氣井攜液用渦流工具結構參數優化

陳德春付剛韓昊姚亞宋天驕謝雙喜

1.中國石油大學（華東）石油工程學院；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

氣井攜液用渦流工具結構參數優化

陳德春1付剛1韓昊1姚亞1宋天驕1謝雙喜2

1.中國石油大學（華東）石油工程學院；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

為了提高氣井渦流排液采氣工具的工作效率，進行了渦流工具結構優化研究。運用AutoCAD和Fluent流體模擬軟件，建立了渦流工具氣液兩相流場模型，運用正交試驗確定了模擬計算方案，通過方差和極差分析得到了不同氣液條件下導程、導程數、槽深和槽寬等4個結構參數對工具出口峰值速度的影響程度并確定了工具最優結構參數。結果表明，較小的槽深和槽寬、較大的導程和導程數可以起到很好的增速效果。槽深取5 mm，槽寬取40～45 mm，導程數取3倍，導程取172～219 mm時，氣液混合物經過渦流工具后氣相峰值速度最大，攜液效果最好。工具結構參數對工具出口峰值速度的影響程度隨氣液條件而變化，液氣比較大時，選擇較大的導程數具有更明顯的增速效果；入口速度較大時，較小的槽寬具有更明顯的增速效果，而較大的導程增速效果并不明顯；較小的槽深始終具有明顯的增速效果。研究結果可以為現場渦流工具的優選和使用效果的提高提供依據。

氣井；排采技術；渦流工具；結構參數優化；液氣比；數值模擬；正交試驗；敏感性分析

井下渦流工具是一種新型的井下氣液分離裝置，不需要外界提供能量，無需增加管理人力。現場試驗證明［1-4］：使用渦流工具后氣井攜液量增大，井筒壓力損失降低，可為海上油氣田提供一種經濟合理解決井底積液問題的方案［5］。張翠婷［6］（2012）對渦流工具的分氣效果進行數值模擬，并對其結構尺寸進行優化；馮翠菊［7］等（2013）對影響渦流工具攜液效果的主要因素進行了研究；吳丹［8］等（2014）研究了工具不同的結構參數對氣井攜液效果的影響，并給出了工具參數的優化結果。研究結果表明，影響渦流工具排水采氣效果的因素主要有2方面，一是渦流工具結構參數，包括導程、導程數（導程不變的情況下螺旋葉片的長度）、槽深和槽寬；二是井筒氣液條件，包括液氣比和氣液混合物速度。之前研究中使用單因素分析方法研究工具各結構參數對攜液效果的影響，進而確定各結構參數的優化結果。但由于工具各結構參數之間存在相互影響，單因素分析中最優的結構參數的直接組合并不一定具有最好的攜液效果。此外，這些研究中的結構參數優化結果是在某一特定的氣液條件下得到的，具有局限性，在實際生產過程中，井的氣液條件不同，得到的最優結構參數也不相同。筆者通過建立渦流氣液兩相流場模型，采用數值模擬方法和正交試驗方案，研究了不同氣液條件下渦流工具最優結構參數組合，分析渦流工具結構參數對攜液效果影響的程度，為現場渦流工具結構參數優化提供依據。

1　渦流氣液兩相流場模型

Flow field model for swirl gas/liquid

井下渦流工具主要由打撈頭、繞流器、導流筒、坐封器和接箍擋環組成，其中打撈頭用于配合打撈工具，繞流器用于改變流體的流態，導流筒用于流體流通，坐封器和接箍擋環用于工具的固定［9］。利用AutoCAD建立繞流器和打撈頭結構的幾何模型，如圖1所示。

將建立的工具模型進行網格劃分（圖2），并導入Fluent軟件中，設置模擬參數進行計算。其中多相流模型選用歐拉模型，湍流模型選擇雷諾應力模型［10］。

圖1　螺旋變速體的幾何模型Fig. 1 Geometric model of helical gear

圖2　網格模型圖Fig. 2 Network grid

2　模擬計算方案

Program for simulation and calculation

使用渦流工具后，中心氣流阻力減小，氣體速度增大［11］，臨界流速一定的情況下，氣相速度越大，攜液能力越強，因此用出口氣相峰值速度作為工具攜液效果評判的指標。

將導程、導程數、槽深、槽寬4個參數作為研究因素。考慮到數值模擬的計算量較大，根據實際需要，每種因素取4 個水平，各因素各水平的取值見表1。由于工具結構參數之間存在相互影響，理論上需要列舉所有的參數組合，得到256（44）種方案，進行256次計算；為了減少工作量，根據正交表的設計方法，選擇L16（45）的正交表，只需計算16種方案即可得到精確的結果。

表1　渦流工具結構參數的因素水平表Table 1 Factor levels of structural parameters of swirl tools

由于工具結構參數的優化是基于特定的井筒氣液條件，如果有多口井需要進行工具結構參數設計，則每口井都需要做16組數值模擬計算，計算量很大。因此研究不同氣液條件下渦流工具的最優結構參數組合，應用時只需根據井的實際氣液條件選擇對應的優化結果，方便快捷。

