泡沫排水采氣井強化排采裝置優(yōu)化設(shè)計

黃 斌，王思琪，郭軼聞，丁 琦，張 璐，唐博強，郭 偉，鄒 澈

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 166318；2.揭陽中石油昆侖燃氣有限公司，廣東 揭陽 515300；3.中國石化銷售股份有限公司湖北荊州石油分公司，湖北 荊州 434000)

0 引 言

油氣田開發(fā)過程中，泡沫起著非常重要的作用，如泡沫壓裂[1-6]、泡沫驅(qū)油[7-12]以及泡沫排水采氣等技術(shù)。泡沫排水采氣技術(shù)[13-22](以下簡稱為泡沫排采技術(shù))是天然氣開采過程中防止井筒內(nèi)液相滯留，改善或維持氣井生產(chǎn)能力的有效工藝之一。在泡沫排采技術(shù)的相關(guān)研究中，關(guān)于強化泡沫排采的研究比較多。Turner[23]基于氣井連續(xù)排液理論，得到了利用氣井井口壓力求解連續(xù)排液的最小流速諾模圖，為優(yōu)選排采管柱奠定了理論基礎(chǔ)。Yi等[24]利用三維模型對直井段內(nèi)泡沫排采的流體流動特征進行了研究，設(shè)計了一種脈沖式排水管柱。不過由于氣體的壓縮性較強，僅采用脈沖式排水管柱很難達到高效排液效果。Du等[25]利用Fluent軟件的多相流流體動力學(xué)模型，研究井筒內(nèi)氣液兩相流的流動狀態(tài)及流動路徑，并設(shè)計了改善氣井水平段內(nèi)流場的渦流工具。在之前的研究中，學(xué)者們主要是對水平井段排液管柱進行改進，少有對垂直井段進行研究。為此，通過建立排采管柱內(nèi)的氣體-泡沫流耦合模型，對泡沫排采井垂直井段的液相滯留結(jié)構(gòu)和二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，并通過實驗驗證了強化排采管柱的實用性。

1 液相滯留器工作原理

在泡沫排采過程中，井筒內(nèi)泡沫流會發(fā)生破裂現(xiàn)象，形成的液相沿井筒壁向下流動，嚴重影響泡沫流的遷移。液相滯留器是防止液相下流的有效手段之一。垂直井段液相滯留器的工作原理如圖1所示。

圖1 垂直井段液相滯留器工作原理示意圖

由圖1可知：在垂直井段中，正向泡沫流在從井筒底部流動到頂部的長距離運移過程中會發(fā)生破裂，泡沫破裂后生成的液流會沿著井壁沉降下來，井筒壁上的液相滯留結(jié)構(gòu)可以將井筒壁面的液相存儲起來，阻止其向下運移。垂直井段液相滯留器雖然能減少液相滯留，但也影響了正向泡沫流的流動，使泡沫流運移的流動阻力增大，一部分泡沫會進入到液相滯留器內(nèi)，進而降低液相滯留器對液相的滯留效果。對于這一現(xiàn)象，需要對目前的液相滯留器進行改進，將其與二次發(fā)泡裝置結(jié)合形成一種多級液相滯留發(fā)泡裝置，將普通液相滯留器的雙向滯留優(yōu)化為單向滯留，大幅度降低逆向泡沫流的流量。同時在二次發(fā)泡裝置中，正向氣流會沿著起泡結(jié)構(gòu)在夾縫處快速運動，與滯留槽內(nèi)的液相作用產(chǎn)生二次發(fā)泡，進一步抑制液相的反向流動。下文基于有限元分析法對液相滯留器與二次發(fā)泡裝置進行優(yōu)選。

2 天然氣井筒內(nèi)泡沫流動模型

使用COMSOL軟件建立天然氣井筒內(nèi)氣體-泡沫流動耦合模型，對泡沫排采井垂直井段的液相滯留器和二次發(fā)泡裝置進行數(shù)值模擬。

井筒中的液相由氣體攜帶，氣液流動方程為：

(1)

ρ▽·u=0

(2)

K=μ[▽u+(▽u)T]

(3)

ρ=ρ1+(ρ2-ρ1)φ

(4)

μ=μ1+(μ2-μ1)φ

(5)

式中：ρ為氣液體系的密度，kg/m3；μ為氣液體系的動力黏度，N·s/m2；u為氣液體系的速率，m/s；p為壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；F為氣液兩相之間的表面張力，N/m；t為時間，s；I為單位張量；K為黏性應(yīng)力，N/m2；T為溫度，K；ρ1、ρ2分別為氣體密度與液體密度，kg/m3；μ1、μ2分別為氣體黏度與液體動力黏度，N·s/m2；φ為液相體積分數(shù)；▽為哈密頓算子。

