旋流霧化排液采氣工藝及其關鍵參數

薛承文 謝文強 高 涵 池 明 張國紅 郭 玲 薛 亮

1. 中國石油新疆油田公司工程技術研究院 2. 中國石油新疆油田公司準東采油廠 3. 中國石油大學（北京）

氣井生產過程中，隨地層能量逐漸降低，當產氣量低于臨界攜液產量時井底有積液產生，需要采取排液采氣工藝將積液排出，以維持氣井的正常生產，延長氣井壽命。常用的氣舉、機抽、泡排、速度管柱等排液采氣工藝均需要借助外部能量[1-4]，或更換生產管柱，工藝運行成本較高。

中國石油新疆油田公司（以下簡稱新疆油田）多數氣井井深在4 000 m左右，由于地處沙漠、戈壁地區，氣井間距較大，采取連續氣舉工藝需要鋪設地面注氣管網，施工難度大、整體成本高，準備周期長；氣井較深造成機抽工藝排液效率低；受凝析油含量以及地面處理裝置不配套等因素影響，泡排工藝無法大面積推廣；以連續油管作為速度管柱的排液采氣工藝雖取得較好的效果，但初始投入成本高。因此，開發一種不動原井生產管柱、不增加外部能量就能進行排液采氣的工藝非常有必要，而旋流霧化排液采氣工藝則值得推薦[5-6]。

1 霧化排液采氣理論基礎

氣井生產時，在一定氣液比下井筒兩相垂直管流流型會以霧狀流出現，液體以液滴形式存在。美國學者 Turner等[7]提出氣體攜液的臨界流速模型，模型認為液滴垂直方向上主要受兩個力，即液滴在氣流中向下的重力和氣流對液滴向上的曳力。如果液滴垂直方向上受力達到平衡，液滴就會懸浮于井筒中或者向上勻速運動，而不會向下沉積在井底，此時的氣流速度稱為氣體攜液的臨界流速。若液滴重力大于曳力，液滴就會向下運動，落入井底形成積液；反之液滴會被氣流帶出井口[8-11]。

對于給定尺寸的液滴，由Turner模型[7]得到臨界攜液流速的計算式為：

式中vg表示臨界攜液流速，m/s；g表示重力加速度，m/s2；d表示液滴直徑，m；ρl表示液體密度，kg/m3；ρg表示氣體密度，kg/m3。

由Turner模型知，臨界攜液流速與液滴直徑的平方根成正比，如液滴直徑降低為原來的1/4時，則臨界攜液流速可降低為原來的1/2。即當氣體流速不變時，直徑更小的液滴可以被攜帶走，我們可以通過降低氣流中的液滴直徑來降低臨界攜液流速。這就為氣井產氣量不變的情況下，通過霧化方式降低液滴直徑以排出井底積液提供了理論基礎。旋流霧化排液采氣工藝即利用這一原理，將氣井內較大液滴和積液霧化為直徑非常小的液滴，使產能下降的氣井在天然氣采出的同時，井底積液也被攜帶出井筒，該工藝甚至可使原本水淹停產的氣井復產。

2 旋流霧化裝置和霧化原理

2.1 旋流霧化裝置

旋流霧化裝置主要由殼體、氣液吸入口、旋流分離腔、氣流霧化腔和霧化噴嘴5部分組成[12-14]，如圖1所示。旋流霧化裝置的上部與懸掛坐封裝置相連，通過鋼絲投撈作業下入氣井油管內設計位置。

圖1 旋流霧化裝置結構圖

2.2 旋流霧化原理

旋流霧化裝置利用氣體自身能量，將氣液混合物經殼體下端氣液吸入口吸入霧化裝置。氣液混合物經旋流結構整流后，在離心力作用下進行氣液分離，分離后的氣液兩相介質經過氣液流道的轉換，經氣流霧化腔向上推進，由霧化噴嘴高速噴出完成霧化。霧化后，氣流所攜帶液滴的直徑變得非常小，氣液混合物通過裝置中間流道進入油管，在油管中呈現霧狀流，容易被攜帶出氣井井筒，從而實現氣井連續攜液生產。

