井下涡流排水采气工具参数正交实验设计

任 垒，张艳淑，朱珊珊，张 静，陈元强，赵生嵘



井下涡流排水采气工具参数正交实验设计

任 垒1，张艳淑1，朱珊珊2，张 静1，陈元强1，赵生嵘3

（1. 中国石化中原油田分公司天然气产销厂，河南 濮阳 457001； 2.中海石油(中国)有限公司湛江分公司研究院，广东 湛江 524000； 3.中国石化东北油气分公司松原采气厂，辽宁 松原 138000）

涡流工具的携液举升能力与其工具参数密切相关。以户部寨气田X积液井为例，在确定工具性能关键影响因素的基础上，利用L9（34）正交表设计了涡流工具参数优选方案，通过对实验结果进行极差分析后得到最佳工具参数组合为：螺旋角50°、1倍导程、10 mm螺旋翼高。该研究成果可为下步X井开展涡流排水采气先导试验提供必要的数据参考。

涡流工具；两相流；正交实验；极差分析

伴随两相流旋流场研究的逐步深入，涡流排水采气技术近年来得到了快速发展。国内部分气田自2011年起相继开展了涡流排水采气技术先导试验并在一些气井上取得了良好的试验效果[1-3]。试验结果表明，涡流工具参数直接影响其实际工作性能，因此如何确定涡流工具参数的最佳组合是决定该项技术成功与否的关键。针对这一问题，本文以某气田X积液井为例，结合该井井况条件运用正交实验法设计了涡流工具参数优选方案，通过对实验结果进行极差分析判定各因素及其水平对工具效果的影响程度，最终确定最佳工具参数组合，为气田开发后期的积液气井维护提供一定的技术借鉴。

1 正交实验方案设计

井下涡流排液技术主要通过流体旋流所产生的离心力场实现气液分离的目的，因此诱发两相旋流的螺旋叶片是涡流工具的核心部件。通过对螺旋空腔内流体流量计算公式积分后得到[4]：

式中：— 出口处流体线速度，dm/s；

— 流体流量，L/s；

— 螺旋叶片螺距，dm；

— 油管内径，dm；

— 为内柱直径，dm；

— 螺旋叶片宽度, dm。

从式（1）中可以看出，是关于、的函数，同时考虑到实际工作中螺旋导程对气液两相流加速分离所存在的重要影响，综合分析后筛选得到影响涡流工具工作性能的三个基本因素：螺旋角、导程及螺旋翼高，见图1。

图1 涡旋变速段结构示意图

参考目前国内现场所使用的工具参数范围[5-7]，得到各实验因素对应水平，见表1。

表1 实验因素及水平

为了缩小实验规模和节约试验时间，采用正交实验法，选用标准正交表L9(34)设计实验方案，见表2。通过分析代表性因素及其水平差异对实验指标的影响，确定涡流工具各参数的最佳组合。

表2 正交试验方案

2 实验结果及分析

涡流工具的作用是将气液两相紊流转换为分层旋流，通过改变流体流态提升气体携液举升能力。压降变化和持液率变化是衡量气液旋流分离效果优劣的主要依据，故将其选作本次正交实验的评价指标。受室内气液两相管流实验装置的限制，本次研究借助ANSYS Fluent软件对上述9组实验进行仿真模拟。湍流模型的选取借鉴了相关学者开展的螺旋纽带实验研究成果[8,9]，采用了与实际涡流发展规律更加吻合的RSM模型，具体实验结果见表3。

表3 正交试验结果

续表

实验编号影响因素评价指标 螺旋角A导程B螺旋翼高C压降损失/Pa持液率差值,% 83213 405.80.24 93322 654.10.27 压降损失K11 752.01 714.22318.5Kij等于第j列上i水平的各实验结果之和除以水平个数。Rj=max{Kij}-min{Kij} K21 635.02 157.91678.9 K32 631.32 146.32020.9 R996.3443.7639.6 持液率差值K10.160.170.19 K20.180.180.18 K30.240.220.20 R0.080.050.02

