井下涡流工具排液效果影响因素研究进展*

任 垒，贾 然，曹正安，王 娟，李阳阳

(1.中国石化中原油田分公司天然气产销厂，河南濮阳 457001;2.中国石化东北油气分公司四平采油厂，吉林四平 136000)

0 引言

气井积液是含水气藏开发过程中普遍面临的一个生产问题。为此，国内外相关学者深入分析研究了气井井筒气液两相流的运动特性，并在此基础上建立了一系列用于积液预测的临界携液流量计算模型，如Turner模型、李闽模型等［1］。经过近几十年的发展，关于井筒积液形成机理的理论研究已日趋完善，利用改进后的临界携液流量计算模型可以有效判定不同井况下的井筒积液情况［2］。与此同时，围绕气井积液问题所开展的排水采气工艺研究也取得了显著进步。特别是近年来，伴随智能气举、超声雾化、井下涡流等［3］新型排液工艺技术的相继提出和应用，气井积液问题得到了切实改善。其中，涡流工具凭借结构简单、易操作、低成本等诸多优势备受行业关注，该项技术自2011年由国外引进至今，已在我国苏里格、徐深等多个气田进行了大量的现场试验，排水采气效果明显，推广前景十分广阔。鉴于涡流排液采气工艺在气田稳产、提高采收率等方面所具有的重要意义，本文综述了该技术的研究现状，并对其后续发展方向进行了展望。

1 涡流工具工艺原理

利用离心力场对非均相物系进行分离是目前多领域广泛使用的一项分离技术，涡流排液工艺正是基于上述技术思路发展而来的。作为一类特殊的旋流分离装置，涡流排液工具主要依靠在其端部固定设置的螺旋导向叶片实现气液分离的功能。当气液两相流流经涡旋变速段时，流体的流动形态和运动方式因螺旋叶片的导向、加速作用会随之改变，具体表现为:密度较大的液态介质受惯性离心力作用被抛甩至管壁处并以液膜形式做螺旋上升运动;密度较小的气态介质经螺旋空腔流出后则以气柱形式沿油管中心线做轴向上升运动。此时，气液两相流即实现了由紊流至层流的流态转换。由于两相介质的流动通道变得相对独立，一方面有效减少了介质间的相互摩擦，另一方面避免了两相流中气体的滑脱现象，故油管的总压降损失有所下降［4－6］。此外，管壁上的毛细效应对于举升液体也具有一定辅助作用。结合经典流体力学理论和液滴模型分析可知，采用涡流排液工具后能够降低气体临界携液流量，提升气井携液能力。

2 井下涡流工具结构及分类

2.1 工具结构

针对油管的工况差异，井下涡流工具在结构设计上有别于地面涡流工具，主要由打捞体、涡旋变速体、导流体、座封器及卡具五个部分组成(图1)。

打捞体包含鱼头和鱼脖两部分，其作用是与投放/打捞工具串相连，依靠钢丝或测井电缆完成涡流工具的投捞作业。涡旋变速体是涡流工具的核心部件，由内实柱体和固定的外螺旋叶片组成，主要用于诱发两相介质的涡流流态。导流体是一个上、下两端均制有内螺纹的中空圆柱体，分别连接涡旋变速体下部和座封器上部，柱体表面均匀分布3～4个导流孔道，使无规则的两相介质紊流进入由涡旋变速体和油管内壁形成的螺旋空腔。座封器是一个中空柱体，由连接段和座封头组成，与卡具相结合共同完成涡流工具的井下定位，同时对上部结构起到支撑作用。卡具由接箍挡环、弹簧板、卡簧和卡簧轴销组成，接箍挡环为圆环结构与弹簧板垂直相连。涡流工具在投放至设计深度前，上提钢丝弹开卡簧，使其沿油管内壁自由下滑，达到油管接箍处时挡环可自动卡扣，此时涡流工具安装完毕。

图1 井下涡流工具结构图

2.2 主要工具类型

涡流排液工具的设置深度主要根据气井临界携液流量在井筒内的出现位置进行确定。研究结果表明［7］:对于产液量较大的气井，临界携液流量通常出现在油管鞋处。而当产液量较小时，温度和压力对携液流量的影响程度会存在一个过渡，最终导致临界携液流量最大值并不一定出现井底附近。为了满足上述两种情况下的应用需要，涡流排液工具在与油管的连接方式上进行了针对性地调整，分别设计了安装于油管接箍处的投捞式涡流工具(DXR型)及油管柱底部的固定式涡流工具(DX/DXI型)。投捞式涡流工具的实体结构在上文中已有叙述，固定式涡流工具通过螺纹与油管柱底部相连。因此，现场应用时应结合井况条件合理选择相应类型的涡流排液工具。

