天然气井下涡流工具排液效果影响因素分析.pdf

- 7 8 -- 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M MA C H I N E R Y 2 0 1 3年 第 4 1卷 第 1期 ●油气 田开发工程 天然气 井下涡流工具排液效果影响 因素分析 冯 翠菊 王春 生 张 黉 1 ．东北石油大学地球科学学院2 ．东北石油大学石油工程学院 摘要大庆天然气田目前采用涡流工具进行气井排液，但在部分井中排液效果不 明显。根据 气液 2相流理论，应用 S o l i d Wo r k s 软件建 立涡流工具模 型，应用 F l u e n t 软件进行仿真计算 ，分析 天然气流速 、井底含水率和涡流工具结构对其排液效果的影响。分析结果表 明，天然气流速、含 水体积分数和涡流工具螺旋 片的正截面形状是影响涡流工具排液效果 的主要 因素。具体表现为 天然气流速越大 ，工具排液效果越好；井底含水体 积分数小于 1 0 ％ 时，排液效果不明显；井底含 水体积分数大于 1 0 ％ 时，含水体积分数越高，排液效果越明显；螺旋片正截面为矩形 比为梯形时 的排液效果更理想；螺旋片的旋转方向 左旋和右旋对工具的排液效果影响不大。 关键词 天然气井；涡流工具；排液 ；含水率；F l u e n t ；数值模拟 中图分类号 T E 9 3 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 1 9 I n fl u e n c i n g Fa c t o r An a l y s i s o f t h e Li q u i d Di s c h a r g e Effe c t o f Do wn h o l e Vo r t e x T o o l i n Na t u r a l Ga sⅥ l l s F e n g C u i j u Wa n g C h u n s h e n g Z h a n g H o n g 1 ． C o l l e g e o fE a r t h S c i e n c e s ， N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e i t y 2 ． C o l l e g e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ，N o ． b e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y Ab s t r a c t Th e n a t u r a l g a s fi e l d s i n Da q i n g a r e c u r r e n t l y a d o p t i n g t h e v o rte x t o o l t o c o n d uc t g a s we l l d r a i n a g e ． Bu t t h e e f f e c t o f l i q u i d d i s c ha r g e i s n o t r e ma r k a b l e i n s o me o f t h e s e we l l s ． Th e S o l i dWo r k s s o f t wa r e wa s a p p l i e d t o e s t a b l i s h t h e v o e x t o o l mo d e l a c c o r d i n g t o t h e g a s l i q u i d t w o p h a s e fl o w t h e o r y ． T h e F l u e n t s o f t w a r e wa s u s e d t o c o n d u c t a s i mu l a t i o n c a l c u l a t i o n． T he e f f e c t o f n a t u r a l g a s fl o wr a t e，d o wn h o l e wa t e r c o nt e n t a n d v o r t e x t o o l s t r uc t u r e