天然气井应用涡流工具排水采气的流场分析.pdf

2 0 1 4年 第 4 3卷 第 1 o期 第 1 3页 石 油矿 0I L FI ELD 场机 械 E QUI P MENT 2 0 1 4 ， 4 3 1 0 1 3 1 6 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 4 1 0 - 0 0 1 3 - 0 4 天然气井应用涡流工具排水采气 的流场分析 杨树人 。 庞博 东北石油大学 石油工程学 学 ， 刘丽丽 院 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 摘 要 涡流排 水采 气技 术施 工 方便 、 环保 高效 ， 在 解 决气 井积 液 问题 方 面前 景 广 阔 。为进 一 步 了解 井下流场情况、 分析气井生产参数对气井排液效果的影响， 基于计算流体动力学方法， 通过 F l u e n t 多相 流模 型 对气 井 内流动进 行仿 真模 拟 计算 。通 过观 察 气液流 动状 态及 速度 矢量 的 变化 以及监 测 井 12 气相含 量 及其 径 向分布 ， 研 究分 析 了涡 流工具 对 气井流 场 的影 响规律 ， 为生产 工 况的优 选及 涡 流 工具 结构 的优化提 供 依据 。 关键 词 气 井 ； 排 水采 气 ； 涡流 工具 ； F l u e n t 中 图分类 号 TE 9 3 5 文献标 识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 4 8 2 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 0 3 Fl o w Fi e l d Ana l y s i s a b o u t App l i c a t i o n o f Vo r t e x To o l s i n Pr o c e s s o f Ga s W e l l Dr a i n a g e YANG Shu r e n。 PANG Bo x ue， LI U Li - l i Co l l e g e o fPe t r o l e u m En gi n e e r i n g， No r t h e a s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Da q i n g 1 6 3 3 1 8， Ch i n a Ab s t r a c t The t e c h ni q ue o f v o r t e x d r a i na ge ha s g oo d pr os pe c t s be c a u s e t h e c ons t r uc t i o n wo r k i s s i m p l e a nd t he t e c h ni q ue i S e nv i r on m e nt a l a nd e f f i c i e nt ． I n o r de r t o f ur t h e r u nd e r s t a nd t he d own ho l e f l o w f i e l d a nd a na l y z e t he e f f e c t o f pr o du c t i o n p a r a me t e r s of g a s we l l s on d r a i n i ng， b a s e d on c ompu t a t i o na l f l u i d dy na m i c s a nd m ul t i ph a s e mod e l t hr o ug h Fl ue nt ， t h e n ume r i c a l s i mul a t i o n h a s be e n do ne ．By o bs e r vi n g t he s t a t e o f t he g a s l i q u i d f l o w a nd mon i t o r i ng t h e r a d i a l d i s t r i bu t i o n o f t he g a s c o nt e nt a t t he we l l h e a d， t he s t u dy a na l y z e d t he i n f l ue nc e o n g a s we l l f l o w f i e l d by v o r t e x t o o1 ． St u dy a na l y z e d t he i n f l ue nc e o f t he v o r t e x t o ol s on f l o w f i e l d of g a s we l l a nd gu i d e d ho w t o s e l e c t t he p r e f e r r e d p r oc e s s c o nd i t i o ns a nd p r o v i d e t he ba s i s f or op t i mi z i ng t h e s t r uc t u r e ． Ke y wo r d s ga s we l l ； d r a i na g e ga s r e c o v e r y； v o r t e x t o o l s ； f l ue nt 随着天然气工业 的迅速发展 ， 天然气深度开采 面临的主要问题之一就是气井积液 。