3 影响涡流工具排液效果的主要因素

涡流工具的现场试验结果表明其排液效果受工具自身结构参数及井况条件的共同影响。考虑到该项技术引入的时间较短，可供借鉴的研究成果还十分有限，国内一些学者针对这一问题开展了更为深入的专项研究。目前，CFD仿真模拟是进行涡流工具排液效果分析和结构优化的主要途径，具体流程如图2所示。其中，实体建模的方法较为多样，借助常用的 CAD软件如 AutoCAD、Solid-Works等即可满足设计需求，CFD分析普遍以ANSYS Fluent软件为主。依据图2方法，分别从工具参数及气井工况两个方面对影响涡流工具排液效果的潜在因素进行模拟分析。

图2 涡流工具流场仿真模拟流程

3.1 工具结构参数的影响

参照图1所示的涡流工具实体结构示意图初步筛选出了工具各部件的潜在影响因素(见图3)，并对其逐一分析。

图3 涡流工具结构影响因素

(1)打捞头参数对排液效果的影响 直观认为打捞头对两相流流动的潜在影响主要集中在鱼头的顶角结构，为了客观分析顶角对排液效果的影响程度，吴丹等［8］分别模拟了工具顶角为 70°、90°、180°时的气液两相流动，通过对比速度曲线后发现不同顶角条件下同一位置处的速度变化十分微弱，故鱼头顶角对工具的排液效果影响可以忽略。因此，宜采用无顶角的结构设计以简化加工工序同时方便工具投放。

(2)涡旋变速体参数对排液效果的影响 作为涡旋变速体的核心组成部分，螺旋导向叶片的参数优选一直是国内学者的重点研究课题。冯翠菊等［9］、杨树人等［10］、李隽等［11］分别研究了不同螺旋叶片尺寸下的工具排液效果，结果表明:

①螺旋角的大小对两相介质的分离效果影响较小，但考虑到流体流动阻力随螺旋角减小而增大的变化规律，减小螺旋角会加剧压降损失进而影响持液。此外，参考国外现场应用的涡流工具实际尺寸，分析认为选用螺旋角较大的涡流工具更有利于排液。

②螺旋翼高对进出口持液率差值的影响呈波动变化特征，徐建宁等［12］分析了翼高范围介于1～3 mm时的进出口持液率差值情况，在此基础上优选出了1.5 mm作为最佳螺旋翼高。

③螺旋截面形状对涡流工具的排液效果影响微弱。需要指出的是，当工具入口流速大于0.1 m/s时，采用矩形截面的螺旋叶片更有助于排液。

④螺旋空腔内的介质流动空间随涡旋变速体内柱直径增加而减小，由于流道变窄，介质流速提高，更利于气液分离，诱发的涡流流态也更加稳定，故适当增加内柱直径可以提高气体携液能力。

(3)座封器参数对排液效果的影响 座封头底部入口是两相紊流进入涡流工具的起始界面，入口截面大小视外部油管尺寸而定。张翠婷等［13］通过对比两种不同入口截面直径的涡流工具发现单纯改变入口直径对排液效果的影响并不明显。

3.2 井况条件的影响

通过统计加装涡流排液工具后的气井生产数据后发现，两相介质的流速及含水体积分数是影响工具排液效果最为显著的两个工况因素。流场模拟分析结果显示:介质流速对排液效果的影响过程存在一个拐点，当流速升至临界值前时，排液效果逐渐变好，而后流速的变化对排液效果的影响趋于稳定。其次，对于不同的气井该临界值并不恒定，需结合其他气井参数综合确定;对于含水体积分数高于10%的气井来说，含水体积分数越高越有利于气井排液，当含水体积分数低于10%时，含水体积分数的影响十分微弱。

4 结论及展望

与传统排水采气工艺原理不同，井下涡流排液技术仅依靠气井自身能力即可完成携液，从而在很大程度上降低了外界干预所带来物质和能量损耗，同时避免了对环境的潜在污染。另外涡流工具现场试验的良好效果也进一步印证了该技术推广应用的可行性。作为一项颇具潜力的新兴工艺，涡流排液采气技术的相关研究尚处于初级阶段，还有许多技术难题需要攻克，分析后认为其未来的发展方向主要集中在以下几个方面:

(1)涡流工具的适用性研究将作为一个重要的研究分支。今后应从我国含水气田的开发实际出发，充分考虑地层参数、井身结构等因素的影响，力争建立起一套完善可行的涡流工具选井原则。

(2)基于涡流工具的复合排水采气技术研究。值得说明的是涡流排液技术仍就存在一定的局限性，特别是对于自喷能力有限的低产气井而言，单纯依靠涡流工具的辅助作用可能难以实现理想携液，因此加强该技术与诸如泡排、气举等传统工艺相结合的复合排水采气研究尤为必要。

(3)工具结构及实施方案的优化改进，譬如工具座放方式、安装级数等都有待进一步深化研究。

［1］ 熊 健，李凌峰，张 涛.气井临界携液流量的计算方法［J］.天然气与石油，2011，29(4):54 －56.

［2］ 李 波，王军磊，宁 波，等.气井井筒温度、压力与积液综合预测模型［J］.石油钻采工艺，2014，36(4):64 －70.

［3］ 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(S1):44 －45.

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