3 旋流霧化數值模擬與室內實驗

3.1 旋流霧化數值模擬

為了達到理想的霧化效果，旋流霧化裝置必須在保證氣井連續生產的前提下將井下一定壓力、溫度條件下的氣液混合物實現分離與霧化，并送入油管。因此，進行旋流霧化數值模擬非常有必要。

為保證旋流霧化排液采氣工藝效果，需要采取“一井一策”設計模式，即針對不同氣井的地層壓力、溫度、產量、井深、油管尺寸等參數，設計氣流霧化腔和霧化噴嘴相應的結構與尺寸，并通過數值模擬分析進行設計優化[15-17]。借助流體力學數值模擬軟件Fluent 6.3.26，建立旋流霧化裝置結構模型，根據實際氣井生產數據，模擬氣液兩相在旋流霧化裝置中的流動狀態，并通過霧化裝置結構參數的調整以達到最優的霧化效果，然后將最終確定的裝置結構參數用于產品的實際加工。

圖2展示了某井在使用霧化裝置后，井筒中液體被分離、引導和霧化的過程，由模擬結果可知霧化裝置中各處流體的流速，從而可較直觀地判斷旋流霧化裝置在井下的工作狀態。對旋流霧化裝置來說，通過旋流方式實現氣液分離是基礎，如圖2-a所示，進入旋流分離腔的氣液混合物高速旋轉，密度大的液體在離心力的作用下運動到旋流分離腔壁面上，密度小的天然氣集中在旋流分離腔的中間部分，旋流分離腔中氣液分離效果明顯。合理的流道設計是保證氣液順利流向噴嘴的重要中間環節，如圖2-b所示，氣液分離后被引導到噴嘴處，液體在旋流分離腔壁面流動時越靠近噴嘴速度越高，并且可沿旋流分離腔壁面流動而順利進入霧化噴嘴。霧化噴嘴附近的液體在中間氣體的帶動下被快速噴出霧化是工藝成功的關鍵，如圖2-c所示，氣液分離后液體繼續沿氣流霧化腔壁面流動，氣體在中間高速噴射，氣液分成兩股進入霧化噴嘴，液體在噴嘴處被霧化。

圖2 旋流霧化數值模擬結果圖

3.2 旋流霧化室內可視化實驗

為驗證旋流霧化裝置在不同氣液比生產條件下的真實霧化能力，并為選井提供理論依據，針對旋流霧化裝置的技術特點，建立了室內模擬實驗裝置[18-20]，模擬旋流霧化裝置對井下液體的霧化效果。

3.2.1 實驗裝置

在試驗管路方面，為方便觀察到霧化效果，采用透明的有機玻璃管模擬氣井油、套管，套管內徑為124 mm，油管內徑為62 mm。霧化裝置安裝在豎直放置的有機玻璃管中。如圖3所示。在試驗管路底部安裝有氣體流量計、溫度傳感器、壓力傳感器、柱塞計量泵等，數據采集器及時將測試數據傳入計算機。

在配套設備方面，采用ВK系列噴油螺桿式空氣壓縮機（最大排氣壓力0.8 MPa，工作容積流量6 m3/min），儲氣罐（最大工作壓力1.2 MPa，容積1 500 L），柱塞計量泵（工作壓力1.5 MPa，流量0～0.8 m3/h，計量精度±1%）。

圖3 旋流霧化室內可視化實驗裝置圖

在測控設備方面，測試的壓力、溫度和氣量等參數均通過采集器連接電腦實現數據的自動采集。具體包含氣體渦輪流量計（測量范圍介于0.1～15.0 m3/h，輸出信號介于4～20 mA，工作電壓24 VDC），液體渦輪流量計（直徑6 mm，測試范圍介于0～0.8 m3/h，輸出信號介于4～20 mA，工作電壓24 VDC），壓力傳感器（適用溫度介于－25～150 ℃，精度±0.2%，輸出信號介于4～20 mA，工作電壓24 VDC，量程介于0～0.4 MPa）和溫度傳感器（測量范圍介于0～100 ℃，精度±0.5 ℃）。

