气井出砂对涡流工具携液能力的影响

刘承婷 闫作秀 刘钢 张维薇

摘要：为分析气井出砂对涡流工具携液能力的影响情况，针对气井井底积液以及井筒中存在固体杂质的问题，提出了一种气井中涡流工具携液携砂的三相流模型。通过对气井含砂与不含砂的情况进行模拟，分析了不同条件下涡流工具的携液作用，得到了气井出砂对液相流动规律、体积分数、速度分布的影响情况。结果表明：出砂量为10%的情况下，气井含砂有利于气井携液。气井含砂使运动阻力增加，液相的运动速度减小，轴向速度分布不规律，紊流程度增强，从而使运动更加复杂，气井对液体的携带作用增强;气井含砂使液相的运动速度减小且分布不规律。研究结果对进一步完善涡流工具的排水采气机理、提升气井的携液携砂效果具有参考价值。

关键词：多相流体力学;气井出砂;涡流工具;携液;速度分布

中图分类号：TE934 文献标志码：A doi： 10.7535/hbgykj.2019yx01003

LIU Chengting，YAN Zuoxiu，LIU Gang，et al.Influence of gas-well sand production on liquid carrying capacity of swirling tools[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2019，36（1）：13-18.Influence of gas-well sand production on liquid carrying

capacity of swirling tools

LIU Chengting，YAN Zuoxiu，LIU Gang，ZHANG Weiwei

（Petroleum Engineering Institute， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318， China）

Abstract： In order to analyze the effect of gas-well sand production on the liquid carrying capacity of the vortex tool， aiming at the problem of simultaneous sand production and water discharge in gas wells， a three-phase flow model of eddy current tool carrying liquid and sand is proposed. By simulating the sand and sand-free conditions of gas wells， and by analyzing the liquid-carrying of swirl tool under different conditions， the influence of gas-well sand production on liquid phase flow pattern， volume fraction and velocity distribution is obtained. It is concluded that the sand content of the gas well is beneficial to the liquid well carrying liquid in the case of 10% sand production， gas-well sand causes motion resistance increasing， movement speed decreasing of the liquid phase， causing irregular axial velocity distribution， and increased turbulence， thereby making the movement more complicated， and enhancing the carrying effect of the gas-well on the liquid. The sand content of the gas-well reduces the movement speed of the liquid phase and the distribution is irregular. The research result provides reference for further development of the theory of swirl tool drainage gas recovery and the carrying effect of gas-well on liquid and sand.

Keywords：fluid dunamics of multiphase  systems; gas-well sand production; swirl tool; liquid-carrying; velocity distribution

氣藏开采中后期由于地层压力及产气量的降低，气井携液能力减弱，导致气井自喷能力减弱，甚至造成水淹气井停产[1-2]。涡流工具可以将多相雾状流转换为螺旋环状流，降低流动压力损失，提高气体携液效率[3-4]。然而，世界上近70%的油气储藏于弱胶结岩层当中，弱胶结岩层的出砂问题极大地危害着石油、天然气的安全生产[5]。气井出砂严重影响涡流工具的携液作用，目前关于砂岩气藏涡流工具携液影响的研究比较缺乏，导致涡流工具作用下气井出砂对气井携液能力影响的研究没有理论支撑。

杨旭东等[6]借助CFD软件对涡流工具排水采气流动过程进行仿真，通过流动规律的预测及分析，确定了井下涡流工具排水采气机理。徐建宁等[7]运用正交试验方法研究了气流速度、含水率、螺旋角、翼高、直径5个因素对涡流工具排液效果的影响。高晖[8]应用马尔文粒度仪测量了螺旋管气、水、砂三相流底部水平段液膜中的颗粒浓度和粒度分布规律，为新型螺旋管除砂器设计提供了理论依据。以上研究均没有对涡流工具作用下气、砂、水三相的运动规律进行研究，忽略了气井出砂对涡流工具携液能力的影响。

