陳德春，姚亞，韓昊，付剛，宋天驕，謝雙喜

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300456）

氣井渦流排液采氣工具有效作用長(zhǎng)度

陳德春1，姚亞1，韓昊1，付剛1，宋天驕1，謝雙喜2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300456）

針對(duì)目前對(duì)渦流工具適用條件和工具有效作用長(zhǎng)度認(rèn)識(shí)不清，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與分析主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而影響使用效果等問(wèn)題，運(yùn)用AutoCAD和Fluent流體模擬軟件，建立渦流工具氣液兩相流場(chǎng)模型，研究流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的衰減規(guī)律，預(yù)測(cè)渦流工具有效作用長(zhǎng)度，并分析井筒氣液狀況和工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)有效作用長(zhǎng)度的影響。研究結(jié)果表明：流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的衰減規(guī)律符合對(duì)數(shù)遞減，以對(duì)數(shù)遞減公式預(yù)測(cè)的渦流工具有效作用長(zhǎng)度介于10～100 m；流體入口速度和井筒氣液比是影響工具有效作用長(zhǎng)度的主要因素，入口速度和氣液比增大，有效作用長(zhǎng)度增大；槽寬為60 mm時(shí)，工具有效作用長(zhǎng)度較大，排液效果較好；減小槽深和工具與油管之間的間隙，流體速度增大，有效作用長(zhǎng)度增大。研究結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選和排液效果的提高提供理論依據(jù)。

排水采氣；渦流工具；有效作用長(zhǎng)度；數(shù)值模擬；氣液狀況；結(jié)構(gòu)參數(shù)

0　引言

隨著氣藏開(kāi)采程度的增加，地層壓力和產(chǎn)氣量逐漸降低，氣體攜液能力減弱，同時(shí)水侵量不斷增加，嚴(yán)重影響氣井自噴產(chǎn)量，甚至造成氣井水淹停產(chǎn)［1-3］。為提高氣井自噴排水采氣效果，美國(guó)于2004年研究出一種新型高效渦流工具。該工具將氣液兩相霧流轉(zhuǎn)換為螺旋環(huán)流，降低了流動(dòng)壓力損失，減小了臨界攜液流量，提高了氣體攜液效率［4-5］，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好［6-8］。然而，渦流攜液技術(shù)的應(yīng)用超前于理論研究，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)渦流工具的有效作用長(zhǎng)度以及其影響因素，大多只給出了定性描述，工程設(shè)計(jì)與分析仍處于經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)。2012年，岳君等［9］將渦旋環(huán)膜流膜厚降低到初始膜厚5%時(shí)的流動(dòng)距離設(shè)定為渦流有效距離，缺乏充分的理論依據(jù)；2015年，杜汶濃［10］通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了旋流維持的距離，但沒(méi)有將實(shí)驗(yàn)條件和氣井真實(shí)生產(chǎn)參數(shù)結(jié)合起來(lái)，誤差較大。為此，筆者根據(jù)渤海G2氣井實(shí)際生產(chǎn)狀況，研究建立了渦流氣液兩相流場(chǎng)模型，利用Fluent軟件對(duì)渦流工具進(jìn)行數(shù)值模擬，研究流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的衰減規(guī)律，為計(jì)算渦流工具有效作用長(zhǎng)度打下理論基礎(chǔ)；同時(shí)，分析了井筒氣液狀況以及工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)有效作用長(zhǎng)度的影響，為科學(xué)有效地使用該技術(shù)提供了理論依據(jù)。

1　渦流氣液兩相流場(chǎng)模型建立

1.1幾何模型

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)流筒用于流體流通，螺旋變速體用于改變流體流態(tài)［11］。筆者根據(jù)工具的真實(shí)數(shù)據(jù)，采用AutoCAD建立了螺旋變速體的幾何模型（見(jiàn)圖1）。螺旋變速體的幾何參數(shù)主要包括頂角角度、槽寬、槽深及螺旋葉片導(dǎo)程。

1.2數(shù)學(xué)模型

1.2.1多相流模型

氣液兩相在螺旋上升過(guò)程中，兩相之間存在相互作用力，選用Fluent軟件中的歐拉模型進(jìn)行計(jì)算，更為精確［12］。歐拉模型的控制方程組主要包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，表達(dá)式分別為

式中：ρk為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；uk為速度，m/s；▽為哈密爾頓算子；pk為壓力，MPa；I為單位張量；Tk為剪應(yīng)力張量，MPa；g為重力加速度，m/s2；ek為比內(nèi)能，J/ kg；qk為體積熱源，W/m3；下標(biāo)k代表氣相或液相（k=g時(shí)代表氣相，k=l時(shí)代表液相）。

