气井涡流排液采气工具有效作用长度

陈德春，姚亚，韩昊，付刚，宋天骄，谢双喜

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300456）

气井涡流排液采气工具有效作用长度

陈德春1，姚亚1，韩昊1，付刚1，宋天骄1，谢双喜2

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300456）

针对目前对涡流工具适用条件和工具有效作用长度认识不清，现场应用与分析主要依据经验，进而影响使用效果等问题，运用AutoCAD和Fluent流体模拟软件，建立涡流工具气液两相流场模型，研究流体旋转强度的衰减规律，预测涡流工具有效作用长度，并分析井筒气液状况和工具结构参数对有效作用长度的影响。研究结果表明：流体旋转强度的衰减规律符合对数递减，以对数递减公式预测的涡流工具有效作用长度介于10～100 m；流体入口速度和井筒气液比是影响工具有效作用长度的主要因素，入口速度和气液比增大，有效作用长度增大；槽宽为60 mm时，工具有效作用长度较大，排液效果较好；减小槽深和工具与油管之间的间隙，流体速度增大，有效作用长度增大。研究结果可为现场涡流工具结构参数优选和排液效果的提高提供理论依据。

排水采气；涡流工具；有效作用长度；数值模拟；气液状况；结构参数

0　引言

随着气藏开采程度的增加，地层压力和产气量逐渐降低，气体携液能力减弱，同时水侵量不断增加，严重影响气井自喷产量，甚至造成气井水淹停产［1-3］。为提高气井自喷排水采气效果，美国于2004年研究出一种新型高效涡流工具。该工具将气液两相雾流转换为螺旋环流，降低了流动压力损失，减小了临界携液流量，提高了气体携液效率［4-5］，现场应用效果良好［6-8］。然而，涡流携液技术的应用超前于理论研究，国内外研究人员对涡流工具的有效作用长度以及其影响因素，大多只给出了定性描述，工程设计与分析仍处于经验状态。2012年，岳君等［9］将涡旋环膜流膜厚降低到初始膜厚5%时的流动距离设定为涡流有效距离，缺乏充分的理论依据；2015年，杜汶浓［10］通过室内实验研究了旋流维持的距离，但没有将实验条件和气井真实生产参数结合起来，误差较大。为此，笔者根据渤海G2气井实际生产状况，研究建立了涡流气液两相流场模型，利用Fluent软件对涡流工具进行数值模拟，研究流体旋转强度的衰减规律，为计算涡流工具有效作用长度打下理论基础；同时，分析了井筒气液状况以及工具结构参数对有效作用长度的影响，为科学有效地使用该技术提供了理论依据。

1　涡流气液两相流场模型建立

1.1几何模型

井下涡流工具主要由坐落器、导流筒和螺旋变速体3部分组成。其中，坐落器用于涡流工具在井筒中的固定，导流筒用于流体流通，螺旋变速体用于改变流体流态［11］。笔者根据工具的真实数据，采用AutoCAD建立了螺旋变速体的几何模型（见图1）。螺旋变速体的几何参数主要包括顶角角度、槽宽、槽深及螺旋叶片导程。

1.2数学模型

1.2.1多相流模型

气液两相在螺旋上升过程中，两相之间存在相互作用力，选用Fluent软件中的欧拉模型进行计算，更为精确［12］。欧拉模型的控制方程组主要包括连续性方程、动量方程和能量方程，表达式分别为

式中：ρk为密度，kg/m3；t为时间，s；uk为速度，m/s；▽为哈密尔顿算子；pk为压力，MPa；I为单位张量；Tk为剪应力张量，MPa；g为重力加速度，m/s2；ek为比内能，J/ kg；qk为体积热源，W/m3；下标k代表气相或液相（k=g时代表气相，k=l时代表液相）。

1.2.2湍流模型

雷诺应力模型摒弃了各向同性假设，更加严格地考虑了流线弯曲、涡旋、张力快速变化等因素。摒弃了涡黏性假设，考虑了雷诺应力的对流和扩散，对流体复杂流动具有更高的预测精度。涡流气液两相流场为螺旋流、各向异性，采用雷诺应力模型进行模拟具有较高的精度［13］。雷诺应力模型的运输方程为

1.2.3数学模型正确性验证

基于M.Surendra的气液两相流螺旋纽带实验［14］，对本研究采用的雷诺应力模型与欧拉模型的正确性进行验证。将距离入口不同距离（Z）横截面流体切向速度的模拟结果和实验数据进行对比，结果见图2。

由图2可以看出，数值模拟结果和实验数据的趋势完全一样，相对误差仅有2.3%。可见，这2个模型能很好地模拟涡流工具导致的螺旋流动。

1.3模拟参数

以渤海G2气井实际资料设定Fluent软件模拟参数：出口界面采用压力出口，压力值取8.96 MPa；入口界面采用速度入口，入口流速为0.84 m/s；操作温度为366.91 K，重力加速度为9.81 m/s2，气液比为55.6 m3/ m3；液滴直径为0.1 mm，刚性液滴，不具有融合性；采用壁面函数处理壁面边界层的流场。

2　涡流工具有效作用长度预测

安装涡流工具后，流体的流动轨迹由直线变为螺旋线，气液螺旋上升，流体旋转强度增大，气体携液效率增大。因此，涡流工具的有效作用长度主要取决于螺旋流动维持长度，旋转强度减为0时，此时的流动距离即为涡流工具的有效作用长度。从Fluent软件中得到不同轴向位置处的流体旋转强度（即流体切向速度与轴向速度的比值）（见图3）。图中，Ω为流体旋转强度，ΔZ为不同点与初始面的轴向距离，D为油管内径。

