涡流排水采气技术数值模拟研究

李 隽李 楠李佳宜王 云曹光强

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院采油所，北京 100083；3.中国石油安全环保技术研究院，北京 100083）

涡流排水采气技术数值模拟研究

李 隽1李 楠2李佳宜3王 云2曹光强2

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院采油所，北京 100083；3.中国石油安全环保技术研究院，北京 100083）

为了促进涡流排水采气工艺在我国的推广应用，开展了涡流工具特性的模拟研究。建立了涡流工具排液过程的数理模型，对涡流工具引发的旋流场进行了模拟研究，获得了不同雷诺数及持液率下的气液螺旋涡流的流场结构及特点，气速对液膜螺旋流的影响规律，螺旋流动强度的变化规律。研究结果表明，涡流工具使气液两相流体调整为类环状流动，井筒中心以连续气柱的形式向上运动，壁面附近的液膜螺旋上升运动，这种流动结构降低了管柱摩阻，提高了气体携液能力。

排水采气；涡流工具；紊流；螺旋流；仿真模拟

涡流排水采气工艺是一种新型的排水采气方式，是美国能源部（DOE）2001年资助的低产油田新技术研究项目之一［1］。其工作原理是无规则的气液两相紊流流体进入涡流工具后，加速度使得较重的液体甩向管壁，流体沿工具向上运动，变成规则的螺旋型二相层流流动，提高气井排液能力，降低油管压力损失。国内2011年引进该技术并进行了应用，但效果不甚理想，原因在于现场施工尚未认清涡流工具的机理。笔者采用数值模拟的方法模拟了涡流工具在井筒中的工作状态，分析涡流流动的规律和特点，以指导涡流工具的现场应用。

1 模型建立及模型验证

1.1 物理模型的建立

根据真实工具的数据建立涡流工具存在于油管之中的物理模型。

图1 Fluent模型建立

1.2 多相流模型选择

选择欧拉模型作为多相流模型［2］，并做以下假设：

（1）来流是以液滴为主的雾状流；

（2）来流中天然气体积份额（0.90）远大于液相（0.10）；

（3）流动过程中气液两相分布非常不均匀，流场内既有液滴也有液膜［2］。

1.3 控制方程组

从数值计算的角度，当液体以液滴形式加入气体流体后，流体不仅受到流体内部力的作用，还受到液滴对气体流体的作用力。引入空隙率E，对流体控制方程中的密度、黏性、源项进行修正，即可得到气液两相流流体相的控制方程［2］。

体积分数方程

式中，ρ为相密度，kg/m3；v为速度，m/s；τ为剪切力，N；m为质量，kg；σ为相含率，%；R为相互作用力，N；下标p，q分别代表气相和水相。

1.4 湍流模型选择

本文利用国外采用螺旋纽带进行的实验数据，在数值模拟计算中分别采用RNG和RSM的的方法计算螺旋纽带实验，并将之和国外实验数据进行比较［3］。将实验结果中角速度以及物理模型不同截面（z=150 mm，185 mm，230 mm）的轴向速度和国外实验数据进行对比，数值模拟的结果和国外实验数据的趋势完全一样，证明采用数值模拟的方法模拟涡流工具的方法是可行并且具有很高的可信度。如图2所示，对比各条曲线的近似程度可以发现RSM模型最为适合涡流的模拟。

1.5 边界条件设定

1.5.1 入口边界条件 以涩北气田真实井井况设定边界条件。入口为速度入口边界，为每一相指定入口速度，均为6.5 m/s。对于液相，设置入口液滴粒径均一分布（10 μm），体积分数为0.1。气液两相间仅考虑相间拖曳力的作用。分离器入口视为充分发展的均匀雾状管内流动，同时，为主相指定湍流边界条件。

湍流强度

湍流动能

图2 数值模拟结果和国外数据对比

式中，u'为均方速度，m/s；C为模型常量，取0.09；ReDh为以水力值为特征长度所求得的雷诺数；uavg为平均速度，m/s；l为特征长度，m。

1.5.2 出口边界条件 出口为压力出口边界，认为背压与大气连通，相对压力设置为0，根据内部流动外推出压力边界条件。

1.5.3 壁面条件 旋叶分离器内所有构件均静止，因此壁面边界速度无滑移、无质量加入，保留系统默认设置。

2 数值计算结果及分析

2.1 涡流规律

2.1.1 水的体积率变化 图3是物理模型进口到模型末端水体积率分布云图。可以看出，在工具的进口处（z=−173 mm），水以平均体积率10%分布在界面上。在工具出口处（z=0 mm），气液两相流体由于离心力的作用，水被甩到了管壁处，随着距离的增加，在z=550 mm处形成一个靠近壁面稳定的液膜，而在中心区域水体积率降低，为中心气柱。至此形成液膜以螺旋状态存在于油管内壁，气体以中心气柱形式存在于油管中部［4］。

图3 水体积率分布云图

2.1.2 压力分布变化 图4为不同截面处压力分布的云图，可以看出，随着距离的增加，管壁内侧形成压力较大的一层液体，而中部为压力较小的中心气层。从压力分布云图上印证了前面分析的水体积率云图反映的螺旋规律。

图4 压力和水体积率分布云图

2.2 流动规律

图5为涡流工具后测量直管段内（z=170～570 mm）的螺旋流动。（a）为流动迹线图，（b）为三维流线。可以看出，经过涡流工具后，井筒内无规则的气液两相紊流流动变成规则的螺旋型二相层流流动［5］，绿色气体以中心气柱存在于油管中部。

