煤层气井筒气液两相流数值模拟

熊至宜　张云　张丽稳　尚洁

摘要：在煤層气井开采过程中由于井底积液的影响，会在管道中形成气液两相流动。用数值模拟方法研究含气率、进口压力、进口温度、压降等参数对气液两相流流态的影响。结果表明：进口压力和进口温度对气液两相流流态影响较小；含气率对两相流流态的影响很大，决定了气液两相的流态，当含气率小于0.2时，气液两相流呈现泡状流，当含气率在0.2～0.3时气液两相流流态呈现段塞流，当含气率在0.5～0.6时，气液两相流流态呈现搅动流，当含气率超过0.8时，气液两相流流态呈现环状流；压降对流体的影响较为复杂，随着压降增加，流态会缓慢发生变化，管内两相流中的气体膨胀，改变了截面含气率以及气液两相的表观速度，使两相流流态发生了转变；当压降超过一定值时，流态会从一种形态转变为另外一种形态。

关键词：含气率； 气液两相流； 流态； 压降

中图分类号：TE 9 文献标志码：A

引用格式：熊至宜，张云，张丽稳，等.煤层气井筒气液两相流数值模拟［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2023，47（2）：153-159.

XIONG Zhiyi， ZHANG Yun， ZHANG Liwen， et al. Numerical simulation  on gas-liquid two-phase fluid in coal-bed methane wellbore ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2023，47（2）：153-159.

Numerical simulation  on gas-liquid two-phase fluid in coal-bed methane wellbore

XIONG Zhiyi1， ZHANG Yun2， ZHANG Liwen3， SHANG Jie4

（1.College of Mechanical and Transportation Engineering in China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China;2.North Vehicle Research Institute， Beijing 100029， China;3.PipeChina Institute of Science and Technology， Langfang 065000，China；4.China Petroleum Materials Company Limited， Beijing 100029， China）

Abstract： In the process of coalbed methane exploitation， due to the influence of bottom hole liquid accumulation， the gas-liquid two-phase fluid will be formed in the pipeline. The numerical simulation method was used to investigate the influence of gas holdup， inlet pressure， inlet temperature， pressure drop and other parameters on the flow pattern of the gas-liquid two-phase fluid. The results show that the inlet pressure and inlet temperature have a small effect on the flow pattern of the gas-liquid two-phase fluid. The gas content ration has a great influence on the flow pattern of the two-phase fluid and determines its flow pattern. When the gas content ration is less than 0.2， the gas-liquid two-phase fluid takes the state of bubble flow. When the gas content is between 0.2 and 0.3， the gas-liquid two-phase flow pattern takes the state of segmental plug flow. When the gas content is between 0.5 and 0.6， the gas-liquid two-phase flow pattern takes the state of stirring flow， and when the gas content is above 0.8， it takes the state of annular flow. The influence of the pressure drop on the fluid is complex. With the increase of the pressure drop， the flow pattern will change slowly. The gas in the two-phase flow in the tube expands， changing the cross-sectional gas content and the apparent velocity of the gas and liquid phases， so the two-phase flow pattern is transformed. When the pressure drop exceeds a certain value， the flow pattern will change from one form to another.

Keywords： gas content ration; gas-liquid two-phase fluid; flow pattern; pressure drop

在煤层气开采过程中气液两相流的流动特性对垂直气井的正常工作有重要意义，其每一种流态都会对煤层气的产量产生影响。研究圆管内的气液两相流型成果较多，管道中气液两相流型的变化宏观上表现为气液两相交界面的形态的变化，流型的变化体现出了气液两相动量与能量的交换。研究流型的主要工作是得到影响流型变化的因素，并找到影响两相流流型形成的主要因素，通过参数的脉动规律等确定流型类别，確定各种工况条件下流动参数的脉动规律，提出合适的流型生成和转变的数学模型。Chen等［1］对竖直向上气液两相流动进行了可视化试验研究，通过高速摄影得到了气液两相典型流型。Pavaien等［2-7］利用试验和数值模拟方法研究了空气和水的两相混合物在竖直管道内的流动特征。目前两相流流态的识别方法主要是用试验方法做出流态图识别和机制模型判断两种， 采用流态图对多相流动进行判断，对流态有很直观的认识，在众多流态图中，Hewitt等［8］和Weisman等［9］绘制的垂直上升流动中的流型图比较经典。前人研究成果一般是通过试验结果的整理得到两相流流型并给出分布区间然后绘制出对应的两相流型图，但是由于流型形成条件十分复杂，通过特定试验得到的数据不能适用于其他试验，其结果难以推广到高压长距离的煤层气气井的开采过程中。笔者利用数值模拟方法研究阜康矿区煤层气井排水采气过程中生产套管内的气液两相流动，建立高压下煤层气井筒气液两相状态的判别依据，研究井筒气液两相流不同流态的特性参数特征及变化规律，判别井下气液两相流态，进而得到井筒多相流流场规律。