o n t h e d r a i n a g e e f f e c t wa s a n a l y z e d． Th e a na l y s i s s h o ws t h a t n a t u r a l g a s flo wr a t e，wa t e r c o nt e n t a n d t h e n o r ma l s e c t i o n f o r m o f v o rt e x t o o l h e l i c a l r i b b o n a r e t h e ma i n f a c t o r s t o a f f e c t t h e d r a i n a g e e f f e c t o f v o rt e x t o o 1 ． T h e s p e c i fi c d e t a i l s a r e t h a t t h e l a r g e r t h e n a t u r a l g a s flo wr a t e，t h e b e t t e r t h e t o o l d r a i n a g e e f f e c t ．W h e n t h e bo t t o mho l e wa t e r v o l u me fra c t i o n i s l e s s t h a n 1 0％ ，t he d r a i n a g e e f f e c t i s n o t o b v i o us ． W h e n t h e b o t t o mh o l e wa t e r v o l u me fra c t i o n i s g r e a t e r t h a n 1 0％ ，t h e h i g h e r t he f r a c t i o n，t h e mo r e o b v i o u s t he e f f e c t ． Th e e f f e c t i s mo r e d e s i r a b l e wh e n t h e no r ma l s e c t i o n o f h e l i c a l r i b b o n i s r e c t a n g u l a r t h a n w h e n i t i s t r a p e z o i d ． T h e r o t a t i o n d i r e c t i o n 1 e v o r o t a t i o n a n d d e x t r o r o t a t i o n o f h e l i c a l r i b b o n d o e s n o t h a v e r e m a r k a b l e e f f e c t o n t h e d r a i n a g e e f f e c t ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s we l l ；v o rt e x t o o l ；l i q u i d d r a i n a g e ；wa t e r c o n t e n t ；F l u e n t ；n u me ri c a l s i mu l a t i o n 0 引 言 气井积液问题严重影响了气田的高效开发，使 气藏的最终采 收率严重 降低 J 。我 国已经注意到 积液问题的严重性 ，研制了气举 、机抽和泡排等一 系列的排液技术， 并取得了一定效果 J 。但是传 统的排水采气工艺在进行举升 、处理和注人过程 中 消耗了大量的能量 ，并且大大增加了采气成本 ，同 时对环境造 成 了严重 的污染 。因此 ，需要 开发 新型高效的排液技术。国外也早已注意到传统的排 水技术 中存在的问题 ，许多公司都在致力于研制新 基金项 目国家 自然科学基金项 目 “ 超重力流化床气 固相问作用机理 与颗粒流矩模型 的研究” 2 1 0 7 6 0 4 3 。 2 0 1 3年 第4 1卷第 1 期 冯翠菊等天然气井下涡流工具排液效果影响因素分析 型排液采气工具 。涡流工具是 由美 国能源部开发研 制的高新科技产 品，它是一种结构简单 、体积小 、 效率高的排液工具。