第1期刘承婷，等：气井出砂对涡流工具携液能力的影响河北工业科技第36卷本文综合考虑井底积液和井筒中存在固体杂质的因素，建立了气井中涡流工具携液携砂的流动模型。通过对比气井含砂与不含砂条件下涡流工具的携液作用，分析了气井含砂对液相流动规律、体积分数、速度分布的影响，以期为涡流工具的现场应用以及防砂治理提供依据。

1模型建立及模型优化

1.1数学模型

选用欧拉模型进行计算，并作出如下假设：

1）气相为连续相，液、固两相均为分散相;

2）入口流体为雾状流;

3）气、液、固三相入口速度相同;

4）流动过程中液相分布非常不均匀，流场内既有液滴也有液膜[9-15]。

1.1.1多相流模型

連续性方程：

t（αqρq）+Δ·（αqρqυq）=∑nk=1mpq。（1）

动量守恒方程：

t（αiρiui）+Δ·（αiρiuiui）=-αiρig+Mi，  （2）

τL=αLμL（Δ·uL+Δ·uTL）+αL（λL-23μL）（Δ·uL）I，（3）

τs=-pis+αsμs（Δ·us+Δ·uTs）+

αs（λs-23μs）（Δ·us）I。（4）

1.1.2湍流模型

湍流强度：

I=u′uavg0.16（ReDh）-18 。 （5）        

湍流动能：

k=32（uavgI）2 。       （6）

湍流耗散率：

ε=C0.75k1.5l0.93。（7）

式中：u′为均方速度，m/s;C为模型常量，取009;ReDh为以水力直径为特征长度所求得的雷诺数;uavg为平均速度，m/s;l为特征长度，m。

1.2几何模型

图1是根据现场的实际数据建立的螺旋变速体在井筒中的三维结构简图。螺旋角为70°，螺旋翼深为4 mm，螺旋翼宽为5 mm，螺距为30 mm，螺旋段长85 mm，打捞头部分长28 mm。

1.3模型正确性验证

将螺旋纽带试验数据与本研究所采用的欧拉模型的数据进行对比验证。图2是不同Y轴距离处的轴向速度与试验结果进行对比的折线图，可以看出数值模拟的结果与试验结果趋势基本一致，相对误差仅为2.5%，证明采用数值模拟的方法模拟涡流工具的方式具有可行性并且具有很高的可信度。

1.4边界条件设定

入口设为速度入口（velocity-inlet），三相入口速度相同，液滴粒径设为10 μm，砂粒体积分数为10%。出口设为压力出口（pressure-outlet），相对压力设为0。水力直径为67 mm，湍流强度为5%。选用标准壁面函数计算边界层流场。

2数值模拟结果及分析

2.1流动规律变化

图3 a）—b）分别为涡流工具出口处到模型出口处井筒内（Y=200～800 mm）的气、液两相和气、液、固三相的流动迹线图。总体而言，紊流流动经过涡流工具后变成分层旋流。气体以中心气柱的形式在井筒中心处螺旋上升，液相与固相经涡流工具后沿井筒内壁螺旋向上流动。在涡流工具的作用下气、液两相较气、液、固三相的运动更加规律，固相存在会影响涡流工具对气、液两相的旋流效果，涡流工具对液相的离心作用明显减小。

2.2体积分数变化

图4是在入口速度为6.5 m/s、液相体积分数为10%、固相体积分数为10%时气、液两相和气、液、固三相流动中Y轴方向液相的体积分数变化图。可以看出，气、液两相流动时液体靠近壁面处流动，壁面至井筒中心处液相体积分数逐渐减小。气、液、固三相流动时，由于固相所受离心力大于液相，液相不再靠近壁面处流动，逐渐趋于井筒中心分布，液相在固相与井筒壁面之间螺旋上升。

气井不含砂时液相较为分散地分布于井筒中，涡流工具的携液率为95%左右，相同轴向距离处液相体积分数较气井含砂时小，说明该工况下气井含砂有利于气井携液。随着距离的增加，在Y=350 mm处液体在靠近管壁处形成较稳定的液膜，固体厚度不再发生明显的变化。