由图3可以看出，雷诺数（Re）增大，旋转强度增大，并且旋转强度衰减规律均符合对数递减规律，拟合公式如式（5）所示，拟合精度均大于0.9。

式中：a，b为拟合系数。

3　有效作用长度影响因素分析

3.1入口速度对有效作用长度的影响

产气量不同，涡流工具排液效果不同，则有效作用长度不同。产气量的变化实质是流体入口速度的变化，对入口速度分别为0.84，2.00，3.00，4.00 m/s的模型进行流场模拟，得出不同入口速度时涡流工具的有效作用长度，结果见图4。

由图4可以看出，入口速度增大，则涡流工具有效作用长度增大。这是因为，入口速度增大，流体流经涡流工具之后，所受的离心力增加，螺旋流动程度增加，旋转强度增大，旋转强度减为0时的流动距离增加。

3.2气液比对有效作用长度的影响

保持气量恒定，减少水量，改变气液比（55.6，100.0，1 000.0，2 000.0 m3/m3）进行模拟，结果见图5。

由图5可以看出，气液比增大，则涡流工具有效作用长度增大。这是因为：气液比增大，含水率减小，截面含液量减小，当液滴直径一定时，含水率越小，液滴数量就越少，流体流动阻力也随之减小；当流体流经涡流工具之后，气液分离，气流的阻力减弱，并且气液比越大，流动阻力减小的程度越小，气体轴向速度越小，旋转强度增大，有效作用长度增大。

3.3间隙对有效作用长度的影响

改变螺旋变速体与油管内壁之间的间隙（0，1，2，4 mm）进行模拟，结果见图6。

由图6可以看出，间隙增大，涡流工具有效作用长度减小。这是因为，间隙增大，流体过流面积增大，加速作用减弱，流体速度减小，螺旋流动程度减弱，同时间隙增大导致轴向流动程度增强，螺旋流动程度减弱，旋转强度减小，有效作用长度减小。

3.4槽宽对有效作用长度的影响

目前使用的涡流工具，其槽宽均介于40～80 mm。对槽宽分别为40，45，50，60，70，80 mm的涡流工具模型进行模拟对比，结果见图7。

从图7可以看出，槽宽减小，有效作用长度先增大后减小，槽宽为60 mm时的有效作用长度最大。这是因为，槽宽减小，过流面积减小，流体速度增大，流体螺旋流动程度增加，旋转强度增大，有效作用长度增大。槽宽为60 mm时的气体速度最大，槽宽小于60 mm时，气液两相受到较大的离心力向管壁运动，气液分离效果变差，气相受迎面液相压力影响，速度减小，有效作用距离减小。

3.5槽深对有效作用长度的影响

目前涡流工具的槽深大多介于5～15 mm，改变槽深（5，9，15 mm）进行模拟，结果见图8。

由图8可以看出，槽深增大，涡流工具的有效作用长度减小。这是因为，槽深增大，绕流器直径减小，过流面积增大，涡流工具的加速作用减弱，流体速度减小，螺旋流动程度减弱，有效作用长度减小。

4　结论

1）本文建立的涡流模型的模拟结果与M.Surendra的螺旋纽带实验数据趋势完全一致，相对误差仅为2.3%，能够很好地模拟螺旋流动。

2）螺旋流动过程中，流体旋转强度的衰减规律符合对数递减，采用对数递减公式预测的涡流工具有效作用长度介于10～100 m。

3）槽宽为60 mm时，气液分离效果较好，气体流速较大，涡流工具有效作用长度较大。选取槽宽为60 mm的涡流工具有利于排液。

4）流体入口速度和井筒气液比对涡流工具有效作用长度有很大影响。入口速度和气液比增大，有效作用长度增大。工具与油管之间的间隙对有效作用长度影响较小，间隙和槽深减小，有效作用长度增大。

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（编辑史晓贞）

Effective length of vortex tools for liquid discharge in gas wells

CHEN Dechun1，YAO Ya1，HAN Hao1，FU Gang1，SONG Tianjiao1，XIE Shuangxi2
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Engineering Technology Company，Energy Resources Development Co.Ltd.，CNOOC Ltd.，Tianjin 300456，China）

At present，there is still no clear understanding of applicable conditions and effective length of vortex tools，and field application and analysis are mainly based on experience，which can weaken the application effect of vortex tools.In order to study the attenuation law of fluid swirl intensity，predict effective length of vortex tools，and analyze the influence of structure parameters and gas-liquid condition on effective length，Fluent and AutoCAD software are applied to establish two-phase vortex flow models. The research shows that fluid swirl intensity is conformed to logarithmic decrement and the effective length of vortex tools is in the range of 10-100 m.Furthermore inlet velocity and gas-liquid ratio are main factors influencing the effective length of vortex tools，and with the increase of inlet velocity and gas-liquid ratio，effective length becomes greater.Longer effective length and better liquid removing efficiency is with 60 mm trough width.With the decreases of trough depth and the space between vortex tools and tube，fluid velocity becomes higher and effective length increases.The results provide theoretical basis for the structure parameter optimization and improvement of drainage efficiency of vortex tools.

drainage gas recovery；vortex tools；effective length；numerical simulation；gas-liquid conditions；structure parameters

中海油能源发展股份有限公司科研项目“涡流工具携液影响因素分析”（GC2014ZC2916）

TE377

A

10.6056/dkyqt201604028

2015-12-18；改回日期：2016-05-14。

陈德春，男，1969年生，教授，博士，现主要从事油气开采理论与技术的研究与教学工作。E-mail：chendc@upc.edu.cn。

引用格式：陈德春，姚亚，韩昊，等.气井涡流排液采气工具有效作用长度［J］.断块油气田，2016，23（4）：537-540.

CHEN Dechun，YAO Ya，HAN Hao，et al.Effective length of vortex tools for liquid discharge in gas wells［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：537-540.