图5 模型迹线示意图

2.2.1 速度分布变化 分别截取模型270 mm、360 mm、450 mm、540 mm等4个截面轴向速度分布云图和曲线图分析速度的变化规律。从图6可看出随着距离的增加，中心气柱渐渐趋于稳定［5］。图7为不同截面轴向速度曲线图，横轴为截面某一点和原点之间距离的比值，纵轴为该点速度和进口处速度的比值，可以看出，z=540 mm截面中心气速最大。图8比较了使用涡流工具和光滑直管的中心气速，可以看出涡流流态中心气速要远大于湍流气速。

图6 不同截面轴向速度云图

图7 不同截面轴向速度曲线

图8 涡流工具和光滑直管中心气速对比

2.2.2 压力降变化 从图9可以看出涡流工具可以显著降低压降。虽然涡流工具会造成较大的局部降，但工具后液膜环状流压降降低，总体上降低了气井的压力降。

图9 压降变化曲线

2.2.3 旋转分布变化 数值模拟中一般用切向速度和轴向速度的比值来表征该点的旋转强度的大小。分别截取370 mm、470 mm、570 mm等3个截面切向速度和轴向速度比值的分布云图（图10），可以看出，井壁内侧颜色较深，表示该处的旋转力较大，而中心几乎不旋转［6］。结合前面研究的规律，说明存在于油管内壁的液膜是以螺旋状态向上运动，中心气柱垂直向上。

图10 涡流工具引发的螺旋流动中直管段不同横截面上切向速度与轴向速度（Ut/Ua）比值的分布云图

2.3 涡流工具工作机理

上述模拟结果表明，气液两相流体通过涡流工具产生极强的旋流运动（通过结果提取发现速度的增加6.5～12 m/s），使气液两相流流型在很短距离（550 mm）内由以液滴流动为主的雾状流流型改变为以液膜流动为主的环状流流型，降低了油管的压降和临界气体流速；涡流工具将管内流动分为两个区域：旋流很小而快速向上流动的中心气核和旋流较强而向上螺旋流动的壁面液膜附近区域。

3 结论

（1）建立了涡流工具排液过程的数理模型，通过验证该模型可以作为模拟涡流的正确模型，并对涡流工具引发的旋流场进行模拟研究。

（2）流经涡流工具后的气液两相流体被调整为类环状流动，井筒中心以连续气柱的形式向上运动，壁面附近的液膜螺旋上升运动，这种流动结构使涡流工具之后的流动压力降远低于光滑直管，而中心气核的速度远高于光滑直管，提高了气体携液能力。

（3）对井下涡流工具安放在气井井筒中的排液过程进行了研究。涡流工具将液滴雾状流转变为液膜环状流动，这种流动形式降低了油管的摩擦阻力，从而降低气井的临界流速（经过计算涡流工具使临界气体携液流速降低约65%）。

（4）建议进一步开展涡流工具的室内实验工作，做数值模拟和物理模拟结果对比分析，进一步验证研究成果，以便于更好地指导现场施工作业。

［1］ ALI A J, SCOTT S L, FEHN B. Investigation of new tool to unload liquids from stripper-gas wells［R］. SPE 84136, 2003.

［2］ 赵玉新.FLUENT技术基础及应用实例［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［3］ SURENDRA M, FALCONE G, TEODORIU C. Investigation of swirl flows applied to the oil and gas industry ［R］. SPE 115938, 2008.

［4］ 杨川东.采气工艺［M］.北京：石油工业出版社，1977.

［5］ 杜坚，周洁玲. 深井低压底水超声排水采气方法研究［J］.天然气工业，2004，24（6）：86-88.

［6］ 周际永，伊向艺，卢渊.国内外排水采气工艺综述［J］.太原理工大学学报，2005，36（S0）：44-45，51.

（修改稿收到日期 2013-10-22）

〔编辑 朱 伟〕

Numerical simulation research on eddy current drainage gas recovery technology

LI Jun1, LI Nan2, LI Jiayi3, WANG Yun2, CAO Guangqiang2

（1. School of Energy Resources, China University of Geosciences（Beijing）, Beijing 100083, China; 2. Petro China Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China; 3. CNPC Research Institute of Safety & Environment Technology, Beijing 100083, China）

In order to facilitate the eddy current drainage gas recovery technology being widely used in China, simulation research on eddy current instrument characteristics was carried out. The mathematical model of eddy current tools draining process was established to study the eddy field triggered by the cyclone of the tools. The simulation figured out the flow field structure and characteristics of gas-liquid spiral vortex flow under different Reynolds numbers and liquid holdup conditions; besides, the influence of gas velocity on liquid membrane spiral flow and variation of spiral flow intensity also obtained from the simulation results. The study had revealed that the gas-liquid two-phase fluid was transformed into kind of annular flow by vortex tools, and the center of the wellbore moved up in a continuous form of gas column accompanied liquid membrane near the wall spiral upward movement. These flow structures reduce string friction and improve gas liquid carrying capacity.

gas well production with water withdrawal; eddy current; turbulent flow; spiral flow; analogue simulation

李隽，李楠，李佳宜，等. 涡流排水采气技术数值模拟研究［J］. 石油钻采工艺，2013，35（6）：65-68.

TE37

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0065 – 04

中国石油勘探开发研究院科研项目“井下涡流助排技术机理研究及工具研发”（编号：2012Y-049）。

李隽，1971年生。中国地质大学（北京）在读博士，主要从事采油气工程技术研究。电话：010-83593079。E-mail：lij69@ petrochina.com.cn。