1.2.2湍流模型

雷諾應(yīng)力模型摒棄了各向同性假設(shè)，更加嚴(yán)格地考慮了流線彎曲、渦旋、張力快速變化等因素。摒棄了渦黏性假設(shè)，考慮了雷諾應(yīng)力的對(duì)流和擴(kuò)散，對(duì)流體復(fù)雜流動(dòng)具有更高的預(yù)測(cè)精度。渦流氣液兩相流場(chǎng)為螺旋流、各向異性，采用雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行模擬具有較高的精度［13］。雷諾應(yīng)力模型的運(yùn)輸方程為

1.2.3數(shù)學(xué)模型正確性驗(yàn)證

基于M.Surendra的氣液兩相流螺旋紐帶實(shí)驗(yàn)［14］，對(duì)本研究采用的雷諾應(yīng)力模型與歐拉模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。將距離入口不同距離（Z）橫截面流體切向速度的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)完全一樣，相對(duì)誤差僅有2.3%?？梢?jiàn)，這2個(gè)模型能很好地模擬渦流工具導(dǎo)致的螺旋流動(dòng)。

1.3模擬參數(shù)

以渤海G2氣井實(shí)際資料設(shè)定Fluent軟件模擬參數(shù)：出口界面采用壓力出口，壓力值取8.96 MPa；入口界面采用速度入口，入口流速為0.84 m/s；操作溫度為366.91 K，重力加速度為9.81 m/s2，氣液比為55.6 m3/ m3；液滴直徑為0.1 mm，剛性液滴，不具有融合性；采用壁面函數(shù)處理壁面邊界層的流場(chǎng)。

2　渦流工具有效作用長(zhǎng)度預(yù)測(cè)

安裝渦流工具后，流體的流動(dòng)軌跡由直線變?yōu)槁菪€，氣液螺旋上升，流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增大，氣體攜液效率增大。因此，渦流工具的有效作用長(zhǎng)度主要取決于螺旋流動(dòng)維持長(zhǎng)度，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度減為0時(shí)，此時(shí)的流動(dòng)距離即為渦流工具的有效作用長(zhǎng)度。從Fluent軟件中得到不同軸向位置處的流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度（即流體切向速度與軸向速度的比值）（見(jiàn)圖3）。圖中，Ω為流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，ΔZ為不同點(diǎn)與初始面的軸向距離，D為油管內(nèi)徑。

由圖3可以看出，雷諾數(shù)（Re）增大，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增大，并且旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度衰減規(guī)律均符合對(duì)數(shù)遞減規(guī)律，擬合公式如式（5）所示，擬合精度均大于0.9。

式中：a，b為擬合系數(shù)。

3　有效作用長(zhǎng)度影響因素分析

3.1入口速度對(duì)有效作用長(zhǎng)度的影響

產(chǎn)氣量不同，渦流工具排液效果不同，則有效作用長(zhǎng)度不同。產(chǎn)氣量的變化實(shí)質(zhì)是流體入口速度的變化，對(duì)入口速度分別為0.84，2.00，3.00，4.00 m/s的模型進(jìn)行流場(chǎng)模擬，得出不同入口速度時(shí)渦流工具的有效作用長(zhǎng)度，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，入口速度增大，則渦流工具有效作用長(zhǎng)度增大。這是因?yàn)椋肟谒俣仍龃?，流體流經(jīng)渦流工具之后，所受的離心力增加，螺旋流動(dòng)程度增加，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增大，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度減為0時(shí)的流動(dòng)距離增加。

3.2氣液比對(duì)有效作用長(zhǎng)度的影響

保持氣量恒定，減少水量，改變氣液比（55.6，100.0，1 000.0，2 000.0 m3/m3）進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出，氣液比增大，則渦流工具有效作用長(zhǎng)度增大。這是因?yàn)椋簹庖罕仍龃螅蕼p小，截面含液量減小，當(dāng)液滴直徑一定時(shí)，含水率越小，液滴數(shù)量就越少，流體流動(dòng)阻力也隨之減??；當(dāng)流體流經(jīng)渦流工具之后，氣液分離，氣流的阻力減弱，并且氣液比越大，流動(dòng)阻力減小的程度越小，氣體軸向速度越小，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增大，有效作用長(zhǎng)度增大。

3.3間隙對(duì)有效作用長(zhǎng)度的影響

改變螺旋變速體與油管內(nèi)壁之間的間隙（0，1，2，4 mm）進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出，間隙增大，渦流工具有效作用長(zhǎng)度減小。這是因?yàn)椋g隙增大，流體過(guò)流面積增大，加速作用減弱，流體速度減小，螺旋流動(dòng)程度減弱，同時(shí)間隙增大導(dǎo)致軸向流動(dòng)程度增強(qiáng)，螺旋流動(dòng)程度減弱，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度減小，有效作用長(zhǎng)度減小。