1 研究方法与模型

1.1 模型建立

根据阜康矿区煤层气井现有的完井结构进行建模，其示意图如图1所示，周劲辉等［10］也采用了该模型。该气井采用螺杆泵排出井底积水，利用煤层压力将天然气从套管中采出，因此去除油管部分，截取A1射孔上面长度为8 m的生产套管为数值模拟模型，由于地热和表层套管中水压的影响，井底温度基本在24 ～ 39 ℃，压力为3 ～ 8 MPa。因此截取采气管道的一段作为数值模拟计算模型，模型为垂直环空管，内、外径分别为73和124.26 mm，长度为8 000 mm，如图2所示，采用六面体结构化网格划分计算模型。

1.2 研究方法

煤层气井排水采气过程中的气液两相流中气体可压缩，液体不可压缩。采用标准k-ε湍流模型，气相选取甲烷时选择SRK方程与实际气体的误差最小。液相选择液态水，物性参数选择默认值，密度为常数。选择多相流计算模型为VOF模型，VOF模型在模拟计算内依赖于两种或多种流体（或相）是互不渗透的这一特点，通过求解多相流动的同一动量方程组，追踪每一相流体的体积分数来模拟多相流动。VOF模型适合于分层的或自由表面流，典型应用包括射流破碎、段塞流、液体中大气泡的运动和溃坝后液体流动的预测以及两相界面的定常流动和非定常流动的界面追踪。

气液两相在套管中流动时气相和液相之间的分界面时刻随时间变化是一个非定常流动，因此在对气液两相流动进行数值模拟时，选择瞬态模型。此外在满足收敛的条件下，为了提高计算精度使用PISO方法离散压力。

1.3 研究内容

主要模拟煤层气井在排水采气过程中生产套管内的气液两相流态，分析进口含气率、进口压力、进口温度对流态的影响；由于气体的压缩性在长距离的采气管道中存在较大压降时会影响管道内两相流流态，利用节流阀调节管道压降方式替代管道内压降，分析压降对流态的影响。

1.4 网格无关性验证

计算区域划分为（180、190、200、210、215、220）×104共6种不同数量的网格，进行数值模拟，监控出口位置某一截面的温度。在同一截面处计算结果如图3所示，从图3中可以看出，当网格数量到达210×104后，体现出了很好的无关性。因此在后续的模拟计算中采用网格数为215×104的网格。

2 数值模拟结果的流态判别

2.1 泡状流

图4为进口压力3 MPa、含气率0.2、进口温度39 ℃的截面含气率云图，图4中（a）为整个模型截面含气率云图，（b）为模型AB局部放大示意图，图4中（c）和（d）是1-1和2-2横截面含气率云图，调节含气率多次数值模拟后，可以明显看出，当进口含气率为0.2时，气体以不连续的气泡分散在连续的液体中，且在气泡周围形成一层液膜，呈现泡状流。

同时由图4（e）和（f）（分别对应1-1和2-2横截面）的速度云图可以得到气液两相流的混合速度，根据Hasan & Kaber流型判别准则可以计算得出气液两相的表观速度：vsle=24.46 m/s、vsge=5.61 m/s，vslf=21.48 m/s、vsgf=5.37 m/s，满足泡状流判别依据，因此确定该流态为泡状流。