2.3速度分布变化

图5是入口速度为6.5 m/s时，不同Y轴截面Y=350，500，550，600 mm处气、液两相和气、液、固三相流动的液相轴向速度分布图，随着井筒中心到壁面径向距离的增加，速度逐渐增加。随着Y轴距离的增加，气、液两相流经过涡流工具后速度先增加后缓慢减小，当距离增加到Y=500 mm时两相流速度以很小的趋势逐渐减小。随着距离的增加，三相流速度以不规律的趋势逐渐减小。气井不含砂时，液相经过涡流工具后速度增加1倍左右，气井含砂时速度仅增加0.4倍左右。气井含砂时的液相速度小于不含砂时的速度且速度分布不规律，说明固相会增加运动阻力，使运动更加复杂。

图6是入口速度为10 m/s时，Y=350，500，550，600 mm处液相的轴向速度分布变化图。比较速度为6.5 m/s时液相速度分布图可知，在涡流工具的作用下当Y轴距离达到500 mm时气、液两相流动速度才开始逐渐减小，旋流段长度增加了150 mm，随着速度的增加，涡流工具作用的旋流段长度也增加。气井含砂时，Y=350 mm处液相速度随着距离的增加逐渐减小，旋流段长度没有发生改变，说明气井含砂会缩短涡流工具作用的旋流段长度。速度为10 m/s、气井含砂条件下，液相速度变化较6.5 m/s时规律，说明速度增加有利于涡流工具对气、液、固三相的旋流作用，速度增加能够提高气井中涡流工具的携液能力。

2.4气井含砂对涡流工具携液能力的影响

图7为涡流工具作用下气井中含砂含水以及气井中只含水时气井携液能力的对比图。可以看出相同条件下，固相的存在会影响液相的运动规律，密度较大的固体所受离心力大于液体，从而涡流工具对液体的螺旋作用明显降低，固相沿井筒内壁面螺旋上升，液相趋近于井筒中心分布。由于固相的存在使运动阻力增加使液相的轴向速度分布不规律、紊流程度增强，从而使液滴之间碰撞聚结程度增强，液相与气相之间的混合程度增强，使液体更容易被气体携带流出。在相同轴向距离处气井不含砂时液相的体积分数较气井含砂时小，说明气井含砂有利于气井携液。

3结论

1）在涡流工具的作用下，气、液两相流动较气、液、固三相的运动更加规律。固相存在会影响涡流工具对气、液两相的旋流效果，涡流工具对液相的离心作用明显减小。

2）气井不含砂时，液相较为分散地分布于井筒中，涡流工具携液率为95%。相同轴向距离处，气井不含砂时液相的体积分数较含砂时小，说明该工况下气井含砂有利于气井携液。

3）气井不含砂时，液相经过涡流工具后速度增加1倍左右，气井含砂时速度仅增加0.4倍左右。随着Y轴距离的增加，气、液两相流经过涡流工具后速度先增加后緩慢减小，而三相流速度分布较不规律。说明固相会增加运动阻力，使运动更加复杂。

4）气井不含砂时，速度为10 m/s时，涡流工具作用的旋流段长度较6.5 m/s时增加了150 mm。气井含砂时，速度在Y=350 mm处开始减小，旋流段长度并没有发生改变，说明气井含砂会缩短涡流工具作用的旋流段长度。但速度为10 m/s，气井含砂条件下，液相速度变化较6.5 m/s时规律，说明速度增加有利于涡流工具对气、液、固三相的旋流作用且有利于气井携液。

5）本文考虑气井同时含砂含水的问题，研究了气井出砂对涡流工具携液能力的影响情况，相比以往气井中涡流工具排水采气的研究更具有现实意义，更加符合现场的实际情况。但对于不同油气井及不同的生产参数，涡流工具的携液携砂效果差异很大，因此需考虑不同工况参数下涡流工具的携液携砂效果，提高涡流工具的实用性。目前仿真模拟软件与实际流体的边界条件差异较大，导致模拟结果与实际运动状态存在较大差异，在实际工程问题中难以得到应用[16]，因此应采用现场实际生产数据进行模拟仿真，并在此基础上开展室内试验，以为现场实际应用提供可靠依据。

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