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气井排液用涡流工具在不同流态的适用性研究
石怡帆, 颜廷俊, 赵栩鹤     
北京化工大学机电工程学院
摘要: 目前国内对涡流工具的机理研究主要通过Fluent软件对流场进行模拟分析,但忽略了井筒实际的流态分布以及涡流工具在各流态下的适用性,导致对涡流工具机理认识不清。为了研究垂直管内流体在段塞流、搅动流和环状流下经过涡流工具前、后的动态变化过程,采用Fluent软件的瞬态模拟方法,分析流体在不同流态下经过涡流工具前、后流场的变化过程,解释涡流工具的工作机理和在各流态下的适应性。分析结果表明:涡流工具的主要作用机理是对流体能量进行转化,将部分静压转化为动压,且动压增量用于提供流体的切向速度,使流体气液相被有效分离;相比于段塞流和环状流,搅动流流体经过涡流工具后截面持液率降低,有效提高了气体的携液能力,因此涡流工具在搅动流下使用效果最佳。研究结果可为气井排液用涡流工具的现场应用提供参考。
关键词: 气井排液     涡流工具     流态     瞬态模拟     适用性    
Study on Feasibility of the Vortex Tool for Gas Well Fluid Drainage in Different Flow Regimes
Shi Yifan, Yan Tingjun, Zhao Xuhe     
College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology
Abstract: At present, the mechanism research of vortex tools in China mainly uses Fluent software to simulate the flow field, which ignores the actual flow regime distribution in the wellbore and the applicability of the vortex tool in each flow regime, leading to unclear understanding of the mechanism of the vortex tool. In order to study the dynamic behavior of fluid in the vertical pipe before and after passing through the vortex tool under the slug flow, the agitation flow and the annular flow, the transient simulation method of Fluent software is used to analyze the flow field change and explain the working mechanism of the vortex tool and the feasibility in each flow regime. The analysis results show that the main mechanism of the vortex tool is to transform the fluid energy, namely converting part of the static pressure into dynamic pressure. The increment of dynamic pressure is used to provide the fluid tangential velocity to effectively separate gas-liquid. Compared with the slug flow and the annular flow, the liquid holdup of the agitated flow after passing through the vortex tool is reduced, thus effectively improves the liquid carrying capacity of the gas. Therefore, the agitation flow is preferable for the vortex tool. The research results could provide references for the field application of vortex tool for gas well fluid drainage.
Keywords: gas well fluid drainage    vortex tool    flow regime    transient simulation    feasibility    

0 引言

在天然气开采后期,气井积液会随开采时间的延长而变得严重,因此需要及时采取有效的排液采气技术辅助气井生产。2011年我国从国外引入了涡流排液采气技术,即在井内下入涡流工具。相比于常规气井排液采气技术,该技术具有结构简单、成本低和无污染等优点。目前该技术在美国的犹他盆地和绿河盆地等多处天然气井,以及我国的苏里格和四川等气田都进行了现场试验,试验结果表明涡流工具可以提高气井的排液能力和产气量[1-4]

A.J.ALI等[5]通过建立长38 m、直径50.8 mm的透明PVC垂直流动回路研究涡流工具的工作机理,结果表明涡流工具可以降低管道的压力损失和气井的临界携液速度;D.C.CHEN等[6]通过建立相似实验装置也说明了涡流工具对气井携液能力的提高。对于涡流工具的机理研究,杨旭东等[7]借助Fluent软件对流体流场进行模拟,解释了流体经涡流工具后引发的高速螺旋涡流,可有效降低气液流动阻力,增强气流的携液能力;冯翠菊等[8]通过流场模拟说明了液相体积分数和气相速度对排液效果的影响。目前,国外在涡流工具的试验研究方面较深入,但理论分析较少;国内学者为了进行理论研究,借助Fluent数值模拟方法对涡流工具的流场进行了分析,但研究过程中均采用了Mixture或Eulerian的两相流稳态模拟方法,该设置下的气液相在进入涡流工具前在管内均匀分布且速度相等,与气井的实际流动情况相差较大,导致对涡流工具作用机理的理解有所偏差。因此,笔者采用VOF两相流模型的瞬态模拟方法,通过分析流体在不同流态下经过涡流工具前、后流场的变化过程,来解释涡流工具的工作机理和在各流态下的适用性。