大部分的液体 因离心力作用被 高速旋至管壁并沿管壁运动 ，天然气则在套管中间 高速流动。这种高效的螺旋形态传输将作用很长距 离 j 。美国几年来的成功应用表明，科学合理地 使用涡流工具可以有效解决井底积液问题。大庆油 田现也在各个气 田采用此项技术进行气井排液 ，在 部分井取得 了 良好 的排液效果 ，增加 了天然气产 量。但在部分井 中涡流工具作用效果很小或没有。 这可能是涡流工具的排液效果受到 了井底环境及涡 流工具结构等因素的影响 。 利用 F l u e n t 软件对涡流工具进行数值模拟 ，研 究井底气流速度 、含水率和涡流工具结构对其排液 效果 的影响 ，不仅为现场更好地利用涡流工具进行 气流排液提供 了理论依据 ，也为涡流工具结构优化 提供了理论基础，具有重大意义。 1 气液 2相混合模型基本理论 笔者 采用气液 2相 混合模型进行数值模拟计 算。该混合模型是一种简化的多相流模型，控制体 的体积分数可以是 0和 1 之间的任意值 ，允许相以 不 同的速度运动。其控制方程如下 J 。 混合模型连续方程 a P p “ ， 0 1 混合模型动量方程 O ⋯ u ～ i P m lt m ,iU m ,j 一 业o3 X i ⋯ b L m , i 警 Ox 1／ 十 ⋯ ， T ⋯ ～ J 蠹 毫 kU Dk,iU Dk,j 第 2 相P体积分数方程 a m 去 毒 一去 ， 式 中 相数 ； 一 第 k 相的体积分数； p 一混合密度，k m 。 ； M 质量平均速度 ，m ／ s ； “ 。 第 k相的漂移速度， m／s； 混合黏度，P a S 。 2 3 2 模型的建立及流场计算条件设置 采用 S o l i d Wo r k s 软件进行建模 ，分别建立了螺 旋片正截面为梯形和矩形 2种形 状的涡流工具模 型 、左旋和右旋 的梯形状螺旋片的工具模型。模型 结构如图 1 所示，包括键槽 、 导流孔道、螺旋片和 导引销 ，总长 5 0 9 ． 5 mm，人 口直径 2 3 ． 0 mm，矩 形截面和梯形截 面尺寸如 图 1所示。 R Rt 矩形 螺旋 片 梯形螺 旋片 涡流工具立体模型及螺旋片正截 面图 D i a g r a m o f v o e x t o o l s t e r e o mo d e l a n d n o r ma l s e c t i o n o f h e l i c a l ribb o n 在 涡流 工 具 模 型外 建 立 内径 6 2 m m、长 度 2 0 0 0 mm的套管模型 ，导人 G a m b i t 软件 中，提取 流体域并进行 网格划分 ，计算模型如图 2所示。 笔者采用 F l u e n t 软件进行数值模拟，假设气液 2相流体在涡流工具 的作用下 ，在竖直管道内做 自 下而上的三维非稳态湍流流动 ，选用标准 ， c 一 湍流 模型，开启多相流混合物模型，设置流动为非定常 流动 ，人 口边界为速度人 口，出口边界为充分流出 边界，壁面选用标准壁面函数处理壁面边界层流场 。 软件的计算速度受网格节点数和电脑 内存 的限 制，无法模拟 1 0 0 0 m的气液流动。所 以，根据运 动的相似性 ，在运动时间相同情况下 ，设置气液流 动的长度为 2 0 0 0 m m，再根据实际日产量折算出 模拟2 0 0 0 m m流动的速度，分别计算以下几种情 况下涡流工具的持液率变化情况。 1 螺旋 片正 截 面为梯 形 ，螺 旋方 向向左 ， 液相体积分数为 1 0 ％，其他条件不变，人 口速度分 别为 0 ． 0 1 、0 ． 0 5 、0 ． 1 0 、0 ． 1 5 、0 ． 2 0和 0 ． 2 5 m ／ s ； T1 一 目 南 幽 耵曩桃 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 1 期 2 螺旋 片正截 面为梯 形 ，螺 旋方 向向左 ， 入 口速度 为 0 ． 1 5 m ／ s ，其他条件不变 ，液相体积 分 数 分 别 为5 ％ 、 1 0 ％ 、1 5 ％ 、2 0 ％、3 0 ％ 、 4 0 ％ 、5 0 ％和 6 0 ％ 3 螺旋 片正截 面为梯 形 ，螺旋 方 向 向右 ， 液相体积分数为 1 0 ％，其他条件不变，人口速度分 别为0 ． O 1 、0 ． 0 5 、0 ． 1 0 、0 ． 1 5 、0 ． 2 0和 0 ． 