at different blade heights

根據(jù)對液相分布、切向速度、軸向速度的分析，20 mm高度液相體積分?jǐn)?shù)高，20 mm高度的最大切向速度僅比25 mm高度的最大切向速度低 0.098 m/s，改變?nèi)~片高度對于軸向速度的影響較小。因此，當(dāng)葉片高度為20 mm時，渦流工具的作用效果最好。

2.3 內(nèi)徑的影響

計算五組不同內(nèi)徑的渦流工具，內(nèi)徑分別為38、42、46、50、54 mm，幾何模型如圖16所示。

圖16 不同內(nèi)徑結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16 Structural diagram of different inner diameter

2.3.1 內(nèi)徑對液相分布的影響

取相同位置處截面上的液相分布云圖，如圖17所示。由圖17可知，隨著內(nèi)徑的增加，管壁處液相分布逐漸增加，液相體積分?jǐn)?shù)不斷增大。根據(jù)對液相分布的分析可以得出54 mm內(nèi)徑的作用效果最好。

圖17 不同內(nèi)徑在相同位置處液相分布Fig.17 Liquid phase distribution at the same position with different inner diameters

2.3.2 內(nèi)徑對切向速度的影響

取相同位置處截面上的切向速度云圖，如圖18所示。由圖18，隨著內(nèi)徑的增加，切向速度逐漸增大。圖19為不同內(nèi)徑下最大切向速度隨Z方向位置的變化。從圖19可以看出，隨著內(nèi)徑的增加，切向速度顯著提升，當(dāng)內(nèi)徑為54 mm時，最大切向速度為3.826 m/s。根據(jù)對切向速度的分析得出 54 mm 內(nèi)徑的作用效果最優(yōu)。

圖18 不同內(nèi)徑在相同位置處切向速度云圖Fig.18 Tangential velocity clouds at the same position with different inner diameters

圖19 不同內(nèi)徑下最大切向速度隨Z方向位置的變化Fig.19 Variation of maximum tangential velocity with Z-position in different internal diameters

2.3.3 內(nèi)徑對軸向速度的影響

取相同位置處截面上的軸向速度分布云圖，如圖20所示。由圖20可以看出，內(nèi)徑為38、42和 46 mm 的軸向速度變化范圍一致，內(nèi)徑為50、54 mm的軸向速度變化范圍一致。圖21為X-Z截面上相同位置處的軸向速度分布，從圖21中可以看出，內(nèi)徑越大，管壁附近的軸向速度越大。

圖20 不同內(nèi)徑在相同位置處軸向速度云圖Fig.20 Axial velocity clouds at the same position with different inner diameters

圖21 不同內(nèi)徑在相同位置處的軸向速度分布Fig.21 Axial velocity distribution of different inner diameters at the same position

根據(jù)對液相分布、切向速度、軸向速度的分析，內(nèi)徑越大，切向速度越大，壁面處的軸向速度越大。因此，內(nèi)徑為54 mm時，渦流工具的作用效果最好。

2.4 導(dǎo)程倍數(shù)的影響

計算四組不同導(dǎo)程倍數(shù)的渦流工具，導(dǎo)程倍數(shù)為0.5、1、1.5、2倍，長度分別為120、240、360、480 mm，幾何模型如圖22所示。

圖22 不同導(dǎo)程倍數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.22 Structural diagram of different lead multiples

2.4.1 導(dǎo)程倍數(shù)對液相分布的影響

取距離渦流工具相同位置處截面上的液相分布云圖，如圖23所示。由圖23可知，隨著導(dǎo)程倍數(shù)增加，管壁處液膜覆蓋的范圍不斷增大，管壁處的液相體積分?jǐn)?shù)不斷增加。從圖23可以看出1.5倍導(dǎo)程和2倍導(dǎo)程的液相分布大致相同，初步分析出1.5導(dǎo)程和2倍導(dǎo)程效果最好。

圖23 不同導(dǎo)程倍數(shù)下在距離渦流工具相同位置處液相分布Fig.23 Liquid phase distribution at the same position from the vortex tool at different lead multiples

