基于正交试验的涡流排水采气影响因素分析

徐建宁，邵 乐，梁慧荣，朱端银

（西安石油大学，西安710065）①

基于正交试验的涡流排水采气影响因素分析

徐建宁，邵 乐，梁慧荣，朱端银

（西安石油大学，西安710065）①

涡流工具排水采气是一项新型的排水采气工艺，研究不同的工况及工具参数对涡流工具工作性能的影响在气井的实际应用中具有重要的意义。根据实际应用效果，研究了气流速度、含水率、螺旋角、翼高、直径5个因素，每个因素取5个水平，分析对排液效果的影响。选用标准的六因素、五因子的正交试验表L25（56）制定了25组试验，分析了每个因素及其各个水平之间的差异对试验指标的影响。根据正交试验的结果，得到了各因素之间的最佳组合，对涡流工具的优化设计具有指导意义。

涡流工具；工具参数；正交试验

涡流工具是一种结构简单、体积小、效率高的排水采气工具。国外近几年的应用成果表明，涡流工具可以解决井底积液的问题［1］。国内长庆、大庆等油田在气井上采用涡流排水采气技术并进行现场试验，一部分井取得显著的成果，提高了气井的产量，但部分井的效果不明显。现场试验表明：涡流工具的排液效果受到气流速度、含水率等井底因素和涡流工具的螺旋角、螺旋线的翼高、绕流器的直径等因素的影响。这些因素不同程度地影响排液效果，必需找到这些影响因素的最佳组合，从而提高气井的采收率，提高气井的经济性［2］。

涡流工具可以把气液两相流的紊流流态改变为层流流态，降低气井的最小临界携液流量，减小井筒摩阻损失和液体滑脱损失，增大井底生产压差，提高气井产气量。由文献［3］可知，涡流工具的排液效果与气流速度、含水率这些工况因素以及工具的结构参数有着密不可分的关系。因此，有必要研究各因素对排液效果的影响，通过实际的、少数的、可行的试验优化各个因素及其最佳组合。正交试验设计法对于因子多、周期长、有误差的试验问题是一种行之有效的方法，试验可以同时进行，有利于缩短试验周期，节约时间［4］。

1 涡流工具

1.1 结构组成

涡流工具主要由打捞器、绕流器、导向腔、坐封器、接箍挡环6部分组成，如图1所示。打捞器与绕流器是固接在一起的，绕流器与导向腔通过螺纹连接，导向腔与坐封器也是通过螺纹连接，接箍挡环套在坐封器的外壁上，可以沿着坐封器外壁上下滑动，通过坐封器下端的锥形台阶实现连接与限制，由接箍挡环下端的卡簧实现井下涡流工具的固定。

图1 涡流工具结构

井下涡流工具的核心部分是绕流器，由1个实心的圆柱体和表面上的螺旋带组成。文中所述螺旋角、翼高是绕流器上螺旋带的因素。

1.2 工作原理

井下涡流工具的基本原理是把井筒中的气-液两相流体介质的运动方式，由原来的垂直向上的紊流流态改变为呈螺旋状上升的涡旋分层流。涡流流态这种运动形式可以看成是由1个旋转的分速度和1个线性分速度的合成。旋转分速度对流体产生离心力，由于液体相比于气体密度大，它经过离心力的作用沿着井筒壁形成一个向上运动的环膜流态，而气体则在井筒中心部位向上运动；线性分速度将含液的气体向上传输一段距离，利用动能克服介质向下的重力，从而降低滑脱损失。如果工具的螺旋角度合适，则使两相流体介质的涡流流态保持和传播很长的距离，大幅度提高气体的携液能力。

2 涡流排水采气的正交试验分析

2.1 影响因素水平的选择

本文中的正交试验以气流速度、含水率、螺旋角、翼高、直径5个主要因素进行研究，根据低产低压气井的井底工况以及涡流工具关键尺寸，每个因素取5个水平因子，如表1所示。

表1 正交试验因素水平

2.2 正交试验方案

在制定试验计划中，必须根据实际情况确定因素及因素的水平来设计正交试验。本文选用标准的六因素、五因子的正交试验表L25（56）制定试验方案，如表2所示。表中第1～5列分别为气流速度、含水率、螺旋角、直径、翼高，第6列作为空白列，反应试验误差的大小。

表2 试验方案

2.3 试验结果

正交试验的结果如表3所示，本文中试验数据由计算流体动力学（CFD）方法中FLUENT软件［5-6］模拟而成，模拟了25组由标准试验正交表得到的各个因素的组合试验，模拟采用的试验指标是模拟管柱部分进出口持液率的差值。差值越小，试验结果越好。