3.4槽寬對(duì)有效作用長(zhǎng)度的影響

目前使用的渦流工具，其槽寬均介于40～80 mm。對(duì)槽寬分別為40，45，50，60，70，80 mm的渦流工具模型進(jìn)行模擬對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7。

從圖7可以看出，槽寬減小，有效作用長(zhǎng)度先增大后減小，槽寬為60 mm時(shí)的有效作用長(zhǎng)度最大。這是因?yàn)?，槽寬減小，過(guò)流面積減小，流體速度增大，流體螺旋流動(dòng)程度增加，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增大，有效作用長(zhǎng)度增大。槽寬為60 mm時(shí)的氣體速度最大，槽寬小于60 mm時(shí)，氣液兩相受到較大的離心力向管壁運(yùn)動(dòng)，氣液分離效果變差，氣相受迎面液相壓力影響，速度減小，有效作用距離減小。

3.5槽深對(duì)有效作用長(zhǎng)度的影響

目前渦流工具的槽深大多介于5～15 mm，改變槽深（5，9，15 mm）進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖8可以看出，槽深增大，渦流工具的有效作用長(zhǎng)度減小。這是因?yàn)?，槽深增大，繞流器直徑減小，過(guò)流面積增大，渦流工具的加速作用減弱，流體速度減小，螺旋流動(dòng)程度減弱，有效作用長(zhǎng)度減小。

4　結(jié)論

1）本文建立的渦流模型的模擬結(jié)果與M.Surendra的螺旋紐帶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)完全一致，相對(duì)誤差僅為2.3%，能夠很好地模擬螺旋流動(dòng)。

2）螺旋流動(dòng)過(guò)程中，流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的衰減規(guī)律符合對(duì)數(shù)遞減，采用對(duì)數(shù)遞減公式預(yù)測(cè)的渦流工具有效作用長(zhǎng)度介于10～100 m。

3）槽寬為60 mm時(shí)，氣液分離效果較好，氣體流速較大，渦流工具有效作用長(zhǎng)度較大。選取槽寬為60 mm的渦流工具有利于排液。

4）流體入口速度和井筒氣液比對(duì)渦流工具有效作用長(zhǎng)度有很大影響。入口速度和氣液比增大，有效作用長(zhǎng)度增大。工具與油管之間的間隙對(duì)有效作用長(zhǎng)度影響較小，間隙和槽深減小，有效作用長(zhǎng)度增大。

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（編輯史曉貞）

Effective length of vortex tools for liquid discharge in gas wells

CHEN Dechun1，YAO Ya1，HAN Hao1，F(xiàn)U Gang1，SONG Tianjiao1，XIE Shuangxi2
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Engineering Technology Company，Energy Resources Development Co.Ltd.，CNOOC Ltd.，Tianjin 300456，China）

At present，there is still no clear understanding of applicable conditions and effective length of vortex tools，and field application and analysis are mainly based on experience，which can weaken the application effect of vortex tools.In order to study the attenuation law of fluid swirl intensity，predict effective length of vortex tools，and analyze the influence of structure parameters and gas-liquid condition on effective length，F(xiàn)luent and AutoCAD software are applied to establish two-phase vortex flow models. The research shows that fluid swirl intensity is conformed to logarithmic decrement and the effective length of vortex tools is in the range of 10-100 m.Furthermore inlet velocity and gas-liquid ratio are main factors influencing the effective length of vortex tools，and with the increase of inlet velocity and gas-liquid ratio，effective length becomes greater.Longer effective length and better liquid removing efficiency is with 60 mm trough width.With the decreases of trough depth and the space between vortex tools and tube，fluid velocity becomes higher and effective length increases.The results provide theoretical basis for the structure parameter optimization and improvement of drainage efficiency of vortex tools.

drainage gas recovery；vortex tools；effective length；numerical simulation；gas-liquid conditions；structure parameters

中海油能源發(fā)展股份有限公司科研項(xiàng)目“渦流工具攜液影響因素分析”（GC2014ZC2916）

TE377

A

10.6056/dkyqt201604028

2015-12-18；改回日期：2016-05-14。

陳德春，男，1969年生，教授，博士，現(xiàn)主要從事油氣開(kāi)采理論與技術(shù)的研究與教學(xué)工作。E-mail：chendc@upc.edu.cn。

引用格式：陳德春，姚亞，韓昊，等.氣井渦流排液采氣工具有效作用長(zhǎng)度［J］.斷塊油氣田，2016，23（4）：537-540.

CHEN Dechun，YAO Ya，HAN Hao，et al.Effective length of vortex tools for liquid discharge in gas wells［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：537-540.