渦流工具在氣田地面集輸上的應用研究

2015-02-15 08:14:55馬國光李曉婷陶玉林楊園園董文浩

油氣田地面工程 2015年11期

馬國光李曉婷張峰陶玉林楊園園董文浩

1西南石油大學2中國石油新疆油田分公司采氣一廠

渦流工具在氣田地面集輸上的應用研究

馬國光1 李曉婷1 張峰2 陶玉林2 楊園園2 董文浩1

1西南石油大學2中國石油新疆油田分公司采氣一廠

在氣田地面集輸的氣液混輸工藝中，有些采氣管線積液嚴重，沿程壓降較大，無法正常集氣。為了解決這一問題，提出將渦流工具用在氣液混輸工藝中的方法。通過對地面渦流工具的理論分析及利用FLUENT軟件進行模擬，研究渦流工具在氣液集輸管道的適用性及影響因素。渦流工具在克拉美麗氣田的投產運用表明：渦旋流流態可有效地排除管道內積液，消除管道內段塞流的出現，降低管道沿程壓降；渦流工具可將管道內氣液紊流態轉變為渦旋層流流態，通過切向速度產生的額外拖曳力降低管道臨界攜液速度，提高了氣體攜液能力；渦流工具不僅能在井下使用，也適用于氣田地面集輸管道。

渦流工具；集輸管線；壓降；應用

目前渦流技術主要應用于地下氣井排水采氣，改善氣井生產狀態、提高氣井采收率的生產優化方向[1]，且在北美、澳大利亞數千口天然氣井、煤層氣井取得良好的效果。在國內，克拉美麗氣田、青海氣田、蘇里格氣田[2]等很多大型的氣田都使用了井下渦流技術，在氣田地面管道集輸上尚無研究和運用。通過利用FLUENT軟件對地面渦旋流工具進行模擬和分析；確定了渦旋流的關鍵技術并且得到了最佳的起旋角度；通過對克拉美麗氣田DX1428井井口采氣管線的試驗分析，完成地面渦流工具的試驗效果的評價，為降低地面集輸管道壓降問題提供了新方法。

1 技術原理

地面渦流工具主要由導流口、螺旋葉片、內實體柱和外殼四部分組成，螺旋葉片將外殼和實體柱間的空間分割為螺旋形空腔，以改變流體介質的流動通道和流態[3]。處于紊流狀態的單井來氣液兩相流經過導流口進入螺旋形空腔后被強制起旋形成渦流，氣液兩相流形成渦旋后，液體密度較大，因離心力的作用被高速旋至沿管壁流動，天然氣通過管道的中心流動，旋流中心位于管道中心，流場呈中心旋轉形式的穩定渦旋結構。地面渦流裝置原理圖如圖1所示。

在渦旋流狀態下，臨界攜液流速將低于普通流態下的臨界攜液流速。說明產生的拖曳力可有效降低臨界攜液流速、提高氣體攜液的能力。渦旋流裝置的最小攜液流速與具體的攜液模型關系不大，其臨界攜液流速取決于渦旋流強度，具體來說取決于螺旋角。

分層渦旋流態使得管道內液相和氣相同時以渦流狀態運動，消除了過去管道底部積液的情況，并且使得管道中心流體和邊緣流體速度差降低，減小了流體相互摩擦產生的剪切力和壓力損失，從而降低了管道的壓力損失[4]。

圖1 地面渦流技術原理圖

2 影響因素

管道內輸送介質的含液率、進口速度和渦旋流工具螺旋角度對地面渦流工具影響較大，下面分別對這3個因素進行分析。

2.1 含液率對管道壓降的影響

當起旋角度為70°、進口速度為2 m/s時，改變進口流體的含液率，觀察含液率如何影響管道的壓降。通過數值計算，對壓降規律進行分析，如圖2所示，隨著進口含液率增大，管道壓降線性上升。

2.2 進口速度對管道壓降的影響

當起旋角度為70°、含液率為0.4時，改變進口速度，觀察進口速度對管道壓降的影響。通過數值計算，并進行壓降規律分析，如圖3所示，隨著進口速度的逐漸增大，管道壓降逐漸增大，并且增大趨勢較為明顯。

圖2 含液率對管道壓降的影響

2.3 螺旋角度分析

設定進口流速為2 m/s，含液率為0.4，針對不同起旋角度的地面渦旋流裝置進出口及內部速度分布、出口氣液兩相體積分布、進出口壓降、出口切向速度、出口軸向速度、出口渦量進行分析，如圖4～圖8，從而得到地面渦旋流裝置的最優起旋角度。

圖3 進口速度對管道壓降的影響

從圖4可以看出，隨著起旋角度的變化，出口處氣液兩相分布情況差異顯著，起旋角度為45°時，產生的氣液兩相分離情形最明顯；從圖5～圖8可以看出在起旋角度為45°時，地面渦旋流裝置進、出口壓降最小，出口截面切向速度最大，出口截面軸向速度最大，出口截面渦量值最大。因此認為，45°的起旋角度為地面渦旋流裝置的最優起旋角度。

圖4 不同起旋角度下出口截面的氣相體積分布云圖

圖5 進出口壓降規律

圖6 出口截面渦量的影響

圖7 出口截面切向速度的影響

圖8 出口截面軸向速度的影響

3 現場試驗

克拉美麗氣田[5]由于氣田管線起伏大、單井產液量高等，導致單井采氣管線集輸壓降較大（平均0.4 MPa/km，部分氣井達到0.5～1.0 MPa/km），氣田過早地進入增壓開采階段，并且采氣管線頻繁發生積液凍堵現象，給單井尤其是長距離氣井正常生產帶來困難。選擇克拉美麗氣田的DX1428氣井進行現場試驗。

3.1 DX1428井基礎數據

DX1428井是2011年在DX14井區部署的一口開發井，采用加熱防凍工藝，單井氣液在井口加熱節流后，經采氣管線氣液混輸送至集氣站，管線沿程起伏較大，該井氣液比大，單位壓降大，DX1428井基礎數據見表1。

3.2 試驗數據分析

此次試驗在DX1428井安裝兩套地面渦流工具，螺旋角選擇最優起旋角度為45°。在井場外輸管線埋地部分（距離入地部分0.5 m處）安裝第1套地面渦流工具，在采氣管線距離井口1 km處安裝第2套地面渦流工具。

表1 DX1428井基礎數據

2014年9月1號渦流工具在DX1428運行，將DX1428井安裝渦流裝置前、后運行數據進行對比分析，生產動態變化見圖9。

從圖9可以看出，安裝地面渦流裝置前，DX1428井管線壓降為0.53 MPa/km；安裝地面渦流裝置后，DX1428井管線壓降為0.41 MPa/km，壓降減小0.12 MPa/km，減小比例為22.6%。在地面渦流工具投運后前三天產液量明顯增加，這是由于采用渦流工具后，將管道內部的積液攜帶了出來。因此，地面渦流工具有效地降低了管道沿程壓降，并提高了管道攜液能力。