造成气井积液 的直接原因就是气藏 中含水并不断渗入井筒 ， 气体 携液 能力 不 足 ， 造 成井 底积 液 ， 这严 重影 响 了天然 气 的有效开采 ] 。选择有效 的排水采气工艺技术 ， 是 延长气井生产周期、 提高采收率的关键 ] 。涡流排 水采气技术是由中国石油天然气集 团公司引进的新 技术。该工艺施工方便 、 环保高效 ， 对于解决气井积 液 问题 的前 景 十 分 可 观[ 3 ] 。现 已在 北 美 、 澳 大 利 亚 等国大量推广使用。国内， 大庆 、 苏里格 、 四川 、 吉林 等气田也 已相继安装测试 。然而， 由于井下涡旋流 场 内气 液两 相 的运 动情 况 复杂 ， 且 工 具 下 放 井 深 很 大 ， 对其 流场 的研 究存 在 一定 的难 度 。 国 内油 田对 涡流工具的应用仍处于实验测试 的起步 阶段 ， 针对 涡流 工具排 水采 气机 理 以及 生产参 数对 此 工艺排 液 效 果 的影 响 ， 一 直 缺 少 理 论 方 面 的研 究 。本 文 基 于 计 算 流体 动力 学方 法 ， 应 用 F l u e n t 软件 对 使 用涡 流 排水采气工艺的天然气井进行仿真模拟计算 ， 研究 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 2 9 基金项 目 国家 自然科学基金项 目资助 2 1 0 7 6 0 4 3 作者简 介 杨树人 1 9 6 3 一 ， 男 ， 黑龙江 明水人 ， 教授 ， 博 士 ， 主要从 事非 牛顿流体 力学 、 计算 流体力 学和多 相流体 力学等 方 面研究 。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 4年 1 O月 井下流体运动规律 ， 验证其排水采气效果并计算分 析了天然气井生产参数对气井排液的影响。 l 球形液滴模型 中的气井临界携液流速 假设天然气井 内气流携带的液体颗粒是球形液 滴 ， 对球形液滴进行受力分析 ， 推导 出气流携带液滴 的最 低气 体流 速 。 球 形 液滴 如 图 1 在 井 内受 到 重 力 G、 气 体 浮 力 ．厂和运动气流对液滴的推力 F作用。 I G 图 1球形液滴 气井流体中液滴重力 G与浮力 ，的矢量和为 Ty p R 。 1 D ， --p G g 运 动气 流对 球形 液滴 的推 力 F 为 F pR。 CD c r 式 中 R 为液 滴 半 径 ， m； P j ． 为 液 相 密 度 ， k g ／ m。 ； P G 为气 相 密度 ， k g ／ m。 ； g为 重 力 加 速 度 ， 取 g一9 ． 8 1 m／ s ； 为天 然气 临界 携液 流速 ， m／ s ； C 。为流 体 阻 力系数 ； P为 井筒 内压 力 ， MP a 。 若 TF， 气流 中的球形液滴竖直方 向上受力 平衡 ， 天然 气流 速 为临界 携液 流速 。 一r 8 g R 一 P 6 r 7 J l l L 3 C j 当气体流速 。大于临界携液 流速 时， 天然 气井 中的流体能够将半径为 R的液滴携带至井 口。 2 物理模型 2 ． 1 装 置结构 涡 流工具 由导 引销 、 螺旋 片 、 导 流孔 道 和键 槽 4 部分 组 成 ， 如 图 2所示 。导 引销位 于工具 最 上方 ， 键 槽位于工具底部， 使用 电缆或钢绳连接导 引销将工 具下人井底， 由键槽 固定在油 管内。导引销下面是 一 段螺旋叶片， 导流孔道位于螺旋段下方， 井底的气 液两相流体经导流孑 L 道进入螺旋段 。涡流工具几何 模型由 S o l i d Wo r k s建模， 全长 6 8 8 mm， 轮廓外 径 5 9 mm， 导流孔 道长 1 0 6 mm， 宽 2 0 mm， 螺旋 段长 度 1 2 7 mm， 螺旋 段 直径 5 0 mm， 螺 旋 叶 片矩 形 截 面 宽 图 2涡 流 工 具 结 构 2 ． 2 网格划 分 涡流工具结构独特 ， 计算区域形状复杂 ， 网格质 量要求很高。根据流场三维强旋流特点 ， 对流域进 行多块分割 ， 井筒采用 C o o p e r网格划分方法 ， 螺旋 环形空间采用 四面体非结构化网格划分方法。采用 非均匀网格合理安排 网格疏密 ， 在保证旋 流剧烈区 域网格质量的前提下控制网格数量以节省计算时间 及 资 源 ] 。 图 3为 E x a mi n e Me s h过 程 网 格 质 量 图 ， 此 次 网 格 划 分 所 有 网 格 单 元 最 差 网 格 质 量 为 0 ． 6 9 7 8 ， 满足计算要求。 图 3涡 流 工 具 网格 3 气 井涡流排水流场数值计算 3 ． 1 数值 求解 策 略 此次数 值模 拟研 究应 用有 限体 积法 对控 制方 程 离散 ， 采用分离式求解器对隐式控制方程联立求解 。 选用 k e p s i l i o n R NG 湍流模 型 及多 相流 mi x t u r e 模 型 ， 压力离散控制方程选择 P RE S TO方法 ， 应 用 压力基求解器 S I MP L E算法对应用 涡流工具排 水 采气的天然气井内气液两相流动进行求解。 3 ． 2边 界条件 1 气 井进 口边 界 流体 可 压 缩 ， 人 口截 面 采 用质量流率边界。对于连续相气体 ， 假设人 口流速 垂直 于截 面 ； 对 于离 散相 液滴 ， 假设 液滴 的进 口位 置 均匀 分布 于人 口截 面上 ， 速度 与气 相相 同 。 2 气井 出 口边界气 液两 相均按 压 力 出 口处 理 ， 出口压力为气井油压 ， 计算取 4 ． 8 MP a 。 3 壁 面边界 条件螺 旋环 形空 腔及 井筒 内壁 取相关紊流参数及流体速度为零， 用壁面函数来处 理壁面边界层流场。