3　結果分析

Results

3.1氣液條件一定時工具結構參數優化

Optimization of structural parameters under designated gas/liquid conditions

3.1.1極差分析 氣液條件取值：氣液混合物速度4 m/s，液氣比1∶50。A～D為渦流工具結構參數的因素，由于在試驗中留有空列可作為衡量試驗因素和系統的誤差，并可以做方差分析，因此將E做為空列。將得到的16組出口氣相峰值速度進行計算分析（見表2）。

表2　極差分析數據（入口速度4 m/s，液氣比1∶50）Table 2 Data for range analysis （with inlet velocity of 4 m/s and liquid/gas ratio of 1∶50）

通過表2可以看出影響出口氣相峰值速度的因素重要程度由大到小為：槽深＞導程＞導程數＞槽寬。最優的結構參數組合為：導程218 mm，導程數3倍，槽深5 mm和槽寬40 mm。

3.1.2方差分析 表3為方差分析結果，F值可以反映各因素水平改變時引起的差異顯著程度，越大說明因素對結果的影響越顯著。對于給定水平α=0.10，由P｛F＞λ｝=0.10查F（3，12）分布表，得到λ=2.61。可以看出導程、導程數、槽深、槽寬的F＞λ，即各工具結構參數對出口速度峰值都有顯著影響。

表3　方差分析數據（入口速度4 m/s，液氣比1∶50）Table 3 Data for variance analysis （with inlet velocity of 4 m/s and liquid/gas ratio of 1∶50）

3.1.3最優結構參數下結果分析 建立最優結構參數下的工具模型，經過Fluent模擬計算，出口峰值速度為4.421 m/s，比表2中所有方案的計算結果都要高，說明采用正交數值試驗進行工具參數優化設計得到的結果是可靠的。得到的軸向方向水體分布見圖3。圖中中心紅色區域代表氣柱，邊緣綠色或者藍色區域代表液膜。可以看出加入渦流工具之后，水的體積含量分布發生變化：管壁處的水的體積分數增大，形成液膜；管道中心處的水的體積分數減小，形成氣芯。

圖3　軸向方向水體積分數分布圖Fig. 3 Distribution of volume fractions of water along the axis

圖4為氣液混合物經過渦流工具后流動軌跡曲線，可以看出：流經渦流工具之后，井壁與螺旋葉片形成封閉空間，將流體轉變為沿螺旋線運動，管中心附近會形成一個高速氣核區，軸向速度增大。這是由于： （1）渦流工具減小流體的過流截面，氣體流量一定時，橫截面積的減小必然造成流速的增大；在極高的速度下，液體獲得離心加速度被甩至管壁，氣體得以占據中心流道，形成氣核；（2）由于氣體具有較強的壓縮性，液體被甩至管壁造成中心區壓力降低，氣體膨脹，井筒過流截面不變，氣體流速增大。

圖4　流體流動軌跡示意圖Fig. 4 Flow trajectories of fluids

3.2氣液條件變化時工具結構參數優化

Optimization of structural parameters under changing gas/liquid conditions

氣液條件取值：速度取2 m/s、4 m/s和6 m/s；液氣比取1∶50、1∶100、1∶200、1∶1 000和1∶2 000。進行15組正交試驗，每組選擇L16（45）的正交表進行16次模擬計算，并進行極差分析和方差分析。通過極差分析可以得到設定氣液條件下工具的最優結構參數，15種氣液條件下工具最優結構參數見表4。

通過表4可以看出：槽寬范圍為40～80 mm，最優結構參數取40 mm和45 mm；槽深范圍為5～15 mm，15組氣液條件的最優結構參數均取5 mm；導程范圍為125～218 mm，最優結構參數取179 mm和218 mm；導程數范圍為1.5～3倍，15組氣液狀況的最優結構參數均取3倍。這說明較小的槽深和槽寬、較大的導程和導程數可以起到很好的增速效果。這是因為隨著槽深和槽寬的減小，氣液混合物流經截面積減小，速度增大；隨著導程和導程數的增大，螺旋葉片長度增加，流體沿螺旋葉片的加速作用增強，流體速度增大，軸向分速度和徑向分速度增大，流體所受的離心力增大，氣液分離效果增強，減小了氣液間的碰撞和摩擦，因此提高了中心氣柱的速度。

通過方差分析判斷一定氣液條件下工具結構參數對結果影響的顯著程度。對于給定水平α=0.10，由P｛F＞λ｝=0.10查F（3，12）分布表，得到λ=2.61。為了更清楚地表現出工具結構參數影響的顯著程度，取λ的一半即以λ=1.31為界，在“影響顯著”和“影響不顯著”之間加入“影響較顯著”。15種氣液條件得到結果匯總見表5。

