天然氣井應用渦流工具排水采氣的流場分析

楊樹人，龐博學，劉麗麗

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）

天然氣井應用渦流工具排水采氣的流場分析

楊樹人，龐博學，劉麗麗

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）

渦流排水采氣技術施工方便、環保高效，在解決氣井積液問題方面前景廣闊。為進一步了解井下流場情況、分析氣井生產參數對氣井排液效果的影響，基于計算流體動力學方法，通過Fluent多相流模型對氣井內流動進行仿真模擬計算。通過觀察氣液流動狀態及速度矢量的變化以及監測井口氣相含量及其徑向分布，研究分析了渦流工具對氣井流場的影響規律，為生產工況的優選及渦流工具結構的優化提供依據。

氣井；排水采氣；渦流工具；Fluent

隨著天然氣工業的迅速發展，天然氣深度開采面臨的主要問題之一就是氣井積液。造成氣井積液的直接原因就是氣藏中含水并不斷滲入井筒，氣體攜液能力不足，造成井底積液，這嚴重影響了天然氣的有效開采［1］。選擇有效的排水采氣工藝技術，是延長氣井生產周期、提高采收率的關鍵［2］。渦流排水采氣技術是由中國石油天然氣集團公司引進的新技術。該工藝施工方便、環保高效，對于解決氣井積液問題的前景十分可觀［3］。現已在北美、澳大利亞等國大量推廣使用。國內，大慶、蘇里格、四川、吉林等氣田也已相繼安裝測試。然而，由于井下渦旋流場內氣液兩相的運動情況復雜，且工具下放井深很大，對其流場的研究存在一定的難度。國內油田對渦流工具的應用仍處于實驗測試的起步階段，針對渦流工具排水采氣機理以及生產參數對此工藝排液效果的影響，一直缺少理論方面的研究。本文基于計算流體動力學方法，應用Fluent軟件對使用渦流排水采氣工藝的天然氣井進行仿真模擬計算，研究井下流體運動規律，驗證其排水采氣效果并計算分析了天然氣井生產參數對氣井排液的影響。

1 球形液滴模型中的氣井臨界攜液流速

假設天然氣井內氣流攜帶的液體顆粒是球形液滴，對球形液滴進行受力分析，推導出氣流攜帶液滴的最低氣體流速。

球形液滴（如圖1）在井內受到重力G、氣體浮力f和運動氣流對液滴的推力F作用。

圖1 球形液滴

運動氣流對球形液滴的推力F為：

式中：R為液滴半徑，m；ρL為液相密度，kg／m3；ρG為氣相密度，kg／m3；g為重力加速度，取g＝9.81 m／s2；vC為天然氣臨界攜液流速，m／s；CD為流體阻力系數；p為井筒內壓力，MPa。

若T＝F，氣流中的球形液滴豎直方向上受力平衡，天然氣流速為臨界攜液流速vC。

氣井流體中液滴重力G與浮力f的矢量和為：

當氣體流速vG大于臨界攜液流速vC時，天然氣井中的流體能夠將半徑為R的液滴攜帶至井口。

2 物理模型

2.1 裝置結構

渦流工具由導引銷、螺旋片、導流孔道和鍵槽4部分組成，如圖2所示。導引銷位于工具最上方，鍵槽位于工具底部，使用電纜或鋼繩連接導引銷將工具下入井底，由鍵槽固定在油管內。導引銷下面是一段螺旋葉片，導流孔道位于螺旋段下方，井底的氣液兩相流體經導流孔道進入螺旋段。渦流工具幾何模型由Solid Works建模，全長688 mm，輪廓外徑59 mm，導流孔道長106 mm，寬20 mm，螺旋段長度127 mm，螺旋段直徑50 mm，螺旋葉片矩形截面寬9.1 mm，高5 mm。

