气井携液用涡流工具结构参数优化

陈德春付刚韩昊姚亚宋天骄谢双喜

1.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

气井携液用涡流工具结构参数优化

陈德春1付刚1韩昊1姚亚1宋天骄1谢双喜2

1.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

为了提高气井涡流排液采气工具的工作效率，进行了涡流工具结构优化研究。运用AutoCAD和Fluent流体模拟软件，建立了涡流工具气液两相流场模型，运用正交试验确定了模拟计算方案，通过方差和极差分析得到了不同气液条件下导程、导程数、槽深和槽宽等4个结构参数对工具出口峰值速度的影响程度并确定了工具最优结构参数。结果表明，较小的槽深和槽宽、较大的导程和导程数可以起到很好的增速效果。槽深取5 mm，槽宽取40～45 mm，导程数取3倍，导程取172～219 mm时，气液混合物经过涡流工具后气相峰值速度最大，携液效果最好。工具结构参数对工具出口峰值速度的影响程度随气液条件而变化，液气比较大时，选择较大的导程数具有更明显的增速效果；入口速度较大时，较小的槽宽具有更明显的增速效果，而较大的导程增速效果并不明显；较小的槽深始终具有明显的增速效果。研究结果可以为现场涡流工具的优选和使用效果的提高提供依据。

气井；排采技术；涡流工具；结构参数优化；液气比；数值模拟；正交试验；敏感性分析

井下涡流工具是一种新型的井下气液分离装置，不需要外界提供能量，无需增加管理人力。现场试验证明［1-4］：使用涡流工具后气井携液量增大，井筒压力损失降低，可为海上油气田提供一种经济合理解决井底积液问题的方案［5］。张翠婷［6］（2012）对涡流工具的分气效果进行数值模拟，并对其结构尺寸进行优化；冯翠菊［7］等（2013）对影响涡流工具携液效果的主要因素进行了研究；吴丹［8］等（2014）研究了工具不同的结构参数对气井携液效果的影响，并给出了工具参数的优化结果。研究结果表明，影响涡流工具排水采气效果的因素主要有2方面，一是涡流工具结构参数，包括导程、导程数（导程不变的情况下螺旋叶片的长度）、槽深和槽宽；二是井筒气液条件，包括液气比和气液混合物速度。之前研究中使用单因素分析方法研究工具各结构参数对携液效果的影响，进而确定各结构参数的优化结果。但由于工具各结构参数之间存在相互影响，单因素分析中最优的结构参数的直接组合并不一定具有最好的携液效果。此外，这些研究中的结构参数优化结果是在某一特定的气液条件下得到的，具有局限性，在实际生产过程中，井的气液条件不同，得到的最优结构参数也不相同。笔者通过建立涡流气液两相流场模型，采用数值模拟方法和正交试验方案，研究了不同气液条件下涡流工具最优结构参数组合，分析涡流工具结构参数对携液效果影响的程度，为现场涡流工具结构参数优化提供依据。

1　涡流气液两相流场模型

Flow field model for swirl gas/liquid

井下涡流工具主要由打捞头、绕流器、导流筒、坐封器和接箍挡环组成，其中打捞头用于配合打捞工具，绕流器用于改变流体的流态，导流筒用于流体流通，坐封器和接箍挡环用于工具的固定［9］。利用AutoCAD建立绕流器和打捞头结构的几何模型，如图1所示。

将建立的工具模型进行网格划分（图2），并导入Fluent软件中，设置模拟参数进行计算。其中多相流模型选用欧拉模型，湍流模型选择雷诺应力模型［10］。

图1　螺旋变速体的几何模型Fig. 1 Geometric model of helical gear

图2　网格模型图Fig. 2 Network grid

2　模拟计算方案

Program for simulation and calculation

使用涡流工具后，中心气流阻力减小，气体速度增大［11］，临界流速一定的情况下，气相速度越大，携液能力越强，因此用出口气相峰值速度作为工具携液效果评判的指标。

将导程、导程数、槽深、槽宽4个参数作为研究因素。考虑到数值模拟的计算量较大，根据实际需要，每种因素取4 个水平，各因素各水平的取值见表1。由于工具结构参数之间存在相互影响，理论上需要列举所有的参数组合，得到256（44）种方案，进行256次计算；为了减少工作量，根据正交表的设计方法，选择L16（45）的正交表，只需计算16种方案即可得到精确的结果。