井筒內(nèi)氣液分布特征滿足關(guān)系式：

(6)

式中：γ為氣液體系流速的最大值，m/s；εls為氣液兩相間界面的厚度，m。

氣液兩相間界面的表面張力也會影響泡沫的穩(wěn)定性，其計算公式為：

F=σδκnint+δ▽sσ

(7)

κ=-▽nint

(8)

(9)

式中：σ為表面張力系數(shù)，N/m；δ為僅在流體界面處非零的狄拉克函數(shù)；к為氣液兩相間界面的曲率，m-1；▽s為界面切線方向向量；nint為界面法向量；nintJ為流體流動方向向量。

3 液相滯留器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為研究井筒內(nèi)液相在不同形態(tài)滯留器中的滯留效果，選取了矩形、波浪形及鋸齒形滯留器進行有限元模擬(圖2)。對于液相滯留器，評價其效果的主要因素是對液相的滯留能力，但也需考慮正向運移流體所受的流動阻力。因此，分別從液相滯留效果和泡沫流正向運移阻力2個方面對不同結(jié)構(gòu)滯留器的效果進行評價，并對滯留器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。3種不同類型滯留器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，l=1200 mm，w=2.5 mm，h=1 mm。

圖2 滯留器結(jié)構(gòu)示意圖

油管半徑為17 mm，流體以0.3 m/s的流速從油管底部流入，0 ms時液相位于滯留器底部位置，模擬時間為180 ms，時間步長為0.2 ms，液相滯留器中不同時間的氣相體積分數(shù)見圖3。

圖3 不同類型的液相滯留器對液相的滯留能力

在有限元模擬過程中發(fā)現(xiàn)，液相進到井筒后會逐步分散成小液滴，并進到泡沫流正向運移速度較高的井筒中部區(qū)域，此時，小液滴在高速泡沫流攜帶下會繼續(xù)向上運移，形成被泡沫二次攜帶的效果。由圖3可知：在波浪形滯留器內(nèi)，受氣相攜帶的影響，滯留的液相會在滯留器內(nèi)生成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，液相不會向下運移，說明波浪形滯留器擁有很強的儲液能力(圖3a)。在矩形滯留器內(nèi)，液相會向下逐漸運移至井筒中(圖3b)。這是因為矩形結(jié)構(gòu)不僅阻礙了液相的負向移動，同時也使泡沫流的正向運移受阻，說明矩形滯留器無法達到滯留液相的效果。鋸齒形滯留器內(nèi)的情況不同于波浪形滯留器內(nèi)液相的穩(wěn)定狀態(tài)，也不同于矩形滯留器內(nèi)的分散小液滴逐漸向井筒中部運移狀態(tài)；鋸齒形滯留器里的液相不穩(wěn)定性更高,液流會沿著滯留器壁面向下運移，回流至井底(圖3c)，此時液滴粒徑相對較大，后續(xù)液相無法將其攜帶至滯留器上部，不能實現(xiàn)有效滯留。

不同流速時滯留器入口壓力與井筒內(nèi)氣相體積分數(shù)見圖4。

由圖4a可知：在0.20 s內(nèi)波浪形滯留器中的氣相體積分數(shù)呈波動式變化且變化幅度不大，基本保持在0.828～0.834；說明滯留器內(nèi)液相在模擬時間內(nèi)并未發(fā)生明顯變化，滯留器內(nèi)氣液體系有可能已經(jīng)進入了一種動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)，其內(nèi)的液相保持相對穩(wěn)定。不過隨著氣相流速的增大，滯留器中的氣相體積分數(shù)明顯增大，顯然在高速氣流下氣體對液體的攜帶能力增強，由此判斷滯留器內(nèi)的液相在模擬后期存在向井口位置運移的趨勢。

由圖4b、c可知：在0.20 s內(nèi)矩形滯留器與鋸齒形滯留器中的氣相體積分數(shù)變化趨勢相似，矩形滯留器中的氣相體積分數(shù)由0.760升至0.960左右，鋸齒形滯留器中的氣相體積分數(shù)由0.850升至0.970左右；隨著氣相體積增加,滯留器中的液相不斷減少，可以判斷氣相體積分數(shù)增大是因為滯留器中的液相沿著壁面向下運移且移動速度較快(圖3b、c)。在不同注入速度下，滯留器中的氣相體積分數(shù)變化相差不大，說明在此流速范圍內(nèi)，流體流動狀態(tài)基本穩(wěn)定；在矩形滯留器中，低流速情況下氣相體積分數(shù)有更大的增幅，因此，在低流速下更難實現(xiàn)對液相的滯留。但在其他的流速條件下，氣相體積分數(shù)變化情況相近，且都低于流速為0.005 m/s時的氣相體積分數(shù)，因此，阻止矩形滯留器內(nèi)液相快速向下運移的最低流速為0.010 m/s。