圖2 渦流工具結構

2.2 網格劃分

渦流工具結構獨特，計算區域形狀復雜，網格質量要求很高。根據流場三維強旋流特點，對流域進行多塊分割，井筒采用Cooper網格劃分方法，螺旋環形空間采用四面體非結構化網格劃分方法。采用非均勻網格合理安排網格疏密，在保證旋流劇烈區域網格質量的前提下控制網格數量以節省計算時間及資源［4］。圖3為Examine Mesh過程網格質量圖，此次網格劃分所有網格單元最差網格質量為0.697 8，滿足計算要求。

圖3 渦流工具網格

3 氣井渦流排水流場數值計算

3.1

數值求解策略

此次數值模擬研究應用有限體積法對控制方程離散，采用分離式求解器對隱式控制方程聯立求解。選用k-epsilion RNG湍流模型及多相流mixture模型，壓力離散控制方程選擇PRESTO！方法，應用壓力基求解器SIMPLE算法對應用渦流工具排水采氣的天然氣井內氣液兩相流動進行求解。

3.2 邊界條件

1） 氣井進口邊界 流體可壓縮，入口截面采用質量流率邊界。對于連續相氣體，假設入口流速垂直于截面；對于離散相液滴，假設液滴的進口位置均勻分布于入口截面上，速度與氣相相同。

2） 氣井出口邊界 氣液兩相均按壓力出口處理，出口壓力為氣井油壓，計算取4.8 MPa。

3） 壁面邊界條件 螺旋環形空腔及井筒內壁取相關紊流參數及流體速度為零，用壁面函數來處理壁面邊界層流場。在計算液滴流場時，當液滴碰到壁面時即被壁面捕獲，小液滴碰撞即聚并成大液滴。流動過程考慮重力影響，聚并的大液滴其重力超過氣體對液滴向上作用的輸運力便向下墜落。

3.3 數值計算結果分析

模擬天然氣井中氣壓力10 MPa，氣溫度85℃，油壓4.8 MPa，固定日產氣104m3／d，井底進液按2 m3／d計算。通過圖4氣井流場速度矢量圖可以看出：經渦流工具作用，井內流體運動狀態變化明顯，氣液兩相流體經導流孔道進入截面積突然減小的螺旋環形空間開始加速并沿螺旋葉片方向旋轉。

圖4 氣井流場速度矢量

通過圖5氣井流場跡線圖可以看出：渦流工具與井筒形成的螺旋環形空間使得上行的井下氣液兩相混合流體受力旋轉，流體以螺旋形態運動。流體通過渦流工具螺旋葉片之后，仍以高速旋流的方式沿井筒上行很長距離。

圖5 氣井流場跡線圖

通過圖6氣井流場湍流強度云圖可以看出：流體經渦流工具作用后，氣液兩相混合流體的湍流強度明顯減弱，井筒中兩相混合的紊流流態轉換為渦旋狀上行的兩相分層流態。這種流態減少了介質間的沖擊和摩擦，降低滑脫損失［5］，保證了氣體流速，可以大幅提高氣流攜液能力。

圖6 使用渦流工具氣井流場湍流強度云圖

監測井口截面獲得氣相體積分數徑向分布，通過圖7可以更加直觀地看出：氣井流體經渦流工具后，由于高速旋轉產生的離心力作用，大部分密度較大的液態流體被甩至井筒外圍，氣體集中在井筒中心向上輸運，井筒壁附近氣相含量極少。井中流體轉變為明顯的氣、液兩相分層旋流，減小了氣液相介質間的摩擦和滑脫損失。

圖7 井口截面徑向氣相體積分數分布

4 氣井生產參數對渦流工具排水采氣效果的影響研究

現場實驗發現，不同生產參數的天然氣井應用渦流排水采氣工藝后得到的排液效果不同。本次研究分別對不同日產氣能力與不同井底含水情況的天然氣井進行模擬計算，比較分析使用渦流工具的氣井與普通氣井的排液情況。

1） 氣井的日產氣能力直接影響渦流工具排液效果。在井底進液2 m3／d的情況下，分別模擬計算日產氣5 000、10 000、15 000、20 000、25 000、30 000 m3這5組生產條件下使用渦流工具的氣井與普通氣井井口出液量情況，如圖8所示。