3.2.2 實驗方法

透明有機玻璃管上下分別連接氣液混合物進出實驗管路，由ВK系列噴油螺桿式空氣壓縮機供氣，由柱塞計量泵按設定參數供液，實驗管路中安裝有氣體流量計、溫度傳感器、壓力傳感器等儀器，分別采集霧化實驗中井口和井底的數據，并將數據及時傳入計算機，進行記錄和分析。實驗在室溫25 ℃、壓力0.1 MPa下進行，實驗介質采用空氣和清水，按照新疆油田產水氣井生產氣液比范圍，設定不同氣液比，將氣液泵入旋流霧化裝置，測試霧化效果。圖4展示出井底積液被霧化和攜帶出井筒的效果。

圖4 旋流霧化室內可視化實驗霧化效果圖

3.2.3 試驗數據分析

以新疆油田產水氣井的氣液比為參考，選取不同氣液比進行旋流霧化室內可視化實驗。攜液理論模型計算得到外徑73 mm（內徑62 mm）油管的臨界攜液流速為7.92 m/s，但實驗結果顯示液體經霧化后，氣流速度在6 m/s左右即可實現正常攜液（表1），說明霧化降低了氣井的臨界攜液流速；隨著氣液比增加，進、出口液體流量差逐漸減小，霧化效果越來越好，當氣液比達到并超過1 575 m3/m3后，進出口液體流量差基本穩定，霧化效果達到最佳。

4 旋流霧化排液采氣工藝關鍵技術參數和技術優勢

4.1 關鍵技術參數

為確定旋流霧化排液采氣工藝的適用范圍，基于數值模擬和室內可視化實驗，開展了現場試驗，以進一步確定該工藝的各項關鍵技術參數。

表1 霧化裝置室內實驗數據表

4.1.1 最大下入井深

霧化裝置具體下入深度，需結合氣井油管尺寸、生產測井數據、產氣量、產液量等實際參數來確定。基于前期生產經驗，井深（產層中部深度）為4 200 m時，仍可利用該工藝實現氣井的連續攜液生產。由于霧化裝置及配套工具是利用井下鋼絲作業下入井內。因此，進行工具最大下入深度設計時需考慮鋼絲作業車施工能力。

4.1.2 選井條件

旋流霧化排液采氣工藝以Turner攜液模型為理論基礎，采用物理方法排液采氣，對凝析油含量和產出液體的礦化度不敏感。在旋流霧化排液采氣工藝設計中，采取“一井一策”設計模式以克服井筒溫度、外輸壓力等參數對霧化效果的影響。由于霧化裝置和配套工具中需要用橡膠件來實現對油管和工具的密封。因此，氣井井筒溫度不應高于橡膠件工作溫度。目前，采用的丁腈橡膠件可實現井筒溫度在120 ℃以內氣井的正常生產。

4.1.3 氣液比

氣液比是排液采氣工藝中的一個重要參數。對于旋流霧化排液采氣工藝，可以通過數值模擬、室內可視化實驗和現場生產跟蹤確定這一參數。數值模擬是在一種理想化的工況下進行的，模擬結果顯示該工藝適用的氣井臨界氣液比為600 m3/m3。室內可視化實驗結果顯示該工藝適用的氣井最佳氣液比為1 575 m3/m3（表1）。現場氣井的應用結果顯示該工藝適用的臨界氣液比為1 069 m3/m3，產液量為20 m3/d。因此，為保證旋流霧化排液采氣工藝的實施效果，建議該工藝適用氣井的氣液比大于1 100 m3/m3，產液量小于20 m3/d為宜。

4.1.4 其他參數

目前，氣井多采用外徑73 mm（內徑62 mm）和外徑88.9 mm（內徑76 mm）的油管生產。因此，研發的適用于這兩種油管規格的霧化裝置和匹配工具外徑分別為58 mm和72 mm，可滿足目前大部分氣井生產需要。