表3 正交试验结果

3 正交试验结果分析

3.1 涡流工具关键尺寸确定

利用综合比较的直观分析法对试验得到数据直接分析，直观上由1个因素不同水平对应试验指标之间的差异（极差）可以看出1个因素对试验结果影响的大小，如表4。由表4可知：涡流工具工作时井下工况对其排液效果影响特别大，尤其是含水率。对于气流速度、含水率这2个影响特别大因素需进一步确定最优的水平。空白列的极差与其他3个因素的极差值相差不大，所以直接确定这3个因素的取值。

表4 极差分析

对各个因素的每个水平取5次试验结果的平均值作图，如图2～4所示。由图2可见：进出口持液率的差值随着螺旋角的增大逐渐增大，过了45°以后又逐渐减小，取值为55°差值最小，所以螺旋角的最优取值为55°。由图3可见：进出口持液率的差值随着直径的增大逐渐减小，从0.040 m以后，差值又逐渐增大，所以绕流器的直径最优值为0.040 m。由图4可见：进出口持液率的差值随着翼高的增大先减小后增大，过了0.002 m以后先减小后增大，0.001 5 m时差值最小，所以螺旋线的翼高最优取值为0.001 5 m。

3.2 涡流工况影响因素的确定

图2 螺旋角变化时持液率差值

图3 直径变化时持液率差值

图4 翼高变化时持液率差值

由直观分析法得到气流速度、含水率这2个因素对涡流工具的排液效果影响特别显著，为了进一步区分因子水平变化所引起的试验结果之间的差异与误差的波动所引起的试验结果的差异，本文利用方差分析法确定气流速度、含水率的最佳取值，如表5。

表5 方差分析

因素气流速度、含水率的自由度fA＝fB＝4，SΔ误的自由度fΔ误＝16，查α＝0.01，α＝0.05和α＝ 0.1的F分布表，F0.01（4，16）＝4.77，F0.05（4，16）＝3.01，F0.1（4，16）＝2.33。由表5可知：气流速度、含水率2个因素对试验结果有高度显著的影响。

对各个因素的每个水平取5次试验结果的平均值作图，如图5～6所示。由图5可见：进出口持液率的差值随着气流速度增大逐渐减小，过了1 m／s以后又逐渐增大，所以气流速度的最优值为1 m／s。由图6可见：进出口持液率的差值随着含水率增大逐渐增大，所以含水率的最优取值为0.000 5。

图5 气流速度变化时的持液率差值

图6 含水率变化时的持液率差值

4 结论

1） 正交试验用于涡流工具的排水采气的效果检验是可行的。

2） 通过极差分析法得出涡流工具关键尺寸的取值；而方差分析法进一步确定出井底工况因素对试验指标影响的显著性。由于F0.01（4，16）＜FA，说明该因子水平的改变对试验结果有高度显著的影响；由于F0.01（4，16）＜FB，说明该因子水平的改变对试验结果有高度显著的影响。

3） 综合极差分析法与方差分析法的结果，最终确定各个因素的最佳组合为：气流速度1 m／s；含水率0.000 5；螺旋线的螺旋角55°；绕流器直径0.040 m；螺旋线翼高0.001 5 m。

［1］ Meher Surendra，Gioia Falcone，and Catalin Teodoriu，Invenstigation of Swirl Flows Applied to the Oil and Gas Industry［J］.paper SPE 115938 presented at the 2008 SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in Denver，Colorado，USA，21-24 September 2008.

［2］ 姚展华，杨姝蔚，胡书博，等.低渗透油气井排液技术综述［J］.石油矿场机械，2013，42（4）：78-82.

［3］ 冯翠菊，王春生，张黉.天然气井下涡流工具排液效果影响因素分析［J］.石油机械，2013，41（1）：78-81.

［4］ 《正交试验设计法》编写组.正交试验设计法［M］.上海：上海科学技术出版社，1979.

［5］ 朱红钧，林云华，谢龙汉.FLUENT流体分析及仿真实用教程［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［6］ 许敏.水力旋流器内部流场数值模拟及分离性能分析［J］.石油矿场机械，2012，41（3）：21-24.

Based on Orthogonal Experiment Analysis of Factors Affecting Vortex Drainage Gas

Vortex tool drainage gas recovery is a new type of drainage gas recovery technology，the research of different working condition and tool parameters affect the performance of vortex tool work in gas well is of great importance in practical application.According to the practical application effect，five factors were studied，each factor takes five levels，the analysis of the effect of drainage effect，standard of six factors were chosen，five factors orthogonal experiment table L25（56）has established 25 group test，the differences between each factors and various levels of test index were analyzed.According to the result of orthogonal experiment，to the best combination between various factors were got，which has a guiding significance for optimization design of vortex tool.

vortex tool；tool parameter；orthogonal experiment

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.013

1001-3482（2014）11-0052-05①

2014-05-22

徐建宁（1963-），男，浙江平阳人，教授，主要从事采油机械设计及机械采油工作行为分析方面的研究及教学工作，E-mail：jnxu＠xsyu.edu.cn。