2 5 m／ s 4 螺旋 片正截 面为 梯形 ，螺旋 方 向 向右 ， 人 口速度为 0 ． 1 5 m／ s ，其他 条件不变 ，液相体 积 分 数 分 别 为 5 ％、 1 0 ％ 、1 5 ％ 、2 0 ％ 、3 0 ％ 、 4 0 ％ 、5 0 ％和 6 0 ％ 5 螺旋 片正 截面 为矩形 ，螺旋 方 向 向左 ， 液相体积分数为 1 0 ％，其他条件不变，人口速度分 别为 0 ． O 1 、0 ． 0 5 、0 ． 1 0 、0 ． 1 5 、 0 ． 2 0和 0 ． 2 5 m ／ s ； 6 螺旋 片正 截 面为矩形 ，螺旋 方 向 向左 ， 入 口速度为 0 ． 1 5 m ／ s ，其他 条件不变 ，液 相体积 分 数 分 别 为 5 ％ 、1 0 ％ 、 1 5 ％、2 0 ％ 、3 0 ％、 4 0 ％ 、5 0 ％ 和 6 0 ％ 图2 计 算模 型 Fi g ． 2 Ca l c u l a t i o n mo de l 3 计算结果及分析 通过 F l u e n t 数值计算，得到套管内液相流动的 速度云图如图 3所示。气液 2相在螺旋片的导流作 用下产生螺旋加速 ，目的在于增强天然气携液能力。 同时得到出口处各个网格节点所在位置持液率 的平均值 ，进而求得 进出 口持液率差值 ，根据差 值 ，分别得出以下 4种情况的持液率变化对 比图。 1 液相 体积分 数为 1 0 ％ ，改变人 口速 度 ， 螺旋片正截面为梯形 ，方向分别为左旋和右旋 ，此 时进 出口持液率差值见图 4 。 迪 斟 艇 靶 Ⅱ 丑 刿 单位 m ／ s 图3 液相 第2相速度云图 F i g ． 3 N e p h o g r a m o f l i q u i d p h a s e 2 n d p h a s e v e l o c i t y 速度／ m‘ S 图4 速度 变化 下涡流 工具持液 率差值对 比 F i g ． 4 Di f f e r e n c e c o mp a r i s o n o f v o e x t o o l l i q u i d h o l d u p u n d e r v e l o c i t y c h a n g e 由图 4可见 ，当液相体积分数不变时 ，人 口速 度越大 ，进 出 口持液率差值越小 ，当速度为 0 ． 2 0 m ／ s 或更大时，差值基本不变；但无论螺旋片左旋 还是右旋 ，都对涡流工 具的持液效果没有 太大影 响。这表明井底气流速度对涡流工具的排液效果有 很大影响 ，在井底气流速度较大的井 中，涡流工具 排液效果较好 ，但 当速度大到某一值时 ，其排液不 再变化 ，临界速度的大小还需根据现场情况而定。 2 入 口速度为 0 ． 1 5 m ／ s ，改变液相体积分 数 ，螺旋片正截 面为梯 形 ，方 向分别 为左旋和右 旋 ，此时进出口持液率差值见图 5 。 袋 迪 jIllj 将 燃 靶 口 丑 划 液 相体积 分 数／ ％ 图 5 液相体积分数 变化下涡流工具持液率差值对 比 F i g ． 5 Di f f e r e n c e c o mp a r i s o n o f v o e x t o o l l i q u i d h o l d u p u n d e r l i q u i d p h a s e v o l u me f r a c t i o n c h a n g e 2 0 1 3年 第4 1卷第 1期 冯翠菊等天然气井下涡流工具排液效果影响因素分析 一 8 1一 由图 5可见 ，当在入 口速度 保持不 变 的情 况 下 ，液相体积分数小于 1 0 ％ 时，进 出 口持液率 差 值较大；液相体积分数大于 1 0 ％时，随着体积分 数 的增大 ，差值逐渐减 小。同样 ，在此种情况下 ， 螺旋片旋转方向对涡流工具的排液效果没有 明显影 响 。这表明井底含水率对涡流工具 的排液效果有很 大影响 ，含水体积分数低 于 1 0 ％ 时，现场应用涡 流工具排液效果不 明显 ；含水体积分数 高于 1 0 ％ 时，含水体积分数越高，涡流工具排液效果越好。 3 液相体积分数为 1 0 ％，改变人 口速度， 螺旋方向向左 ，螺旋 片正截 面分别为梯形和矩 形 ， 此时进出口持液率差值见图 6 。 迪 碍 豇 丑 速度／ m 。 