表1　涡流工具结构参数的因素水平表Table 1 Factor levels of structural parameters of swirl tools

由于工具结构参数的优化是基于特定的井筒气液条件，如果有多口井需要进行工具结构参数设计，则每口井都需要做16组数值模拟计算，计算量很大。因此研究不同气液条件下涡流工具的最优结构参数组合，应用时只需根据井的实际气液条件选择对应的优化结果，方便快捷。

3　结果分析

Results

3.1气液条件一定时工具结构参数优化

Optimization of structural parameters under designated gas/liquid conditions

3.1.1极差分析 气液条件取值：气液混合物速度4 m/s，液气比1∶50。A～D为涡流工具结构参数的因素，由于在试验中留有空列可作为衡量试验因素和系统的误差，并可以做方差分析，因此将E做为空列。将得到的16组出口气相峰值速度进行计算分析（见表2）。

表2　极差分析数据（入口速度4 m/s，液气比1∶50）Table 2 Data for range analysis （with inlet velocity of 4 m/s and liquid/gas ratio of 1∶50）

通过表2可以看出影响出口气相峰值速度的因素重要程度由大到小为：槽深＞导程＞导程数＞槽宽。最优的结构参数组合为：导程218 mm，导程数3倍，槽深5 mm和槽宽40 mm。

3.1.2方差分析 表3为方差分析结果，F值可以反映各因素水平改变时引起的差异显著程度，越大说明因素对结果的影响越显著。对于给定水平α=0.10，由P｛F＞λ｝=0.10查F（3，12）分布表，得到λ=2.61。可以看出导程、导程数、槽深、槽宽的F＞λ，即各工具结构参数对出口速度峰值都有显著影响。

表3　方差分析数据（入口速度4 m/s，液气比1∶50）Table 3 Data for variance analysis （with inlet velocity of 4 m/s and liquid/gas ratio of 1∶50）

3.1.3最优结构参数下结果分析 建立最优结构参数下的工具模型，经过Fluent模拟计算，出口峰值速度为4.421 m/s，比表2中所有方案的计算结果都要高，说明采用正交数值试验进行工具参数优化设计得到的结果是可靠的。得到的轴向方向水体分布见图3。图中中心红色区域代表气柱，边缘绿色或者蓝色区域代表液膜。可以看出加入涡流工具之后，水的体积含量分布发生变化：管壁处的水的体积分数增大，形成液膜；管道中心处的水的体积分数减小，形成气芯。

图3　轴向方向水体积分数分布图Fig. 3 Distribution of volume fractions of water along the axis

图4为气液混合物经过涡流工具后流动轨迹曲线，可以看出：流经涡流工具之后，井壁与螺旋叶片形成封闭空间，将流体转变为沿螺旋线运动，管中心附近会形成一个高速气核区，轴向速度增大。这是由于： （1）涡流工具减小流体的过流截面，气体流量一定时，横截面积的减小必然造成流速的增大；在极高的速度下，液体获得离心加速度被甩至管壁，气体得以占据中心流道，形成气核；（2）由于气体具有较强的压缩性，液体被甩至管壁造成中心区压力降低，气体膨胀，井筒过流截面不变，气体流速增大。

图4　流体流动轨迹示意图Fig. 4 Flow trajectories of fluids

3.2气液条件变化时工具结构参数优化

Optimization of structural parameters under changing gas/liquid conditions

气液条件取值：速度取2 m/s、4 m/s和6 m/s；液气比取1∶50、1∶100、1∶200、1∶1 000和1∶2 000。进行15组正交试验，每组选择L16（45）的正交表进行16次模拟计算，并进行极差分析和方差分析。通过极差分析可以得到设定气液条件下工具的最优结构参数，15种气液条件下工具最优结构参数见表4。

通过表4可以看出：槽宽范围为40～80 mm，最优结构参数取40 mm和45 mm；槽深范围为5～15 mm，15组气液条件的最优结构参数均取5 mm；导程范围为125～218 mm，最优结构参数取179 mm和218 mm；导程数范围为1.5～3倍，15组气液状况的最优结构参数均取3倍。这说明较小的槽深和槽宽、较大的导程和导程数可以起到很好的增速效果。这是因为随着槽深和槽宽的减小，气液混合物流经截面积减小，速度增大；随着导程和导程数的增大，螺旋叶片长度增加，流体沿螺旋叶片的加速作用增强，流体速度增大，轴向分速度和径向分速度增大，流体所受的离心力增大，气液分离效果增强，减小了气液间的碰撞和摩擦，因此提高了中心气柱的速度。