2.2 段塞流

图5为进口压力3 MPa、含气率0.3、进口温度39 ℃的截面含气率云图。从图5中可以看出，当进口含气率增加到0.3时，气体不断聚合形成大气泡，靠近内管向上运动并且液体段塞将气泡分隔开，连通的液体向上流动，并携带有分散的气泡，呈现段塞流。根据Hasan & Kaber流型判别准则计算得出气、液两相的表观速度满足段塞流判别依据，可确定该流态为段塞流。

2.3 搅动流

图6为进口压力3 MPa、含气率0.6、进口温度39 ℃的截面含气率云图。从图6中可看出，当进口含气率x增加到0.6时，气体连续向上流动，并举升液体到某一高度，然后液体下落、聚集，在环空中桥接，而后又被气体举升，呈现搅动流。根据Hasan & Kaber流型判别准则计算得出气、液两相的表观速度满足搅动流判别依据，可确定该流态为搅动流。

2.4 环状流

图7为进口压力3 MPa、进口温度39 ℃的截面含气率云图。从图7中可以看出，当进口含气率增加到0.8时，液体沿环空管内外壁向上流动，同时气体在内外壁的液膜之间携带液滴向上流动，呈现环状流。根据Hasan & Kaber流型判别准则计算得出气、液两相的表观速度满足环状流判别依据，可确定该流态为环状流。

利用数值模拟得到的两相流流态能够与现有的判别公式准确对应，因此利用数值模拟结果判别气液两相流态是可靠的。

3 模拟结果

3.1 进口压力对流态的影响

含气率为0.2、進口温度为39 ℃时不同进口压力下的含气率云图如图8所示。从图8中可以看出，压力改变时圆管中的流型变化较小。当进口压力从3 MPa变化到8 MPa时，根据Hasan & Kaber流型判别准则，气相表观速度从5.55 m/s变为6.21 m/s，液相表观速度从22.3 m/s变为26.7 m/s，都处于泡状流状态。另外进口含气率为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8时，改变进口压力的结果与含气率为0.2时类似，几乎不改变流体流型，因此进口压力变化对流态影响较小。这是因为增大进口压力会影响到气液两相流的混合速度，但由于含气率没有改变，气、液两相的表观速度同时增大，因此气液两相流流态没有发生很明显的变化。但是气体为可压缩流体，增大压力会增大气体密度，同时流速也增大，因此气液两相的质量流量会增大，导致气体的携液能力增强，因此环状流液膜之间会出现大量的块状液体。

3.2 进口含气率对流态的影响

进口压力为3 MPa、进口温度为39 ℃时不同进口含气率对两相流流体的影响规律如图9所示。从图9中可以看出：含气率对两相流流态的影响很大，当进口含气率为0.2时环空管道中的气液两相流呈现泡状流；当进口含气率为0.3时环空管道中的气液两相流呈现段塞流；当进口含气率为0.4和0.5时环空管道中的气液两相流为过渡阶段；当进口含气率为0.6时环空管道中的气液两相流呈现搅动流；当进口含气率为0.7时环空管道中的气液两相流向环状流过渡，有部分管道已经形成液膜紧贴内环外壁面和外环内壁面；当进口含气率为0.8时环空管道中的气液两相流呈现环状流。模拟结果也与Hasan & Kaber流型判别准则得到的结果一致。

3.3 进口温度对流态的影响

进口压力3 MPa、进口含气率0.2不变，不同进口温度T对流态的影响如图10所示。从图10中可以看出，进口温度对天然气气液两相流流型影响较小，当进口含气率为0.2时环空管道中的气液两相流依旧呈现泡状流。尽管增大温度会减小气体密度，但温度增大幅度较小，因此密度变化很小。密度变化间接影响了气液两相流的混合速度，由于含气率没有改变，气、液两相的表观速度同时改变，因此气液两相流流态没有发生很明显的变化。