圖4 不同類型滯留器內(nèi)的氣相體積分數(shù)及入口處壓力隨時間的變化

兩相流體在不同類型的滯留器中流動時，滯留器入口壓力會發(fā)生變化。由圖4d可知：滯留器入口處壓力呈波動式增大，與對圖4a的分析相同，液相在滯留器內(nèi)處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，不會向上或向下運移。除此之外，在不同流速下，在0.10～0.20 s時壓力呈穩(wěn)定狀態(tài)，壓力基本穩(wěn)定在3.3～4.0 Pa，流動阻力相對較低。

由圖4e可知：對于矩形滯留器，改變流速對入口壓力沒有太大影響，在初始時刻入口壓力比較低，在0.02～0.12 s時，滯留器入口壓力呈現(xiàn)一個先增大后減小的趨勢，最后逐漸穩(wěn)定。在該時間段內(nèi)，入口處的壓力最大能夠達到37.0 Pa左右，遠比波浪形滯留器中的入口壓力大。其原因為：由于滯留器中存在氣液兩相流，液相在0.00～0.02 s時處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但在0.02～0.12 s時滯留器中的液相逐漸開始分散，液滴停留在滯留器中部，增大了流動阻力；隨著液相聚集向下流動，最后液相幾乎被排凈，壓力穩(wěn)定在4.0～12.0 Pa。

由圖4f可知：鋸齒形滯留器入口壓力變化與矩形滯留器相似，這是因為這2種滯留器都不能對液相實現(xiàn)高效滯留，隨時間延長液相逐步分散，在滯留器內(nèi)向上或向下運移。對比以上數(shù)據(jù)可知，3種滯留器的入口壓力由大到小為：鋸齒形滯留器、矩形滯留器、波浪形滯留器。

4 二次發(fā)泡裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

井筒內(nèi)泡沫破碎后產(chǎn)生的液相暫時滯留在凹槽內(nèi)，但后續(xù)的液流會繼續(xù)回流至井底，導(dǎo)致液相無法長久滯留。因此，需對滯留的液相進行二次發(fā)泡，使其和泡沫流重新聚合，維持井筒里含有大量的泡沫流。初步設(shè)計了如圖5(紅色箭頭為泡沫流的流向；泡沫流流經(jīng)的通道為滯留壁夾縫)所示的3種二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)，并對其進行數(shù)值模擬分析。

圖5 不同類型二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)示意圖

對于井筒內(nèi)的泡沫流，發(fā)泡效率有可能隨著氣液流動特征復(fù)雜性升高而升高。根據(jù)建立的二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)，結(jié)合氣液兩相流模型，得到不同類型二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)中的液相體積分數(shù)分布(圖6)，以此觀察發(fā)泡特征。

圖6 不同類型二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)的發(fā)泡效果

由圖6可知：氣體在經(jīng)過滯留壁夾縫后進入液相的過程中會生成氣泡，且在初始時刻氣泡會穩(wěn)定產(chǎn)出，直到進入滯留器上壁處時發(fā)生分散，此時滯留器內(nèi)氣泡開始向左或向右運移；在入口流速相同的情況下，梯形發(fā)泡結(jié)構(gòu)中的氣液體系可以達到更高的流速，但從發(fā)泡效果來看并無顯著的變化，說明單純提升流動速度可能很難實現(xiàn)高效發(fā)泡(圖6a)。梯形發(fā)泡結(jié)構(gòu)內(nèi)的高速流可以攜帶液相，導(dǎo)致滯留器內(nèi)的液相更快流失(圖6b、c)。

在上述模擬分析中，較難通過觀察發(fā)泡效果來優(yōu)選發(fā)泡結(jié)構(gòu)。因此，選擇一個界面位置(圖6中橫線處)，通過界面位置處氣相體積分數(shù)的波動來獲取產(chǎn)生的氣泡數(shù)量，并利用產(chǎn)生的氣泡數(shù)量優(yōu)選發(fā)泡結(jié)構(gòu)。模擬曲線如圖7所示。圖7中，曲線的每一個波動代表產(chǎn)生一個氣泡。