通过方差分析判断一定气液条件下工具结构参数对结果影响的显著程度。对于给定水平α=0.10，由P｛F＞λ｝=0.10查F（3，12）分布表，得到λ=2.61。为了更清楚地表现出工具结构参数影响的显著程度，取λ的一半即以λ=1.31为界，在“影响显著”和“影响不显著”之间加入“影响较显著”。15种气液条件得到结果汇总见表5。

表5　不同气液条件下方差分析结果Table 5 Optimal structural parameters for tools under different gas/liquid conditions

通过表5可以看出：随着气液条件的改变，工具结构参数对携液效果影响的显著程度随之变化；液气比相同时，随着入口速度的增大，导程对气相出口峰值速度的影响逐渐不显著，槽宽对气相出口峰值速度的影响逐渐显著；速度相同时，随着液气比的增大，导程数对气相出口峰值速度的影响逐渐显著；槽深的变化对气相出口峰值速度有显著影响。

4　结论

Conclusions

（1）应用计算流体动力学软件Fluent和正交实验设计法，研究出一套采用正交数值试验对涡流工具结构参数进行优化设计的方法。算例结果表明该方法得到的参数组合能达到最好携液效果，结果合理可靠。

（2）利用Fluent软件模拟计算了15组气液情况，通过极差分析得到不同气液条件下工具最优结构参数组合，结果表明：槽深取5 mm，槽宽取40～45 mm，导程数取3倍，导程取172～219 mm时，气液混合物经过涡流工具后气相峰值速度最大，携液效果最好。

（3）通过方差分析研究了15组气液情况下工具结构参数对出口峰值速度影响显著程度，结果表明：液气比较大时，较大的导程数增速效果更明显；入口速度较大时，较小的槽宽增速效果更明显，而较大的导程增速效果并不明显；较小的槽深始终具有明显的增速效果。

References:

［1］ 杨旭东，卫亚明，肖述琴，于志刚，陈勇.井下涡流工具排水采气在苏里格气田探索研究［J］.钻采工艺，2013，36（6）：125-127. YANG Xudong， WEI Yaming， XIAO Shuqin， YU Zhigang， CHEN Yong. Downhole vortex tool drainage gas recovery research and exploration in Sulige gas field［J］. Drilling & Production Technology， 2013， 36（6）: 125-127.

［2］ 杨银山. 南八仙气田排水采气工艺先导性试验及效果研究［J］. 钻采工艺，2013，36（4）：44-47. YANY Yinshan. Draniage gas recovery technology test and effect analysis in Nanbaxian gas fieled［J］. Drilling & Production Technology， 2013， 36（4）: 44-47.

［3］ 杨涛，余淑明，杨桦，李隽，李楠，曹光强，王云.气井涡流排水采气新技术及其应用［J］.天然气工业，2012，32（8）：63-66. YANY Tao， YU Shuming， YANG Hua， LI Jun， LI Nan，CAO Guangqing， WANG Yun. A new technology of vortex dewatering gas recovery in gas wells and its application［J］， Natural Gas Industry， 2012， 32（8）: 63-66.

［4］ 朱庆，张俊杰，谢飞，曾诚. 涡流排水采气技术在四川气田的应用［J］. 天然气技术与经济，2013，7（1）：37-39. ZHU Qing， ZHANG Junjie， XIE Fei， ZENG Cheng. Application of eddy drainage gas recovery to gasfields in Sichuan gas field［J］. Natural Gas Technology and Economy， 2013，7（1）: 37-39.

［5］ 赵天沛.海上气田气井排液采气技术应用及发展浅谈［J］.海洋石油，2011，31（2）：75-78. ZHAO Tianpei. Practice and direction of gas recovery by unloading in offshore gas fields［J］. Offshore Oil， 2011，31（2）: 75-78.

［6］ 张翠婷.涡流工具在天然气井井底排液中的应用［D］.大庆：东北石油大学，2012. ZHANG Cuiting. The application of vortex tools in bottom’ s drainage of the natural gas wells［D］. Daqing: Northeast University of Petroleum， 2012.

［7］ 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. FENG Cuiju， WANG Chunsheng， ZHANG Hong. Influencing factor analysis of the liquid discharge effect of downhole vortex tool in natural gas wells［J］. China Petroleum Machinery， 2013， 41（1）: 78-81.

