天然气井应用涡流工具排水采气的流场分析

杨树人，庞博学，刘丽丽

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

天然气井应用涡流工具排水采气的流场分析

杨树人，庞博学，刘丽丽

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

涡流排水采气技术施工方便、环保高效，在解决气井积液问题方面前景广阔。为进一步了解井下流场情况、分析气井生产参数对气井排液效果的影响，基于计算流体动力学方法，通过Fluent多相流模型对气井内流动进行仿真模拟计算。通过观察气液流动状态及速度矢量的变化以及监测井口气相含量及其径向分布，研究分析了涡流工具对气井流场的影响规律，为生产工况的优选及涡流工具结构的优化提供依据。

气井；排水采气；涡流工具；Fluent

随着天然气工业的迅速发展，天然气深度开采面临的主要问题之一就是气井积液。造成气井积液的直接原因就是气藏中含水并不断渗入井筒，气体携液能力不足，造成井底积液，这严重影响了天然气的有效开采［1］。选择有效的排水采气工艺技术，是延长气井生产周期、提高采收率的关键［2］。涡流排水采气技术是由中国石油天然气集团公司引进的新技术。该工艺施工方便、环保高效，对于解决气井积液问题的前景十分可观［3］。现已在北美、澳大利亚等国大量推广使用。国内，大庆、苏里格、四川、吉林等气田也已相继安装测试。然而，由于井下涡旋流场内气液两相的运动情况复杂，且工具下放井深很大，对其流场的研究存在一定的难度。国内油田对涡流工具的应用仍处于实验测试的起步阶段，针对涡流工具排水采气机理以及生产参数对此工艺排液效果的影响，一直缺少理论方面的研究。本文基于计算流体动力学方法，应用Fluent软件对使用涡流排水采气工艺的天然气井进行仿真模拟计算，研究井下流体运动规律，验证其排水采气效果并计算分析了天然气井生产参数对气井排液的影响。

1 球形液滴模型中的气井临界携液流速

假设天然气井内气流携带的液体颗粒是球形液滴，对球形液滴进行受力分析，推导出气流携带液滴的最低气体流速。

球形液滴（如图1）在井内受到重力G、气体浮力f和运动气流对液滴的推力F作用。

图1 球形液滴

运动气流对球形液滴的推力F为：

式中：R为液滴半径，m；ρL为液相密度，kg／m3；ρG为气相密度，kg／m3；g为重力加速度，取g＝9.81 m／s2；vC为天然气临界携液流速，m／s；CD为流体阻力系数；p为井筒内压力，MPa。

若T＝F，气流中的球形液滴竖直方向上受力平衡，天然气流速为临界携液流速vC。

气井流体中液滴重力G与浮力f的矢量和为：

当气体流速vG大于临界携液流速vC时，天然气井中的流体能够将半径为R的液滴携带至井口。

2 物理模型

2.1 装置结构

涡流工具由导引销、螺旋片、导流孔道和键槽4部分组成，如图2所示。导引销位于工具最上方，键槽位于工具底部，使用电缆或钢绳连接导引销将工具下入井底，由键槽固定在油管内。导引销下面是一段螺旋叶片，导流孔道位于螺旋段下方，井底的气液两相流体经导流孔道进入螺旋段。涡流工具几何模型由Solid Works建模，全长688 mm，轮廓外径59 mm，导流孔道长106 mm，宽20 mm，螺旋段长度127 mm，螺旋段直径50 mm，螺旋叶片矩形截面宽9.1 mm，高5 mm。

图2 涡流工具结构

2.2 网格划分

涡流工具结构独特，计算区域形状复杂，网格质量要求很高。根据流场三维强旋流特点，对流域进行多块分割，井筒采用Cooper网格划分方法，螺旋环形空间采用四面体非结构化网格划分方法。采用非均匀网格合理安排网格疏密，在保证旋流剧烈区域网格质量的前提下控制网格数量以节省计算时间及资源［4］。图3为Examine Mesh过程网格质量图，此次网格划分所有网格单元最差网格质量为0.697 8，满足计算要求。

图3 涡流工具网格

3 气井涡流排水流场数值计算

3.1

数值求解策略

此次数值模拟研究应用有限体积法对控制方程离散，采用分离式求解器对隐式控制方程联立求解。选用k-epsilion RNG湍流模型及多相流mixture模型，压力离散控制方程选择PRESTO！方法，应用压力基求解器SIMPLE算法对应用涡流工具排水采气的天然气井内气液两相流动进行求解。

3.2 边界条件

1） 气井进口边界 流体可压缩，入口截面采用质量流率边界。对于连续相气体，假设入口流速垂直于截面；对于离散相液滴，假设液滴的进口位置均匀分布于入口截面上，速度与气相相同。

2） 气井出口边界 气液两相均按压力出口处理，出口压力为气井油压，计算取4.8 MPa。

3） 壁面边界条件 螺旋环形空腔及井筒内壁取相关紊流参数及流体速度为零，用壁面函数来处理壁面边界层流场。在计算液滴流场时，当液滴碰到壁面时即被壁面捕获，小液滴碰撞即聚并成大液滴。流动过程考虑重力影响，聚并的大液滴其重力超过气体对液滴向上作用的输运力便向下坠落。

3.3 数值计算结果分析

模拟天然气井中气压力10 MPa，气温度85℃，油压4.8 MPa，固定日产气104m3／d，井底进液按2 m3／d计算。通过图4气井流场速度矢量图可以看出：经涡流工具作用，井内流体运动状态变化明显，气液两相流体经导流孔道进入截面积突然减小的螺旋环形空间开始加速并沿螺旋叶片方向旋转。