綜上所述，旋流霧化排液采氣工藝關鍵技術參數如下：最大下入井深4 200 m，工作溫度120 ℃，氣液比大于1 100 m3/m3，產液量小于20 m3/d，工具外徑58 mm（適用于外徑73 mm的油管）或72 mm（適用于外徑88.9 mm的油管）。

4.2 技術優勢

旋流霧化排液采氣工藝具有以下技術優勢：①利用氣井自身能量實現液體霧化，不需要額外動力；②采用物理方法進行排液采氣，對氣井凝析油含量不敏感；③利用鋼絲投撈完成作業，無需更換氣井原井油管，作業方便；④霧化裝置及配套工具體積小，適用范圍廣，生產成本低；⑤霧化裝置沒有運動部件，工作可靠性有保障。

5 現場應用

截至2017年12月，旋流霧化排液采氣工藝在新疆油田開展了2口井的現場應用試驗。選井主要考慮：①地層具有一定能量，但產水量較多造成水淹停產的氣井（如滴西17井）；②目前仍在生產，但已出現攜液困難的氣井（如K82006井）。在采取旋流霧化排液采氣工藝措施后，氣井的攜液能力得到了改善，實現了連續攜液生產。后期，將借鑒前期生產經驗，繼續針對地層能量較低（如地層壓力系數小于0.4）、儲層深度大于3 000 m的氣井，調整霧化裝置參數后再進行現場應用試驗，以進一步檢驗旋流霧化排液采氣工藝的適應能力。

克拉美麗氣田為火山巖底水氣藏，多數氣井產出地層水。滴西17井儲層中部深度為3 600 m，采用外徑73 mm（內徑62 mm）油管完井，2011年12月21日投產，初期產氣量為3.9×104m3/d，產液量（含凝析油產量）為7.95 m3/d，生產較連續。至2013年8月因無法連續攜液生產關井復壓，后間開生產，均無法維持較長時間。2016年10月，在滴西17井開展了旋流霧化排液采氣工藝試驗，試驗后氣井恢復了連續攜液生產，產氣量穩定在2.0×104m3/d左右，與2013年8月關井前氣井連續攜液生產時相當，但產液量波動較大，最高達30 m3/d，整體高于之前連續攜液時的產液量，生產油、套壓分別穩定在8.5 MPa、15 MPa。截至2017年10月，除當年5—6月管線檢修外，均實現了連續生產，累計生產時間達10個月，累計產氣量超過620×104m3（圖5）。

克75氣田為高壓低滲氣田，氣藏埋藏較深，儲層中部深度為4 200 m。K82006井采用外徑88.9 mm（內徑76 mm）油管完井，2014年10月正式投產，投產初期產氣量為4.0×104m3/d，不產水。2015年4月，氣井開始產水。2015年10月以來，攜液困難導致氣井頻繁出現短時間大股出水現象，產氣量波動較大。2017年6月在該井開展了旋流霧化排液采氣工藝試驗，截至2018年3月，氣井已連續攜液生產9個月，產氣量穩定在1.2×104m3/d左右，且未見明顯產水（圖6）。該工藝解決了大直徑油管氣井的攜液生產問題。

圖5 滴西17井生產動態曲線圖

圖6 K82006井生產動態曲線圖

6 結論

1）以Turner臨界攜液流速模型為理論基礎，設計了旋流霧化排液采氣裝置和配套工具，形成了旋流霧化排液采氣工藝，霧化裝置將氣井內較大液滴和積液霧化為直徑很小的液滴，從而實現井底積液被攜帶出井筒，最終使水淹氣井復產和穩產。

2）根據數值模擬和室內可視化實驗，結合新疆油田現場生產情況，建議該工藝應用于氣液比大于1 100 m3/m3，產液量小于20 m3/d的氣井。

3）該工藝在新疆油田實施2井次：水淹氣井滴西17井實施旋流霧化排液采氣工藝后成功復產，并實現連續攜液生產，累計產氣量超過620×104m3；大直徑油管完井的K82006井在工藝實施后，井底產出液可被及時霧化并攜帶出井筒，產氣量穩定在1.2×104m3/d左右。

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