井下渦流排水采氣工具參數正交實驗設計

任 壘，張艷淑，朱珊珊，張 靜，陳元強，趙生嶸

?

井下渦流排水采氣工具參數正交實驗設計

任 壘1，張艷淑1，朱珊珊2，張 靜1，陳元強1，趙生嶸3

（1. 中國石化中原油田分公司天然氣產銷廠，河南 濮陽 457001； 2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司研究院，廣東 湛江 524000； 3.中國石化東北油氣分公司松原采氣廠，遼寧 松原 138000）

渦流工具的攜液舉升能力與其工具參數密切相關。以戶部寨氣田X積液井為例，在確定工具性能關鍵影響因素的基礎上，利用L9（34）正交表設計了渦流工具參數優(yōu)選方案，通過對實驗結果進行極差分析后得到最佳工具參數組合為：螺旋角50°、1倍導程、10 mm螺旋翼高。該研究成果可為下步X井開展渦流排水采氣先導試驗提供必要的數據參考。

渦流工具；兩相流；正交實驗；極差分析

伴隨兩相流旋流場研究的逐步深入，渦流排水采氣技術近年來得到了快速發(fā)展。國內部分氣田自2011年起相繼開展了渦流排水采氣技術先導試驗并在一些氣井上取得了良好的試驗效果[1-3]。試驗結果表明，渦流工具參數直接影響其實際工作性能，因此如何確定渦流工具參數的最佳組合是決定該項技術成功與否的關鍵。針對這一問題，本文以某氣田X積液井為例，結合該井井況條件運用正交實驗法設計了渦流工具參數優(yōu)選方案，通過對實驗結果進行極差分析判定各因素及其水平對工具效果的影響程度，最終確定最佳工具參數組合，為氣田開發(fā)后期的積液氣井維護提供一定的技術借鑒。

1 正交實驗方案設計

井下渦流排液技術主要通過流體旋流所產生的離心力場實現氣液分離的目的，因此誘發(fā)兩相旋流的螺旋葉片是渦流工具的核心部件。通過對螺旋空腔內流體流量計算公式積分后得到[4]：

式中：— 出口處流體線速度，dm/s；

— 流體流量，L/s；

— 螺旋葉片螺距，dm；

— 油管內徑，dm；

— 為內柱直徑，dm；

— 螺旋葉片寬度, dm。

從式（1）中可以看出，是關于、的函數，同時考慮到實際工作中螺旋導程對氣液兩相流加速分離所存在的重要影響，綜合分析后篩選得到影響渦流工具工作性能的三個基本因素：螺旋角、導程及螺旋翼高，見圖1。

圖1 渦旋變速段結構示意圖

參考目前國內現場所使用的工具參數范圍[5-7]，得到各實驗因素對應水平，見表1。

表1 實驗因素及水平

為了縮小實驗規(guī)模和節(jié)約試驗時間，采用正交實驗法，選用標準正交表L9(34)設計實驗方案，見表2。通過分析代表性因素及其水平差異對實驗指標的影響，確定渦流工具各參數的最佳組合。

表2 正交試驗方案

2 實驗結果及分析

渦流工具的作用是將氣液兩相紊流轉換為分層旋流，通過改變流體流態(tài)提升氣體攜液舉升能力。壓降變化和持液率變化是衡量氣液旋流分離效果優(yōu)劣的主要依據，故將其選作本次正交實驗的評價指標。受室內氣液兩相管流實驗裝置的限制，本次研究借助ANSYS Fluent軟件對上述9組實驗進行仿真模擬。湍流模型的選取借鑒了相關學者開展的螺旋紐帶實驗研究成果[8,9]，采用了與實際渦流發(fā)展規(guī)律更加吻合的RSM模型，具體實驗結果見表3。

表3 正交試驗結果

續(xù)表

實驗編號影響因素評價指標 螺旋角A導程B螺旋翼高C壓降損失/Pa持液率差值,% 83213 405.80.24 93322 654.10.27 壓降損失K11 752.01 714.22318.5Kij等于第j列上i水平的各實驗結果之和除以水平個數。Rj=max{Kij}-min{Kij} K21 635.02 157.91678.9 K32 631.32 146.32020.9 R996.3443.7639.6 持液率差值K10.160.170.19 K20.180.180.18 K30.240.220.20 R0.080.050.02

通過極差分析后可以看出：渦流工具螺旋角對壓降損失的影響程度最大，螺旋翼高、導程次之，即主次順序為>>。對于持液率差值而言，螺旋角影響程度最大，其次是導程，螺旋翼高影響最小，主次順序為>>。