图4 气井流场速度矢量

通过图5气井流场迹线图可以看出：涡流工具与井筒形成的螺旋环形空间使得上行的井下气液两相混合流体受力旋转，流体以螺旋形态运动。流体通过涡流工具螺旋叶片之后，仍以高速旋流的方式沿井筒上行很长距离。

图5 气井流场迹线图

通过图6气井流场湍流强度云图可以看出：流体经涡流工具作用后，气液两相混合流体的湍流强度明显减弱，井筒中两相混合的紊流流态转换为涡旋状上行的两相分层流态。这种流态减少了介质间的冲击和摩擦，降低滑脱损失［5］，保证了气体流速，可以大幅提高气流携液能力。

图6 使用涡流工具气井流场湍流强度云图

监测井口截面获得气相体积分数径向分布，通过图7可以更加直观地看出：气井流体经涡流工具后，由于高速旋转产生的离心力作用，大部分密度较大的液态流体被甩至井筒外围，气体集中在井筒中心向上输运，井筒壁附近气相含量极少。井中流体转变为明显的气、液两相分层旋流，减小了气液相介质间的摩擦和滑脱损失。

图7 井口截面径向气相体积分数分布

4 气井生产参数对涡流工具排水采气效果的影响研究

现场实验发现，不同生产参数的天然气井应用涡流排水采气工艺后得到的排液效果不同。本次研究分别对不同日产气能力与不同井底含水情况的天然气井进行模拟计算，比较分析使用涡流工具的气井与普通气井的排液情况。

1） 气井的日产气能力直接影响涡流工具排液效果。在井底进液2 m3／d的情况下，分别模拟计算日产气5 000、10 000、15 000、20 000、25 000、30 000 m3这5组生产条件下使用涡流工具的气井与普通气井井口出液量情况，如图8所示。

由图8知：使用涡流工具的气井排液情况总体好于未使用涡流工具的普通气井。气井日产气能力对涡流排水工艺的排液效果有重要影响。日产气量1×104～2.25×104m3／d的含水气井应用涡流排水工艺效果最佳。日产气能力过低将影响气井携液能力的提升；产气能力过高时气井不依靠此工艺便已能完成排液，不需采取涡流工具排液。

图8 井口出液体积分数与气井日产气量关系曲线

2） 气井井底含水情况对涡流工具排液同样有着重要影响。数值计算以井底进液量作为井底含水情况指标，在日产气5 000 m3的情况下，分别模拟计算井底进液量1、2、3、4、5 m3／d这5组井底含水情况的气井使用涡流工具对其排液效果的影响，如图9。

由图9知：气井井底含水情况对排水采气效果有重要影响。井底进液量低于3 m3／d时，井口排液随井底进液量的增大而增大；井底进液量高于3 m3／d时井口出液增长趋势变缓甚至下降，说明进入气井的液体已不能完全排出井口，产生积液，此时气井使用涡流工具将起到显著的排液效果，且井底进液量越大，提高排液的效果越佳。

图9 井口出液体积分数与井底含水情况关系曲线

5 结论

1） 涡流工具改变了气井中流体的运动状态，流体受涡流工具作用加速并沿螺旋叶片方向旋转，以高速旋流的方式沿井筒上行，气相集中在井筒中心，液相被甩到井筒壁附近，井中流体转变为明显的气、液两相分层旋流。

2） 气井日产气能力对涡流排水工艺提高排液效果有重要影响。日产气量（1～2.25）×104m3／d的含水气井应用涡流排水工艺效果最佳。日产气能力过低将影响气井携液能力的提升；产气能力很高时不需采取涡流工具排液。

3） 气井井底含水情况对气井排液有重要影响。计算模拟发现日产气5 000 m3时，井底进液量高于3 m3／d将产生积液，此时使用涡流工具将起到显著的排液效果。

［1］ 户贵华，程戈奇，童广岩，等.气井抽汲排液采气工艺的研究与应用［J］.石油矿场机械，2006，35（6）：102-103.

［2］ 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（1）：78-81.

［3］ 乐宏，唐建荣，葛有琰，等.排水采气工艺技术［M］.北京：石油工业出版社，2011.

［4］ 赵立虎，宋道杰，何广智，等.螺杆泵排水采气杆柱强度设计方法研究［J］.石油矿场机械，2009，38（8）：88-91.

［5］ 杨从新，梁杰，常素玲.部分流泵的三维流场数值模拟及叶片研究［J］.石油矿场机械，2009，38（5）：22-26.

Flow Field Analysis about Application of Vortex Tools in Process of Gas Well Drainage

The technique of vortex drainage has good prospects because the construction work is simple and the technique is environmental and efficient.In order to further understand the downhole flow field and analyze the effect of production parameters of gas wells on draining，based on computational fluid dynamics and multiphase model through Fluent，the numerical simulation has been done.By observing the state of the gas-liquid flow and monitoring the radial distribution of the gas content at the wellhead，the study analyzed the influence on gas well flow field by vortex tool.Study analyzed the influence of the vortex tools on flow field of gas well and guided how to select the preferred process conditions and provide the basis for optimizing the structure.

gas well；drainage gas recovery；vortex tools；fluent

TE935

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.003

1001-3482（2014）10-0013-04

2014-04-29

国家自然科学基金项目资助（21076043）

杨树人（1963-），男，黑龙江明水人，教授，博士，主要从事非牛顿流体力学、计算流体力学和多相流体力学等方面研究。