S 1 图 6 速度 变化 下涡流工具持 液率差值对 比 Fi g ． 6 Di f f e r e nc e c o mp a r i s o n o f v o e x t o o l l i q u i d h o l d u p u n d e r v e l o c i t y c h a n g e 由图 6可见 ，无论是矩形螺旋片还是梯形螺旋 片 ，涡流工具 的持液效果都随着井底气流速度的增 加而越来越好 ， 但当入口速度大于0 ． 1 m ／ s 时，矩 形螺旋结构的工具比梯形的持液效果好 。实际应用 中临界速度的大小还需根据现场情况而定。 4 人 口速度为 0 ． 1 5 m ／ s ，改变液相 体积分 数 ，螺旋方向向左 ，螺旋片正截面分别为梯形和矩 形 ，此时进出口持液率差值见图 7 。 迪 j Ijlj 得 蠼 靶 口 丑 液 相 体 积 分 数／ ％ 图 7 液相体积分数 变化 下涡流工具持液率差值对 比图 F i g ． 7 D i a g r a m o f d i f f e r e n c e c o mp a r i s o n o f v o r t e x t o o l l i q u i d h o l d u p u n d e r l i q u i d p h a s e v o l n me fra c ti o n c h a n g e 由图 7可见 ，在液相 体积 分数小 于 1 0 ％ 时 ， 无论涡流工具 的螺旋片正截面是矩形还是梯形 ，进 出口的持液率差值都很大，这表明在含水体积分数 低于 1 0 ％的井 中应 用涡流工具进行排液 ，效果不 会很 明显；含水体积分数高 于 1 0 ％时 ，应用螺旋 片正截面为矩形的涡流工具 比梯形的理想 。 4 结 论 针对现场某些气井放置了涡流工具仍然存在排 液 困难 的问题 ，对几种可能会对工具排液效果造成 影 响的因素进行 了分析。在气 液 2相流理论 基础 上 ，采用气液 2相混合模型 ，应用 F l u e n t 软件对套 管 内在涡流工具作用下的气液 2相流动进行数值模 拟 ，通过计算和分析 ，得到以下结论。 1 天然气流速对涡流工具的排液效果有很大 的影响。气流速度越大 ，涡流工具 的排液效果越好 ； 当气流速度达到一定值时，排液效果将保持不变。 2 井底含水体积分数对涡流工具的排液效 果有很大影 响。含水体积 分数低于 1 0 ％时 ，涡流 工具排液效果不明显 ；含水体积分数高于 1 0 ％ 时， 含水体积分数越高，工具的排液效果越好 。 3 螺旋 片正截 面为矩 形 比为梯形时的排液 效果更理想。 4 涡流工具螺旋 片的旋转方 向 左旋和右 旋对涡流工具的排液效果影 响不大。 参考文献 [ 1 ] 杨启明．国外井下气液分离采气新技术研究现状分 析 [ J ]．天然气工业，2 0 0 1 ，2 1 2 8 5 8 8 ． [ 2 ] 白晓弘，李旭 日，刘凯文，等 ．速度管柱排水采气 技术 的应 用及 改进 [ J ]．石 油机械 ，2 0 1 1 ，3 9 1 2 6 06 2 ． [ 3 ] 春兰，魏文兴 ．国内外排水采气工艺现状 [ J ]． 吐哈油气 ，2 0 0 4，9 3 2 5 5 2 6 1 ． [ 4 ] 李振银 ．排水采气工艺技术的探讨 [ J ]．新疆石油 天然气，2 0 0 8 ，4 增刊 1 9 0 9 3 ． [ 5 ] 王尊策，崔航，李森，等 ．井下螺旋式气液分 离器分离性能的数值模拟 [ J ]．科学技术与工程 ， 2 0 1 0 6 1 3 5 81 3 6 1 ． [ 6 ] 江帆，黄鹏 ． Hu e n t 高级应用与实例分析 [ M] ． 北京 清华大学出版社，2 0 0 8 1 4 61 4 9 ． 第一作者简 介冯 翠菊，女 ，讲 师，生于 1 9 7 9年， 2 0 0 5年毕业于大庆石油学院地球探测与信息技术专业 ，现 从事教学及石油科研工作。地址 1 6 3 3 1 8 黑龙江省大庆 市。Em a i l f c j 6 2 1 1 6 3 ． c o n。 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 7 本文编辑刘峰 旋 旋 一 螺 螺 一 形 形 矩 梯 一 } { 』 c r。 ． ．L 。 ．r 。 ．． L ． ．r 。 ● ● 一 O