由于本次選定的兩個正交實驗評價指標數值越小表明攜液越果越好，因此對于壓降損失評價指標而言，最佳的工具參數組合為212，持液率差值指標對應的最佳參數組合為112（圖2）。考慮到渦流工具所誘發(fā)的螺旋分層流動可以降低壓降損失，因此可以認為其具有降低氣體臨界攜液流量的作用，而壓力是影響攜液流量大小的關鍵因素，為進一步確定因素水平，采用多指標綜合評分法，分別對壓降和持液率兩項指標賦予權重值0.6、0.4。通過對比212和112兩種方案的評分值最終確定渦流工具最優(yōu)參數組合為：螺旋角50°、1倍導程、10 mm螺旋翼高。

圖2 因素水平與壓降、持液率差值變化趨勢

3 結 論

（1）利用仿真模擬手段進行渦流工具參數優(yōu)選可以克服實驗條件的限制，為該技術下步上井試驗提供必要的數據支持。

（2）極差分析結果表明螺旋角是影響渦流工具工作性能的主要因素，確定了適合X氣井井況的最佳渦流工具參數組合：螺旋角50°、1倍導程、10 mm螺旋翼高。

（3）上述研究結論的可靠性還需通過設計加工渦流工具實物結合現場實際應用效果進行驗證。

工作人員帶領媒體記者參觀了其應急發(fā)電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、后備電源、消防監(jiān)控室、機柜以及控制中心等。在各個環(huán)節(jié)中，臺達都為其提供了不同的產品器件，例如，在數據基地后備電源之一的電池間，就使用到臺達的UPS，該產品憑借高節(jié)能的整機效率而被武漢眾維億方大數據科技有限公司所看重，能夠達到穩(wěn)壓和整流的作用，保證IP設備不會出現任何問題。除此之外，臺達還為該數據中心定制了機柜，該機柜的前門設計為全開孔波浪形，與傳統(tǒng)機柜相比，它受力更均勻，能承受更大壓力，同時能達到更好的散熱效果。

參考文獻：

［1］ 楊濤，余淑明，楊樺，等.氣井渦流排水采氣新技術及其應用[J].天然氣工業(yè)，2012，32(8)：63-66.

［2］ 任壘，賈然，曹正安，等. 井下渦流工具排液效果影響因素研究進展[J]. 機械研究與應用，2015，28(3)：49-51.

［3］ 張春，金大權，王晉，等. 蘇里格氣田井下渦流排水采氣工藝研究[J]. 天然氣技術與經濟，2012，6(5)：45-48.

［4］ 王云. 渦流助排機理及井下工具研發(fā)[D]. 北京：中國地質大學（北京）博士學位論文，2015.

［5］ 朱慶，張俊杰，謝飛，等. 渦流排水采氣技術在四川氣田的應用[J]. 天然氣技術與經濟，2013，7(1)：37-39.

［6］ 邊松偉，陳金科，劉鎮(zhèn)領，等. 全自動排水采氣裝置的研究與應用[J]. 油氣井測試，2015，24(5)：66-69.

［7］ 楊旭東，衛(wèi)亞明，肖述琴，等. 井下渦流工具排水采氣在蘇里格氣田探索研究[J]. 鉆采工藝，2013，36(6)：125-127.

［8］ 李雋，李楠，李佳宜，等. 渦流排水采氣技術數值模擬研究[J]. 石油鉆采工藝，2013，35(6)：65-68.

［9］ 陳德春，姚亞，韓昊，等. 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.

Orthogonal Experiment Design for Downhole Vortex Tool Parameters During Gas Production

1，1，2，1，1，3

（1. Natural Gas Production and Marketing Factory of Zhongyuan Oil Field Co., Sinopec, Henan Puyang 457001，China；2.Research Institute of Zhanjiang Branch, CNOOC China Limited, Guangdong Zhanjiang 524000，China；3. Songyuan Gas Production Factory of Northeast Oil and Gas Board Co., Sinopec, LiaoningSongyuan 138000，China）

The liquid carrying capacity of vortex tool is closely related to its parameters. Taking X watered well in Hubuzhai gasfield as an example, key influence factors of working performance of vortex tool were determined, L9（34）orthogonal table was used to design the optimum selection scheme of tool parameters, the best parameter combination was obtained by range analysis：helix angle 50°, one time helix pitch, helix height 10 mm. This research findings can provide necessary reference data for following pilot test of X well based on vortex technology.

vortex tool; two-phase flow; orthogonal experiment; range analysis

TE 357

A

1671-0460（2016）09-2180-03

中國石化中原油田分公司“十二五”科技攻關專項“戶部寨裂縫性氣藏提高采收率技術”，項目號：2013YWQS03-04。

2016-03-24

任壘（1987-），男，江蘇徐州人，助理工程師，碩士，2014 年畢業(yè)于中國地質大學（武漢）地質工程專業(yè)，研究方向為天然氣勘探與開發(fā)，目前從事采氣工藝技術工作。E-mail：lren@cug.edu.cn。