通过极差分析后可以看出：涡流工具螺旋角对压降损失的影响程度最大，螺旋翼高、导程次之，即主次顺序为>>。对于持液率差值而言，螺旋角影响程度最大，其次是导程，螺旋翼高影响最小，主次顺序为>>。

由于本次选定的两个正交实验评价指标数值越小表明携液越果越好，因此对于压降损失评价指标而言，最佳的工具参数组合为212，持液率差值指标对应的最佳参数组合为112（图2）。考虑到涡流工具所诱发的螺旋分层流动可以降低压降损失，因此可以认为其具有降低气体临界携液流量的作用，而压力是影响携液流量大小的关键因素，为进一步确定因素水平，采用多指标综合评分法，分别对压降和持液率两项指标赋予权重值0.6、0.4。通过对比212和112两种方案的评分值最终确定涡流工具最优参数组合为：螺旋角50°、1倍导程、10 mm螺旋翼高。

图2 因素水平与压降、持液率差值变化趋势

3 结 论

（1）利用仿真模拟手段进行涡流工具参数优选可以克服实验条件的限制，为该技术下步上井试验提供必要的数据支持。

（2）极差分析结果表明螺旋角是影响涡流工具工作性能的主要因素，确定了适合X气井井况的最佳涡流工具参数组合：螺旋角50°、1倍导程、10 mm螺旋翼高。

（3）上述研究结论的可靠性还需通过设计加工涡流工具实物结合现场实际应用效果进行验证。

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参考文献：

［1］ 杨涛，余淑明，杨桦，等.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.

［2］ 任垒，贾然，曹正安，等. 井下涡流工具排液效果影响因素研究进展[J]. 机械研究与应用，2015，28(3)：49-51.

［3］ 张春，金大权，王晋，等. 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.

［4］ 王云. 涡流助排机理及井下工具研发[D]. 北京：中国地质大学（北京）博士学位论文，2015.

［5］ 朱庆，张俊杰，谢飞，等. 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.

［6］ 边松伟，陈金科，刘镇领，等. 全自动排水采气装置的研究与应用[J]. 油气井测试，2015，24(5)：66-69.

［7］ 杨旭东，卫亚明，肖述琴，等. 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.

［8］ 李隽，李楠，李佳宜，等. 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.

［9］ 陈德春，姚亚，韩昊，等. 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.

Orthogonal Experiment Design for Downhole Vortex Tool Parameters During Gas Production

1，1，2，1，1，3

（1. Natural Gas Production and Marketing Factory of Zhongyuan Oil Field Co., Sinopec, Henan Puyang 457001，China；2.Research Institute of Zhanjiang Branch, CNOOC China Limited, Guangdong Zhanjiang 524000，China；3. Songyuan Gas Production Factory of Northeast Oil and Gas Board Co., Sinopec, LiaoningSongyuan 138000，China）

The liquid carrying capacity of vortex tool is closely related to its parameters. Taking X watered well in Hubuzhai gasfield as an example, key influence factors of working performance of vortex tool were determined, L9（34）orthogonal table was used to design the optimum selection scheme of tool parameters, the best parameter combination was obtained by range analysis：helix angle 50°, one time helix pitch, helix height 10 mm. This research findings can provide necessary reference data for following pilot test of X well based on vortex technology.

vortex tool; two-phase flow; orthogonal experiment; range analysis

TE 357

A

1671-0460（2016）09-2180-03

中国石化中原油田分公司“十二五”科技攻关专项“户部寨裂缝性气藏提高采收率技术”，项目号：2013YWQS03-04。

2016-03-24

任垒（1987-），男，江苏徐州人，助理工程师，硕士，2014 年毕业于中国地质大学（武汉）地质工程专业，研究方向为天然气勘探与开发，目前从事采气工艺技术工作。E-mail：lren@cug.edu.cn。