表5　不同氣液條件下方差分析結果Table 5 Optimal structural parameters for tools under different gas/liquid conditions

通過表5可以看出：隨著氣液條件的改變，工具結構參數對攜液效果影響的顯著程度隨之變化；液氣比相同時，隨著入口速度的增大，導程對氣相出口峰值速度的影響逐漸不顯著，槽寬對氣相出口峰值速度的影響逐漸顯著；速度相同時，隨著液氣比的增大，導程數對氣相出口峰值速度的影響逐漸顯著；槽深的變化對氣相出口峰值速度有顯著影響。

4　結論

Conclusions

（1）應用計算流體動力學軟件Fluent和正交實驗設計法，研究出一套采用正交數值試驗對渦流工具結構參數進行優化設計的方法。算例結果表明該方法得到的參數組合能達到最好攜液效果，結果合理可靠。

（2）利用Fluent軟件模擬計算了15組氣液情況，通過極差分析得到不同氣液條件下工具最優結構參數組合，結果表明：槽深取5 mm，槽寬取40～45 mm，導程數取3倍，導程取172～219 mm時，氣液混合物經過渦流工具后氣相峰值速度最大，攜液效果最好。

（3）通過方差分析研究了15組氣液情況下工具結構參數對出口峰值速度影響顯著程度，結果表明：液氣比較大時，較大的導程數增速效果更明顯；入口速度較大時，較小的槽寬增速效果更明顯，而較大的導程增速效果并不明顯；較小的槽深始終具有明顯的增速效果。

References:

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［11］ 陳德春，姚亞，韓昊，付剛，宋天驕，謝雙喜.氣井渦流攜液機理和攜液效率數值模擬研究［J］.石油機械，2015，43（9）：91-94. CHEN Dechun， YAO Ya， HAN Hao， FU Gang， SONG Tianjiao， XIE Shuangxi. Numerical simulation on fluidcarrying mechanism and efficiency of vortex flow in gas wells［J］. China Petroleum Machinery， 2015， 43（9）: 91-94.

（修改稿收到日期 2016-01-22）

〔編輯 朱 偉〕

Optimization of structural parameters for fluid-carrying swirl tool in gas wells

CHEN Dechun1， FU Gang1， HAN Hao1， YAO Ya1， SONG Tianjiao1， XIE Shuangxi2
1. College of Petroleum Engineering， China Uniνersity of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China；2. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co.， Tianjin， 300457， China

A study was made on structural optimization of swirl tool to enhance operation efficiency of the swirl fluid-discharging and gas-producing tool in gas wells. AutoCAD and Fluent fluid simulation software were used in the study to build a flow field model for gas/liquid in swirl tool. In addition， orthogonal test was performed to clarify the program for simulation and calculation. Through variance and range analysis， impacts of four structural parameters （i.e. lead， number of leads， trough depth and trough width） on peak velocity at outlet of the tool were determined together with optimal structural parameters for such tool. The results show that minor trough depth and width， together with large lead and number of leads can effectively enhance velocities. With trough depth of 5 mm， trough width of 40-45 mm， lead number of 3 and leads of 172-219 mm， the maximum velocity of gas from gas/liquid mixture through swirl tool with the most desirable fluid-carrying capacity can be obtained. Impacts of structural parameters of such tool on the maximum outlet velocity may vary with conditions of gas/liquid. With relatively high liquid/gas ratio， higher number of leads may effectively enhance the velocity. With relatively high velocity at inlet， smaller trough width may obviously increase the velocity. Besides， larger leads may have

gas well； discharging and production technique； swirl tool； optimization of structural parameter； liquid/gas ratio； numerical simulation； orthogonal test； sensitivity analysis

付剛（1992-），在讀碩士研究生，研究方向：油氣田開發工程。通訊地址：（266580）山東省青島市經濟技術開發區長江西路66號中國石油大學（華東）工科樓B座439。E-mail：1184404933@qq.cominsignificant impacts on increase in velocity. Smaller trough depth may constantly display obvious impacts on enhancement of velocity. The study results may provide necessary references for selecting optimal swirl tools and promoting performances of such tools on site.

TE934

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0400- 05

10.13639/j.odpt.2016.03.024

CHEN Dechun， FU Gang， HAN Hao， YAO Ya ， SONG Tianjiao， XIE Shuangxi. Optimization of structural parameters for fluid-carrying swirl tool in gas wells［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（3）: 400-404.

中海油能源發展股份有限公司科研項目“渦流工具攜液影響因素分析”（編號：GC2014ZC2916）。

陳德春（1969-），博士，教授，從事采油工程理論與技術的研究與教學。通訊地址：（266580）山東省青島市經濟技術開發區長江西路66號中國石油大學（華東）工科樓B座412。E-mail：chendc@upc.edu.cn

引用格式：陳德春，付剛，韓昊，姚亞，宋天驕，謝雙喜.氣井攜液用渦流工具結構參數優化［J］.石油鉆采工藝，2016，38（3）：400-404.