由圖7可知，產(chǎn)生泡沫效果較好的發(fā)泡器是脈沖梯形發(fā)泡器及矩形發(fā)泡器。脈沖梯形發(fā)泡器發(fā)泡效果最佳，在0.5 s內(nèi)可產(chǎn)出8個氣泡；其次為矩形發(fā)泡器，在0.5 s內(nèi)產(chǎn)出7個氣泡；梯形發(fā)泡器發(fā)泡效果最差，在0.5 s內(nèi)僅產(chǎn)出6個氣泡。另外，脈沖發(fā)泡器的攜液效果更強(圖6)。因此，選擇脈沖梯形發(fā)泡器為泡沫排采井的液相二次發(fā)泡裝置。

圖7 橫線位置處氣相體積分數(shù)

5 實驗驗證

為驗證上文所述研究結(jié)果，并研究井筒內(nèi)泡沫的移動機理，利用圖8所示的實驗裝置開展泡沫排采實驗。實驗條件為：強化排采裝置設(shè)置在井筒下部2/5的位置；井筒底部注入壓力為1.0、1.5、2.0、2.5 MPa；初始液面高度為100 mm；泡沫排采的排液時間設(shè)定為從實驗開始到液面高度降低到1 mm的時間。觀測對比下入強化排采裝置和未下入強化排采裝置時井筒內(nèi)排液速度和液面高度(圖9)。

圖8 泡沫排采實驗裝置原理圖

由圖9a可知：未下入強化排采裝置時，不同的壓力下井筒內(nèi)的液面高度變化差異較大，當注入壓力為1.0～2.5 MPa時，排液時間為45～110 min，而且排液時間隨井底壓力的升高而逐步變短。其原因為：井底壓力較高時，氣體流速也較大，發(fā)泡速度遠低于氣體的排液速度，泡沫以非均勻相存在于井筒中，氣體對泡沫的攜帶能力增強，排液時間變短；而在低壓條件下，井筒內(nèi)的氣體流速較小，發(fā)泡速度和氣體的排液速度相近，井筒內(nèi)的泡沫以相對均勻的相態(tài)運移。說明對于泡沫排采技術(shù)來說，在較高的注入壓力及氣量下，其排采效率較高。

由圖9b可知：未下入強化排采裝置時，排液初期的排液速度較快，排液速度隨排液時間延長而顯著減小。產(chǎn)生這種情況的原因較為復(fù)雜：一是因為泡沫自身為不穩(wěn)定狀態(tài)，部分泡沫在排液過程中會破裂產(chǎn)生液相，該液相顯然不能被氣體進一步攜帶，導(dǎo)致排液后期的排液效率下降；二是氣體所攜帶的泡沫流在排液初期會吸附在井壁上，并破碎生成液相，且隨排液時間增加，井壁處均被液相吸附，后續(xù)的液相無法進一步吸附，回流至井底，致使排液后期的排液效率下降。

由圖9c、d可知：下入強化排采裝置時，井筒內(nèi)的液面高度不斷下降，并且在初始時刻就達到了很高的排液效率，排液速度在注入壓力為2.5 MPa時達到18.5 mm/min，在注入壓力為1.0 MPa時排液速度也達到了7.5 mm/min，說明該裝置的加入可以使排液速度得到明顯的提升，實現(xiàn)高效泡沫排采的目的。

圖9 不同井底壓力下井筒內(nèi)液面高度及排液速度隨時間的變化

6 結(jié) 論

(1) 受氣相攜帶的影響，波浪形滯留器內(nèi)的液相會生形成一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，液相不會向下移動，該滯留器儲液能力最強；矩形滯留器和鋸齒形滯留器內(nèi)的液相會流進井筒內(nèi)，并回流至井底，無法實現(xiàn)對液相的有效滯留。

(2) 氣體在經(jīng)過滯留壁夾縫進入液相的過程中會生成氣泡，且在初始時刻氣泡會穩(wěn)定產(chǎn)出，直到進入滯留器上壁處時發(fā)生分散，單純提升流動速度可能很難實現(xiàn)高效發(fā)泡。

(3) 脈沖梯形發(fā)泡器發(fā)泡效果最佳，在0.5 s內(nèi)可產(chǎn)出8個氣泡，且其攜液效果也較強。

(4) 井筒里的液面高度在加入強化排采裝置后不斷下降，并且在初始時刻就達到了很高的排液效率，表明該裝置的加入可以使排液速度得到明顯的提升，實現(xiàn)高效的泡沫排采。