2.4.2 導(dǎo)程倍數(shù)對切向速度的影響

取距離渦流工具相同位置處截面上的切向速度分布云圖，如圖24所示。由圖24可知，1倍和2倍導(dǎo)程的切向速度最大，0.5倍和1.5倍導(dǎo)程切向速度最小。圖25為不同導(dǎo)程倍數(shù)下最大切向速度隨Z方向位置的變化。從圖25可以看出，1倍導(dǎo)程的最大切向速度為2.81 m/s；1.5倍和2倍導(dǎo)程的最大切向速度分別為2.306、2.478 m/s，1.5倍和2倍導(dǎo)程切向速度變化曲線大致相同，0.5倍導(dǎo)程最大切向速度最低，最大切向速度為1.49 m/s。因此，根據(jù)切向速度分析，1倍導(dǎo)程的作用效果最優(yōu)。

圖24 不同導(dǎo)程倍數(shù)下在距離渦流工具相同位置處切向速度云圖Fig.24 Tangential velocity clouds at the same position from the vortex tool at different lead multiples

圖25 不同導(dǎo)程倍數(shù)下最大切向速度隨Z方向位置的變化Fig.25 Variation of maximum tangential velocity with position in Z-direction at different lead multiples

2.4.3 導(dǎo)程倍數(shù)對軸向速度的影響

取距離渦流工具相同位置處截面上的軸向速度分布云圖，如圖26所示。由圖26可知，0.5倍、1倍、1.5倍導(dǎo)程的軸向速度分布范圍相同，2倍導(dǎo)程的軸向速度分布范圍最大；1倍導(dǎo)程的軸向速度最大。圖27為X-Z截面上不同Z方向位置處的軸向速度分布。從圖27可以得出，1倍和1.5倍導(dǎo)程在管壁處的軸向速度大致相同，0.5倍導(dǎo)程在管壁處的軸向速度略低，2倍導(dǎo)程在管壁處的軸向速度最小。

圖26 不同導(dǎo)程倍數(shù)下在距離渦流工具相同位置處軸向速度云圖Fig.26 Axial velocity clouds at the same position from the vortex tool at different lead multiples

圖27 不同導(dǎo)程倍數(shù)距渦流工具相同位置處軸向速度分布Fig.27 Axial velocity distribution at the same position from the eddy vortex tool at different lead multiples

根據(jù)對液相分布、切向速度、軸向速度的分析，1.5倍和2倍導(dǎo)程的液相分布最好；1倍導(dǎo)程的切向速度分布最好，其次是2倍、1.5倍導(dǎo)程。2倍導(dǎo)程在管壁處的軸向速度最低，攜帶液膜的能力最差。綜合考慮，1.5倍導(dǎo)程作用效果最好。

2.5 葉片數(shù)的影響

計算四組不同葉片數(shù)的渦流工具，葉片數(shù)量分別為1、2、3、4，幾何模型如圖28所示。

圖28 不同葉片數(shù)模型示意圖Fig.28 Structural diagram of different leaf number models

2.5.1 葉片數(shù)對液相分布的影響

取相同位置處截面上的液相分布云圖，比較改變?nèi)~片數(shù)對液相分布的影響，如圖29所示。由圖29可知，1葉片形成的液膜覆蓋管壁的1/2；2葉片形成的液膜基本覆蓋整個管壁；3葉片形成的液膜覆蓋管壁3/4；4片形成的液膜覆蓋較差，小于1/2，且液相體積分?jǐn)?shù)較低，分布不連續(xù)。因此，根據(jù)液相分布的分析得出2葉片作用效果最優(yōu)。

圖29 不同葉片數(shù)下在相同位置處液相分布Fig.29 Liquid phase distribution at the same position with different number of blades

2.5.2 葉片數(shù)對切向速度的影響

取相同位置處截面上的切向速度分布云圖，如圖30所示。由圖30可知，4葉片的切向速度最大，其次為1葉片、2葉片、3葉片。由圖31可知，4葉片最大切向速度最大，最大切向速度為2.851 m/s，其次是1葉片，2葉片，3葉片。根據(jù)切向速度分析可以得出4葉片效果最好。

圖30 不同葉片數(shù)下在相同位置處切向速度云圖Fig.30 Tangential velocity clouds at the same position with different number of blades

圖31 不同葉片數(shù)下最大切向速度隨Z方向位置的變化Fig.31 Variation of maximum tangential velocity with position in Z-direction at different number of blades

2.5.3 葉片數(shù)對軸向速度的影響

取相同位置處截面上的軸向速度分布云圖，如圖32所示。圖33為X-Z截面上相同位置處的軸向速度分布。從圖33可以看出，2葉片和4葉片在管壁處的軸向速度最高，而且二者大致相同，1葉片和3葉片在管壁處的軸向速度大致相同，而且較低。根據(jù)軸向速度分析，2葉片和4葉片效果最好。

