天然气井涡流工具排水采气数值模拟

王春生，田明磊，徐玉建，董国庆，仪记敏，孟 珊

（东北石油大学 石油工程学院，大庆 黑龙江 163318）

天然气井涡流工具排水采气数值模拟

王春生，田明磊，徐玉建，董国庆，仪记敏，孟 珊

（东北石油大学 石油工程学院，大庆 黑龙江 163318）

天然气井累积液量过多是天然气开采所面对的一个重大问题。涡流排水工艺结构简单、施工方便、环保高效，对解决气井积液有很好的应用前景。目前，针对天然气井中涡流排水采气机理及其内部流体流动规律仍缺少理论方面的研究。因此，为了更深入的了解井下天然气流场的一般规律、验证排液采气机理，在此基础上建立了涡流工具的三维立体模型，并使用流体动力学常用计算方法，通过使用 Fluent多相流 mixture模型对井内流体流动进行数值模拟计算。通过观测井端出口处液体含量以及径态分布规律，观察气液两相流状态及流动轨迹，并分析了涡流工具对天然气井流场的影响规律。揭示涡流工具工作机理，推动认识涡流排水采气工艺的本质，为工艺工况优选提供依据和方向，为涡流排水技术的应用及动力学模拟奠定理论基础。

气井积液；涡流排水；多相流；数值模拟

作为清洁能源，天然气消费量逐年激增，天然气工业迎来迅速发展的新契机[1]。然而，深度开采天然气所面临的最重要问题就是气井累积液量过多，井底累积液量过多造成天然气井产液量的降低甚至停产，严重影响着气田产量的高效开采，降低了天然气井开采时间和气藏的最终采收率[2]。针对气井累积液量过多问题通常运用泡排、气举、电潜泵、射流泵等排水采气工艺[3]。由美国能源部开发研制的新型工艺—“涡流排水采气工艺”在 2005年实验测试取得良好效果后，这种节能环保的高效排液技术进入人们的视野[4]。到目前为止，针对涡流工具排水采气机理，仍一直缺少理论方面的研究和证明。因此，为进一步了解涡流工具井下流场情况，验证其排水采气效果，分析并预测采用涡流排水采气工艺的合理工况和最佳生产参数，本文基于计算流体动力学（CFD）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数值模拟计算。

1 气井携液理论液滴模型

图1为建立的小液滴模型，我们假设井内气流向上运动时所携带的小液滴为球形，并对小球做受力分析，从而推导出井中气流向上运动时能携带小液滴运动的最小流速公式。

图1 球形液滴Fig.1 Spherical droplets

分析球形液滴的受力（如图1），球形液滴在井内受到自身重力、气相浮力和运动气流向上的推力的共同作用。

气流中液滴自身重力与浮力的矢量和G为：

运动气流对液滴向上的拽力F为：

式中：R—液滴半径，m；

ρL—液相密度，kg/m3；

ρG—气相密度,，kg/m3；

g—重力加速度，9.8 m/s2；

VC—气体临界携液速度，m/s；

CD—流体阻力系数。

当 F=G时，气井气流中的液滴铅直方向受力平衡，气流速度为临界携液速度VC。

当气流速度VG大于等于临界携液速度VC时，气井内的气流能够将半径为R的液滴携带到地面。

2 天然气井涡流排水采气工艺机理研究

此次研究是应用SolidWord三维画图软件对涡流工具进行建模。以涡流工具及其以上20 m井筒为计算区域，按流域几何形态差异进行分割，采用分段式网格划分原则，井筒部分采用cooper网格划分方法，涡流环形空间部分及导流孔道部分使用非结构化网格划分（图 2）。在保证网格质量的前提下尽量减少网格数量以节省计算资源及时间。

通过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高速上行的井下气液两相混合流体受力旋转。流体在螺旋环形空间得到加速，其运动轨迹及流动状态发生显著变化，流体运动状态转变为沿井筒壁螺旋上行。

图2 涡流工具三维模型及部分网格Fig.2 Three-dimensional model and grid of vortex tools

模拟天然气井计算条件为：气中压力10 MPa，气中温度85 ℃，油压5 MPa，固定日产气104 m³/d，井底进液按2 m³/d计算。应用Fluent软件中多相流模型进行计算，边界条件设为质量流速进口和压力出口，用壁面函数来处理壁面边界层流场，得到如下计算结果（图3）。

图3 使用涡流工具气井流场迹线图Fig.3 The gas well flow filed chart of using vortex tools

通过气井井筒截面液相体积分数plot图可以更加直观的看出：经涡流工具作用，气液两相均匀混合的流体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壁，井筒中心含量很少，而气体则在井筒中心汇集向上输运，这有效改善了流体的密度梯度分布。井中流体转变为明显的气、液两相分层旋流（图4）。

图4 井口截面径向液相体积分数分布图Fig.4 The liquid phase volume fraction distribution of wellhead place

3 天然气井涡流排水工况的优选

找到适合应用涡流排水采气工艺的井况条件对于此工艺的现场应用、实验、测试、推广起着重要作用。天然气井日产气能力、井底进液量、进液液滴直径都对涡流排水采气工艺提高携液效果有着重要的影响。

3.1 日产气量对排液效果的影响

天然气井的日产气量直接影响其携液能力。固定井底进液量2 m³/d，分别计算日产气2 500、5 000、1 0000、1 5000、20 000 m³/d情况下使用涡流工具井与未使用涡流工具的普通气井井口出液量情况。