由圖8知：使用渦流工具的氣井排液情況總體好于未使用渦流工具的普通氣井。氣井日產氣能力對渦流排水工藝的排液效果有重要影響。日產氣量1×104～2.25×104m3／d的含水氣井應用渦流排水工藝效果最佳。日產氣能力過低將影響氣井攜液能力的提升；產氣能力過高時氣井不依靠此工藝便已能完成排液，不需采取渦流工具排液。

圖8 井口出液體積分數與氣井日產氣量關系曲線

2） 氣井井底含水情況對渦流工具排液同樣有著重要影響。數值計算以井底進液量作為井底含水情況指標，在日產氣5 000 m3的情況下，分別模擬計算井底進液量1、2、3、4、5 m3／d這5組井底含水情況的氣井使用渦流工具對其排液效果的影響，如圖9。

由圖9知：氣井井底含水情況對排水采氣效果有重要影響。井底進液量低于3 m3／d時，井口排液隨井底進液量的增大而增大；井底進液量高于3 m3／d時井口出液增長趨勢變緩甚至下降，說明進入氣井的液體已不能完全排出井口，產生積液，此時氣井使用渦流工具將起到顯著的排液效果，且井底進液量越大，提高排液的效果越佳。

圖9 井口出液體積分數與井底含水情況關系曲線

5 結論

1） 渦流工具改變了氣井中流體的運動狀態，流體受渦流工具作用加速并沿螺旋葉片方向旋轉，以高速旋流的方式沿井筒上行，氣相集中在井筒中心，液相被甩到井筒壁附近，井中流體轉變為明顯的氣、液兩相分層旋流。

2） 氣井日產氣能力對渦流排水工藝提高排液效果有重要影響。日產氣量（1～2.25）×104m3／d的含水氣井應用渦流排水工藝效果最佳。日產氣能力過低將影響氣井攜液能力的提升；產氣能力很高時不需采取渦流工具排液。

3） 氣井井底含水情況對氣井排液有重要影響。計算模擬發現日產氣5 000 m3時，井底進液量高于3 m3／d將產生積液，此時使用渦流工具將起到顯著的排液效果。

［1］ 戶貴華，程戈奇，童廣巖，等.氣井抽汲排液采氣工藝的研究與應用［J］.石油礦場機械，2006，35（6）：102-103.

［2］ 馮翠菊，王春生，張黌.天然氣井下渦流工具排液效果影響因素分析［J］.石油機械，2013（1）：78-81.

［3］ 樂宏，唐建榮，葛有琰，等.排水采氣工藝技術［M］.北京：石油工業出版社，2011.

［4］ 趙立虎，宋道杰，何廣智，等.螺桿泵排水采氣桿柱強度設計方法研究［J］.石油礦場機械，2009，38（8）：88-91.

［5］ 楊從新，梁杰，常素玲.部分流泵的三維流場數值模擬及葉片研究［J］.石油礦場機械，2009，38（5）：22-26.

Flow Field Analysis about Application of Vortex Tools in Process of Gas Well Drainage

The technique of vortex drainage has good prospects because the construction work is simple and the technique is environmental and efficient.In order to further understand the downhole flow field and analyze the effect of production parameters of gas wells on draining，based on computational fluid dynamics and multiphase model through Fluent，the numerical simulation has been done.By observing the state of the gas-liquid flow and monitoring the radial distribution of the gas content at the wellhead，the study analyzed the influence on gas well flow field by vortex tool.Study analyzed the influence of the vortex tools on flow field of gas well and guided how to select the preferred process conditions and provide the basis for optimizing the structure.

gas well；drainage gas recovery；vortex tools；fluent

TE935

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.003

1001-3482（2014）10-0013-04

2014-04-29

國家自然科學基金項目資助（21076043）

楊樹人（1963-），男，黑龍江明水人，教授，博士，主要從事非牛頓流體力學、計算流體力學和多相流體力學等方面研究。