在计算液滴流场时 ， 当液滴碰 到壁 面 时 即被 壁 面捕 获 ， 小 液 滴 碰撞 即 聚并 成 大 液 滴 。流动过程考虑重力影响 ， 聚并的大液滴其重力 超 过气 体对液 滴 向上作 用 的输运 力便 向下 坠落 。 2 0 1 4年第 4 3卷 第 l O 期 第 1 6 页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 01 3 48 2 2 0 1 4 1 0 00 1 6 - 0 5 抗挤强度新算法对套管柱设计安全系数的影响 张宇寒 ， 张建兵 ， 张 雄。 ， 林友建 ， 王 伟 ， 吕祥鸿 1 ． 西安摩尔石油工程实验室 ， 西安 7 1 0 0 6 5 ； 2 ． 西安石油大学 ， 西安 7 1 0 0 6 5 ； 3 ． 川 I 庆钻探国际工程公司 ， 成都 6 1 0 0 1 5 摘要 新版的 AP I 5 C 3 2 0 0 8标准 已经颁布 实施 ， 其 附录中给 出了新 的套管挤 毁强度计算公 式。 将其 与 A P I 5 C 3 1 9 9 4标准 中套 管挤 毁 强度 计算公 式 旧公 式 进 行 了对 比分析 ， 并按 新公 式 计 算 了油田常用套管的抗挤强度值 。认为新公式建模更合理 ， 计算结果更精确， 且计算结果相对于旧公 式的值发生了较 大的变化 。对于 1 4 0钢级 以下的套管， 当套管径厚 比大于 2 0时， 新公式计算值大 于旧公 式值 ； 当径厚 比 小于 2 0时， 新 公 式值 小于 旧公式值 。对 1 4 0钢级 以上 的套 管 ， 这一 变化 的径 厚比的界限值为 2 2 。基 于对套管抗挤强度值 的新认识 ， 给 出了套管柱设计 时油田常用套管的合理 抗挤 安全 系数 建议值 。 关键 词 套管 ； 抗挤 强度 ； 径厚 比 ； 安 全 系数 中图分类 号 TE 9 3 1 ． 2 0 2 文献 标识 码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 4 8 2 ． 2 O 1 4 ． 1 0 ． 0 0 4 由图 9知 气 井井 底 含 水 情 况对 排 水 采 气 效果 有重 要影 响 。井 底 进 液 量 低 于 3 m。 ／ d 时 ， 井 口排 液 随 井 底 进 液 量 的 增 大 而 增 大 ； 井 底 进 液 量 高 于 3 m。 ／ d 时井 口出液增长趋势变缓甚至下降 ， 说明进 入气井的液体已不能完全排出井 口， 产生积液， 此时 气井 使用 涡流 工具 将 起 到 显 著 的排 液 效 果 ， 且 井底 进液 量越 大 ， 提高排 液 的效果 越佳 。 世 号 j 口 井底进液量／ m。 d 图 9 井 口出液体积分数与井底含水情况关系曲线 5 结 论 1 涡流 工具 改 变 了气 井 中流 体 的运 动状 态 ， 流体 受 涡流工 具作 用 加 速 并 沿 螺旋 叶片 方 向旋 转 ， 以高速旋流的方式沿井筒上行， 气相集 中在井筒中 心 ， 液相被甩到井筒壁附近 ， 井 中流体转变为明显的 气 、 液 两相 分层 旋流 。 2 气井 日产气能力对涡流排水工艺提高排液 效果 有重 要影 响 。 日产 气 量 1 ～2 ． 2 5 1 0 m。 ／ d 的含水气井应用涡流排水工艺效果最佳 。日产气能 力过低将影响气井携液能力的提升 ； 产气能力很高 时不 需采 取涡 流工 具排 液 。 3 气 井 井 底 含 水 情 况 对 气 井 排 液 有 重 要 影 响。计算模拟发现 日产气 5 0 0 0 m。 时 ， 井底进液量 高于 3 m。 ／ d 将产生积液 ， 此时使用涡流工具将起到 显著 的排 液效 果 。 参考文献 [ 1 ] 户 贵华 ， 程戈奇 ， 童广岩 ， 等． 气井抽汲排液采 气工艺 的 研究与应用 [ J ] ． 石油 矿场 机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 6 1 0 2 1 0 3 ． [ 2 ] 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 ， 2 0 1 3 1 7 8 8 1 ． E 3 ] 乐宏 ， 唐建荣 ， 葛有琰 ， 等． 排 水采 气工 艺技术 [ M] ． 北 京 石油工业出版社 ， 2 0 i 1 ． [ 4 ] 赵立虎 ， 宋道杰 ， 何广智 ， 等． 螺杆泵排水采气杆 柱强度 设计方法研究 [ J ] ． 石 油矿 场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 8 8 8 9 1 ． E 5 1 杨从新 ， 梁杰 ， 常素玲． 部分 流泵 的三维 流场数 值模 拟 及 叶片研究 [ J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 5 2 2 2 6 ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 1 7 基金项 目 国家 自然科学基金“ 膨胀套管螺纹连接几何 、 材料与接触非线性工作特性研究” 5 1 0 7 4 1 2 6 ； 陕西省教 育厅项 目 “ 石油膨胀套管螺纹连接结构与密封完整性非线性数值模拟研究” 1 1 J K 0 7 9 2 作者简介 张宇寒 1 9 9 2 一 ， 女 ， 山东东营人 ， 主要从事 油套 管工 程力 学研 究 ， E ma i l z h a n g y u h a n ma u r e r l a b ． c o m。