圖32 不同葉片數(shù)下在相同位置處軸向速度云圖Fig.32 Axial velocity clouds at the same position with different number of blades

圖33 不同葉片數(shù)下在相同位置處軸向速度分布Fig.33 Axial velocity distribution at the same position with different number of blades

從液相分布角度分析，2葉片最好；從切向速度角度分析，4葉片最好，2葉片次之，二者最大切向速度差值為0.014 m/s，差距很??；從軸向速度角度分析，2葉片和4葉片效果最好。因此，當(dāng)葉片數(shù)為2時，渦流工具作用效果最好。

3 正交試驗

由于單因素分析參數(shù)并不一定是整體最優(yōu)參數(shù)結(jié)構(gòu)，所以從正交試驗角度分析最優(yōu)參數(shù)組合。正交試驗選擇了五因素下對渦流工具作用效果影響最大的三水平進(jìn)行正交試驗，如表2所示。

表2 正交試驗因素及水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment

旋流強度一般用旋流數(shù)來表示，它可以直接體現(xiàn)渦流工具的分離效果。旋流數(shù)Sw是無量綱數(shù)，它是截面上切向速度積分和軸向速度積分的比值。旋流數(shù)決定氣相中液相含量的多少，是評價渦流工具作用效果的重要參數(shù)[13]。

旋流數(shù)Sw計算公式為

(1)

式(1)中：ρM為氣液兩相混合密度，kg/m3；μz為氣液兩相軸向速度，m/s；μθ為氣液兩相切向速度，m/s；Ro為油管半徑，m。

由于五因素三水平，所以選擇了L27(313)正交試驗表，根據(jù)正交試驗表設(shè)計試驗，將27組試驗設(shè)置相同的邊界條件，分別進(jìn)行數(shù)值模擬，取相同位置處的旋流數(shù)。

五因素三水平正交試驗如表3所示。由表3可知，旋流數(shù)最大為試驗號13、14、15，分別為0.601、0.602、0.603，三者旋流數(shù)大致相同。圖34為五因素水平隨旋流數(shù)的變化趨勢，觀察這3組的參數(shù)發(fā)現(xiàn)只有葉片數(shù)不同，其他4組參數(shù)都相同。根據(jù)極差可以得出各參數(shù)對渦流工具作用效果的影響為內(nèi)徑>螺距>導(dǎo)程倍數(shù)>導(dǎo)流葉片高度>葉片數(shù)。由于增加葉片數(shù)對渦流工具作用效果影響很小，而且多葉片會增加加工難度，因此最優(yōu)參數(shù)組合為：內(nèi)徑54 mm、螺距200 mm、導(dǎo)流葉片高度20 mm、1倍導(dǎo)程、單葉片。

表3 正交試驗Table 3 Orthogonal experiment

圖34 因素水平隨旋流數(shù)的變化趨勢Fig.34 Variation of factor level with swirl number

4 結(jié)論

從液相分布、切向速度和軸向速度3個角度分析螺距、導(dǎo)流葉片高度、內(nèi)徑、導(dǎo)程倍數(shù)、葉片數(shù)對渦流工具作用效果的影響，得到如下結(jié)論。

(1)隨著螺距的增加，切向速度不斷降低，渦流工具分離氣液效果逐漸變差，管壁處軸向速度也逐漸降低，合理螺距推薦200 mm。

(2)隨著導(dǎo)流葉片高度增加，切向速度不斷增大，但增加幅度不大，壁面處軸向速度基本相同，合理葉片高度推薦25 mm。

(3)隨著內(nèi)徑增大，切向速度逐漸增大，且增加幅度較大，壁面軸向速度逐漸增大，合理內(nèi)徑推薦54 mm。

(4)不同導(dǎo)程倍數(shù)中，1倍導(dǎo)程最大，其次是2倍導(dǎo)程，再次是1.5倍導(dǎo)程，但是1.5倍和2倍差距不大，由于2倍導(dǎo)程管壁處軸向速度較低，合理導(dǎo)程倍數(shù)推薦1.5。

(5)隨著葉片數(shù)增加，切向速度和軸向變化不大，但是2葉片的液相分布最好，合理葉片數(shù)推薦2葉片。

(6)正交試驗分析最優(yōu)的渦流工具參數(shù)組合為內(nèi)徑54 mm、螺距200 mm、導(dǎo)流葉片高度20 mm、1倍導(dǎo)程、單葉片。