井下涡流工具携液机理及影响因素研究

许　剑　肖　茂　曾兴平

（中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川　德阳　618000）



井下涡流工具携液机理及影响因素研究

许剑肖茂曾兴平

（中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川德阳618000）

摘要涡流排水采气工艺是近年来国内研究的一项新领域，目前主要着重于工具结构本身，对工具后的气液两相流流型、流态以及螺旋距离较少提及。基于涡流气液两相流物理实验，通过对涡流工具的携液机理研究，取得了涡流工具是通过能量转换、改变流态以及挡板效应综合作用的认识；通过对气井工况、工具结构的敏感性分析，取得了产水量、井斜角以及过流面积是影响涡旋距离主要因素的认识。

关键词涡流工具两相流携液机理影响因素

0　引言

涡流排水采气工艺是2002-2006年美国能源部针对低压低产井开展的项目［1］，2010年我国先后在苏里格、大庆、四川、吉林、华北等油气田开展试验［2］，少数井效果较好，大部分气井排采效果不理想，2013年中国石化西南油气分公司引进井下涡流工具，并在两口低压、低产井开展入井试验，涡流携液效果不显著。针对国内对涡流工艺携液机理、影响因素以及适用界限认识不清的问题，利用气液两相流物理实验开展了涡流携液机理和影响因素研究。

1　实验装置与方法

1.1实验装置

涡流排水采气实验装置（图1）由进水系统、进气系统和实验管段3部分组成，水平段长6 m，斜井段垂直长4 m，直井段长4 m，均采用∅70×5 mm的有机玻璃管，以便于可视化观测实验管段中气液流动情况。注气子系统由压缩机、储气罐、气体涡街流量计、阀门、注气管线、调压蝶阀、球阀、压力表组成；注水子系统由压力储水箱、注水管线、调压蝶阀、球阀、机械压力表组成；涡流工具入口预留压力传感器接头，涡流工具后预留差压传感器接头，方便数据采集。

图1　涡流气液两相流物理实验图

1.2实验工具

涡流工具的核心部件是螺旋变速体，能够起到改变流态、产生涡流的作用，实验以新场气田CX479井涡流工具的螺旋变速体为原型制作样件，制作不同过流面积涡流实验样件两只，相关参数见表1。

1.3实验方法

通过改变不同注水量和注气量，观察涡流螺旋形态和距离，在实验段上布置了压力传感器、压差传感器，压力主要监测工具入口压力（可表征井底压力），压差主要监测涡流工具后2 m局部压降。

表1　涡流物理实验样件表

2　实验结果分析

2.1实验现象分析

未加涡流工具斜井段为段塞分层流，液体出现回流滑脱现象，添加涡流工具后，能够明显看到流体呈涡旋流，液体被甩到管壁，气体在管道中部流动，能有效阻止液体回落，正是液体滑脱破坏了涡流流型（图2）。实验观察得到：高流速下涡流工具将段塞分层流改变成螺旋流，提高气体持液率；低流速下涡流工具起挡板作用，阻止液体滑脱。

图2　工具流态图

2.2井底压力和斜井差压分析

固定斜井段倾斜角为25°，保持注水量为5.8m3/d，注气量从5 m3/h增加到120 m3/h，分别记录添加涡流工具前后压力、斜井差压变化情况（图3）。

图3　井底压力与斜井差压随注气量变化关系图

由于出口为常压，井底压力则反映的是全井筒压力损失。当产气量小于A点时，随着气量增加，井筒积液被带出，井底压力逐渐减小；产气量大于A点时，气体摩阻起主要作用，井底压力逐渐增加，因此，A点即是全井筒压力损失最小点，该点产量即为最有利于气井生产产量（简称为最佳产量）。

涡流工具有降压提速的作用，将部分压力能转换为动能［3］，表现为井筒压力损失增加了14%；涡流工具将井筒中回落液体阻挡在工具之上，提高气井持液率，表现为工具后斜井差压增加了19%；添加涡流工具后气井最佳产量降低了10%，有利于气井生产。

2.3倾斜角度敏感性分析

将涡流工具安装在井底，通过调整斜井段倾斜角分别为65°、45°、25°三个角度，保持相同的注水量，记录不同注气量下的井底压力、斜井差压以及涡流工具后流体螺旋距离（表2）。

表2　不同倾斜角涡流实验数据表

随着产气量增加，涡流螺旋距离越远，尤其是产气量大于60 m3/h，涡流螺旋距离增加更加迅速。井斜角每减小20°，井筒压力损失降低8%～10%，斜井差压降低25%～30%，涡流工具后气液两相流螺旋距离提高80%～100%。倾斜角度越小，涡流流态越好，螺旋距离越远，涡流工艺来源于水平输送粉尘［4］，用于水平输送，涡流效果最好。

2.4产水量敏感性分析

将涡流工具安装直井段，固定注水量为0.1 m3/d、1 m3/d和4 m3/d，记录不同产气量下流体螺旋距离（图4）。

注水量0.1 m3/d的螺旋距离是1 m3/d的3.2倍，注水量1 m3/d的螺旋距离是4 m3/d的1.8倍。产水量越少，井筒中液体滑脱越小，对涡流流型的破坏作用越小，因此，产水量越低，涡流的螺旋距离越远。

图4　不同注水流量涡流螺旋距离图

2.5涡流工具过流面积敏感性分析

涡流工具螺旋角度为45°，过流面积分别为1 066 mm2和575 mm2（图5）开展相关实验，记录随着产气量增加涡流工具后流体螺旋距离（图6）。

图5　1 066 mm2和575 mm2过流面积涡流工具图

图6　不同过流面积涡流工具螺旋距离图

过流面积减小46%，螺旋距离提高1倍，减小过流面积对提高携液距离作用显著［5］。

3　结论

1）高流速下涡流工具改变流型，提高气体持液率；低流速下起挡板作用，阻止液体滑脱。

2）添加涡流工具后井底回压、斜井压差增大，说明压能向动能转化，工具后持液率增加。

3）倾斜角每减少20°，螺旋距离增加约1倍，倾斜角越小螺旋形态越好，涡流工具源自水平输送粉尘，因此用于水平管输送效果较好。

4）少量水的情况下，螺旋距离提高约5倍，由于没有液体滑脱，涡旋距离大幅上升，进一步证实水的滑脱是破坏螺旋的主要因素。

5）涡流工具螺旋角在36°～45°，角度对螺旋距离影响不明显，涡流工具过流面积减小46%，螺旋距离提高约2倍，减小过流面积，对提高携液距离作用显著。

参考文献

［1］杨旭东，卫亚明，肖述琴，等.井下涡流工具排水采气在苏里格气田探索研究［J］.钻采工艺，2013，36（6）：125-127.

［2］杨涛，余淑明，杨桦，等.气井涡流排水采气新技术及其应用［J］.开发工程，2012，32（8）：63-66.

［3］朱庆，张俊杰，谢飞，等.涡流排水采气技术在四川气田的应用［J］.天然气技术与经济，2013，7（1）：37-39.

［4］杨涛，余淑明，杨桦，等.气井涡流排水采气新技术及其应用［J］.开发工程，2012，32（8）：63-66.

［5］魏航信，职黎光，吴伟.基于旋流机理的排水采气技术研究进展［J］.内蒙古石油化工，2014（7）：71-73.

（编辑：李臻）

修订回稿日期：2016-04-05

文献标识码：B

文章编号：2095-1132（2016）03-0046-03

doi：10.3969/j.issn.2095-1132.2016.03.012

作者简介：许剑（1984-），工程师，从事采输气研究工作。E-mail：starsix04@126.com。