绘制涡流排水气井出口增液率与日产气量关系曲线如图 5。通过计算可以得出结论：涡流工具的确具备提高井中气体携带液珠的能力，日产气量对于其提高携带液体的能力有至关重要的影响。涡流工具对于提高排水效果有一个最佳的产气量，此模拟条件下气井日产气104 m3/d时涡流排水工艺对于提高携液效果最佳。当日产气量超过一定值时，不依靠涡流工具气井自身气流速度就已具备足够的携液能力完成排液，此时下入涡流工具反而会损耗气井压能而不利于生产。

图5 出口增液率与日产气量关系曲线Fig.5 The diagram of the increase of liquid velocity and the gas production rate every day

3.2 井底进液量对排液效果的影响

天然气井底进液量对气井携液同样有着重要影响。固定日产气5 000 m³/d，分别计算井底进液量1、2、3、4、5 m³/d情况下使用涡流工具井与未使用涡流工具的普通气井井口出液情况（图6）。

图6 出口增液率与井底进液量关系曲线Fig.6 The diagram of the increase of liquid velocity and the fluid volume of into bottom hole

通过计算结果可以得出的结论是：天然气井井底进液量对气体携液效果有着重要影响。当井底进液量高于3 m³/d 时，气井中的水就已经不能完全从井口排出，气井积液，井口出液骤减。此时使用涡流工具可以明显起到提高携液的效果，且进液量越大，出口增液率越高。井底进液量5 m³/d时，出口增液率高达42.5%。井底进液量低于3 m³/d时可不采用涡流排水工艺便可正常生产。

3.3 气中含水液滴直径对排液效果的影响

含水天然气中的水主要以小液滴的形式存在，液滴粒径的大小直接影响着小液滴聚并回落井底的几率和气流临界携液流速的大小。固定日产气5 000 m³/d，井底进液2 m³/d，分别计算进液液滴直径0.01，0.03mm，0.05，0.07，0.09 mm情况下涡流排水井与同条件下一般气井井口出液量，计算不同进液液滴直径涡流排水工艺提高携液的情况（图7）。

图7 液滴直径与出口增液率关系曲线Fig.7 The diagram of droplet diameter and the increase of liquid velocity in the exit

通过对气井中流体不同液滴直径工况下使用涡流工艺排水的计算结果可得出结论：含水气井流体中液滴直径小于0.03 mm时，涡流工具排液效果并不显著，甚至不如同条件未下入涡流工具的普通气井；液滴直径大于0.05 mm时，下入涡流工具的天然气井比同条件普通气井携带出更多液体；液滴直径越大，即井中气体湿度大，含水多，此时涡流排水采气对于提高携液效果越显著。

4 结论及建议

本文主要运用涡流工具对气井进行排水采气并运用流体动力学计算方法针对气井中流体的运动规律进行模拟计算，研究分析了其内部流场的一般规律，验证了涡流排水采气的机理，并模拟计算各工况条件下涡流工具排液效果，得出以下结论和建议：

（1）气井中的含水天然气经涡流工具作用，以气液两相分层流动的形态螺旋上行，液相集中在井筒外围，气体则在井筒中心流动，流体湍流强度减弱。

（2）应用涡流工具的气井与其他气井相比气流能携带出更多的液体。效果好的气井增加排液量达10%以上。

（3）涡流排水采气工艺可应用于由于井筒或井底累积液量过多导致产量下降的气井，液相粒径大于0.05 mm时，涡流工具排水采气效果明显，液滴的直径越大，提高携液效果越好。

（4）应用涡流排水采气工艺要求气井具有一定的自喷能力，即流体应有一定的流速来保证携液能力的提升，日产气能力应高于2 500 m³/d，日产气104m³/d时，应用此工艺排液效果最佳。

［1］金忠臣，杨川东，张守良，等. 采气工程［M］. 北京：石油工业出版社，2004.

［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］ 春 兰，魏文兴 . 国内外排水采气工艺现状［J］ .吐哈油气，2004，9 ( 3) : 255－261.

［5］Dougherty Sr G A，Fehn B J，Smith T B. Apparatus and method for creating a vortex flow: US Patent 4，7，160，02［P］.2007-01-09.

Numerical Simulation of Vortex Tools Drainage Gas Recovery of Gas Wells

WANG Chun-sheng，TIAN Ming-lei，XV Yu-jian，DONG Gou-qing，YI Ji-min，MENG Shan
(Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China)

The liquid loading of gas well is an important issue in exploitation of natural gas. The technic of vortex drainage has good application prospect to solve the gas effusion because the tool is convenient to construct and it plays an important role in the protection of environment, the technic is environmental and efficient. Currently, the mechanism of the vortex drainage and the theory of fluid motion are still missing. Therefore, in order to get better understanding of the general rule of the downhole natural airflow field and verify the drainage mechanism, a three-dimensional structural model of vortex tools was established, the fluid flow was calculated by Fluent based on fluid dynamics and mixture model of multiphase. By monitoring the wellhead liquid content and radial distribution,and observing the state of the gas-liquid flow and the path line, the effect of vortex tool on gas well flow field was analyzed. The study reveals the working mechanism of vortex tools and facilitates understanding of the nature of the vortex drainage process. The paper can provide theoretical basis for application and dynamics simulation of vortex drainage technology.

Gas well liquid loading ; Vortex drainage; Multiphase flow; Numerical simulation

TE 357

A

1671-0460（2015）08-1969-03

2015-01-30

王春生（1977-），男，副教授，博士，在站博士后，现从事于热流固耦合数值计算及稠油油藏开发方面的研究。电话：（0459）6503703。E-mail：wcsfcj@163.com。

田明磊，男，在读硕士，现从事复杂流体计算。E-mail：454774770@qq.com。