［8］ 吴丹，颜廷俊，谢双喜，姜丰华.气井涡流排液采气工具参数仿真及结构优化［J］.石油机械，2014，42（8）：111-115. WU Dan， YAN Tingjun， XIE Shuangxi， JIANG Fenghua. Numerical simulation and structural optimization of vortex tool for liquid discharge in gas wells［J］. China Petroleum Machinery， 2014， 42（8）: 111-115.

［9］ 张春，金大权，王晋，张金波.苏里格气田井下涡流排水采气工艺研究［J］.天然气技术与经济，2012，6（5）：45-48. ZHANG Chun， JING Daquan， WANG Jin， ZHANG Jinbo. Research of downhole eddy drainage gas recovery technology in Sulige gas field［J］. Natural Gas Technology and Economy， 2012， 6（5）: 45-48.

［10］ 李隽，李楠，李佳宜，王云，曹光强.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. LI Jun， LI Nan， LI Jiayi， WANG Yun， CAO Guangqiang. Numerical simulation research on eddy current drainage gas recovery technology［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2013， 35（6）: 65-68.

［11］ 陈德春，姚亚，韩昊，付刚，宋天骄，谢双喜.气井涡流携液机理和携液效率数值模拟研究［J］.石油机械，2015，43（9）：91-94. CHEN Dechun， YAO Ya， HAN Hao， FU Gang， SONG Tianjiao， XIE Shuangxi. Numerical simulation on fluidcarrying mechanism and efficiency of vortex flow in gas wells［J］. China Petroleum Machinery， 2015， 43（9）: 91-94.

（修改稿收到日期 2016-01-22）

〔编辑 朱 伟〕

Optimization of structural parameters for fluid-carrying swirl tool in gas wells

CHEN Dechun1， FU Gang1， HAN Hao1， YAO Ya1， SONG Tianjiao1， XIE Shuangxi2
1. College of Petroleum Engineering， China Uniνersity of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China；2. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co.， Tianjin， 300457， China

A study was made on structural optimization of swirl tool to enhance operation efficiency of the swirl fluid-discharging and gas-producing tool in gas wells. AutoCAD and Fluent fluid simulation software were used in the study to build a flow field model for gas/liquid in swirl tool. In addition， orthogonal test was performed to clarify the program for simulation and calculation. Through variance and range analysis， impacts of four structural parameters （i.e. lead， number of leads， trough depth and trough width） on peak velocity at outlet of the tool were determined together with optimal structural parameters for such tool. The results show that minor trough depth and width， together with large lead and number of leads can effectively enhance velocities. With trough depth of 5 mm， trough width of 40-45 mm， lead number of 3 and leads of 172-219 mm， the maximum velocity of gas from gas/liquid mixture through swirl tool with the most desirable fluid-carrying capacity can be obtained. Impacts of structural parameters of such tool on the maximum outlet velocity may vary with conditions of gas/liquid. With relatively high liquid/gas ratio， higher number of leads may effectively enhance the velocity. With relatively high velocity at inlet， smaller trough width may obviously increase the velocity. Besides， larger leads may have

gas well； discharging and production technique； swirl tool； optimization of structural parameter； liquid/gas ratio； numerical simulation； orthogonal test； sensitivity analysis

付刚（1992-），在读硕士研究生，研究方向：油气田开发工程。通讯地址：（266580）山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号中国石油大学（华东）工科楼B座439。E-mail：1184404933@qq.cominsignificant impacts on increase in velocity. Smaller trough depth may constantly display obvious impacts on enhancement of velocity. The study results may provide necessary references for selecting optimal swirl tools and promoting performances of such tools on site.

TE934

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0400- 05

10.13639/j.odpt.2016.03.024

CHEN Dechun， FU Gang， HAN Hao， YAO Ya ， SONG Tianjiao， XIE Shuangxi. Optimization of structural parameters for fluid-carrying swirl tool in gas wells［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（3）: 400-404.

中海油能源发展股份有限公司科研项目“涡流工具携液影响因素分析”（编号：GC2014ZC2916）。

陈德春（1969-），博士，教授，从事采油工程理论与技术的研究与教学。通讯地址：（266580）山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号中国石油大学（华东）工科楼B座412。E-mail：chendc@upc.edu.cn

引用格式：陈德春，付刚，韩昊，姚亚，宋天骄，谢双喜.气井携液用涡流工具结构参数优化［J］.石油钻采工艺，2016，38（3）：400-404.