3.4 压降对流态的影响

进口压力和进口温度对两相流流态的影响较小，可能的原因之一是选取的模拟模型较短，沿管道压降较小，对混合相密度影响较小，而混合相密度是判断两相流流态的重要参数。为了验证这一判断，在选取的套管模型之前设置节流阀降低套管压力，利用数值模拟方式，对比节流前后套管内气液两相流流态。固定进口温度为39 ℃，压力p为4.0 MPa，改变节流比从而得到不同的压降，节流压降分别为2和1.3 MPa时流态的变化云图见图11和12。从图中可以看出，节流阀前后的环空管中气液两相流流态有很大不同，这是因为节流过程降低了压力，节流前后存在很大压差，管内两相流中的气体膨胀改变了截面含气率以及气液两相的表观速度，因此两相流流态发生了转变。

当进口含气率为0.2时进口段环空管中气体以不连续的气泡分散在连续的液体中，且在气泡周围形成一层液膜，呈现泡状流；当节流之后气体膨胀，截面含气率达到0.52，气体连续向上流动，并举升液体到某一高度，然后液体下落、聚集，在环空中桥接，而后又被气体举升，呈现搅动流。从图12中可以很明显看出，当进口含气率增加到0.6时节流前气体连续向上流动，并举升液体到某一高度，然后液体下落、聚集，在环空中桥接，而后又被气体举升，呈现搅动流，流体通过节流阀节流后，液体沿环空管内外壁向上流动，同时气体在内外壁的液膜之间携带液滴向上流动，呈现环状流，此时的截面含气率为0.87。

对比图11和12可以发现，在进口含气率为0.2时节流阀进口段环空管中气体以不连续的气泡分散在连续的液体中，且在气泡周围形成一层液膜，呈现泡状流；而在节流阀出口段两相流流态呈现很大差异。当压降为2 MPa时环空管内两相流流态呈现搅动流，截面含气率为0.52；当压降为1.3 MPa时环空管内两相流流态为段塞流和搅动流的过渡状态，截面含气率为0.31。这是因为节流比增大后，管内流体压降减小，气体膨胀后截面含气率较小，没有达到两相流流态转变的临界条件。

在长距离的输气管道中存在较大压降，因此进口压力对气液两相流流态有较大影响，特别是在压降大于2 MPa时在环控管内会呈现多种流态共存的现象。

3.5 流态结果

对圆管内气液两相流态影响的最重要因素是含气率和压降，温度的影响可以忽略不计，结合数值模拟结果并利用Hasan & Kaber流型判别准则，得到不同压力和含气率下气液两相流流型，如图13所示。从图13中可以看出，压力影响也几乎可以忽略不计，

图13 不同条件下的流态模拟结果

Fig.13 Flow pattern simulation results under different conditions含气率决定了两相流的流型。当含气率小于等于0.2时该气井气液两相流为泡状流；当含气率在0.2～0.3时该气井两相流流态呈现段塞流；当混含气率在0.5～0.6时气液两相流流态呈现搅动流；当含气率超过0.8时两相流流态呈现环状流。

4 结 论

（1）含气率对两相流流态的影响很大，含气率决定了圆管内气液两相的流态；当进口含气率小于等于0.2时，气液两相流呈现泡状流；当进口含气率在0.2～0.3时气液两相流流态呈现段塞流；当进口含气率在0.5～0.6时，气液两相流流态呈现搅动流；当进口含气率超过0.8时，气液两相流流态呈现环状流。

（2）进口温度和压力对气液两相流的流态影响较小，特别是小范围的温度变化可以忽略不计。

（3）压降对流态的影响较为复杂，利用节流阀降压不能代表真实的煤层气开采过程；但是当管道沿程阻力损失逐渐增大时，气液两相流态会逐渐发生改变，进而影响煤层气产量。

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ZHOU Jinhui， ZHANG Yun， XIONG Zhiyi， et al. Numerical simulation of throttling effect on throttle valve at well bottom hole［J］. Journal of China University Petroleum （Edition of Natural Science）， 2021，45（6）：144-151.

（编辑 沈玉英）

收稿日期：2022-07-22

基金项目：国家自然科学基金项目（52174040）

第一作者及通信作者：熊至宜（1980-），男，副教授，博士，研究方向为多相流与分离技术。E-mail：xiongzhiyi@cup.edu.cn。