1 理论分析 1.1 垂直管内流态类型

垂直管内气液两相流的不同流态与气液相的速度和持液率有关,一般分为泡状流、段塞流、搅动流和环状流等4种流态。在泡状流下,液相为主要相,气体以小气泡的形式存在液体中,该流态主要出现在低气速和低含气率区;随着气量的增多,液相中的小气泡相互碰撞聚合形成大尺寸气泡,即泰勒气泡,管内泰勒气泡与液塞交替向上流动,此时流态转变为段塞流;若气量增大到使泰勒气泡被冲散,管内的液相时而向上时而向下流动,此时流态向搅动流转变;当气体速度进一步增加,液相环管壁形成液膜,气相以气芯形式夹带小液滴向上流动,此时流体处于环状流。

气井在不同的生产阶段,井筒内流态分布不同。在气井生产前期,气体速度高,可以将气井中液体全部携带至地面,井筒流态为环状流;在生产中、后期,随着地层能量的衰减,气体速度降低,不足以将所有液体带出,部分液体回流至井底形成积液,此时气井中、上部仍然保持着环状流流态,井筒下部逐渐形成搅动流、段塞流和泡状流的一种或几种[9]。ANSARI等通过对井筒气液两相流的研究,绘制了如图 1所示的井筒内典型的流态分布图。由于混合流体的实际速度难以测量,工程上常用气液相表观速度,即两相介质中的单独一相在单位流道截面的流量表示。图中横坐标vsg表示气相表观速度,纵坐标vsl表示液相表观速度,在不同的气液相表观速度下管内形成不同的流态。涡流排液采气技术完全依靠气井自身能量进行生产,因此要求气井具有一定的自喷能力[10]。由于泡状流的低气速和低含气量不满足涡流工具的使用要求,所以仅对段塞流、搅动流和环状流流体经过涡流工具的流场进行分析。

图 1 井筒中典型的流型分布图 Fig.1 Typical flow regime in a wellbore

1.2 几何建模及网格划分

目前国内外使用的涡流工具是美国Vortex公司和新加坡地标公司的产品,总长1 m左右。涡流工具实物图如图 2所示。地面通过钢丝绳与投捞鱼头将涡流工具下放至井下,坐封器在油管接箍处实现固定。导向腔和螺旋变速体主要作用是导流并使流体旋转,将气液两相流从紊流转变为螺旋分层流。

图 2 涡流工具 Fig.2 Vortex tool 1—投捞鱼头;2—螺旋变速体;3—坐封器。

几何模型的流道总长7 m,直径62 mm,涡流工具螺旋变速体的螺旋角45°,槽宽45 mm,槽深10 mm。为了使气液两相在管中充分发展形成不同流态,涡流工具下游的管长5 m。由于模型长径比过大,同时需要满足网格质量,所以对模型进行如图 3所示的简化。图 4为涡流工具流域的局部放大图。使用Gambit划分网格时,由于涡流工具流域的结构复杂,选用了适合复杂结构的四面体非结构化网格,在光管的规则流域划分时选用六面体结构化网格,网格总数达150万。为了对比说明流体经过涡流工具前、后的流场变化,在图 3中分别截取了8个截面。

图 3 计算模型 Fig.3 Calculation model

图 4 局部放大图 Fig.4 Partially enlarged view

1.3 数值模拟

选取模拟气液两相流流态常用的VOF多相流模型和标准k-ε湍流模型进行瞬态模拟,并设置合适的时间步长和计算时间。气相为空气,液相为水。边界条件设置为速度入口和压力出口,并根据图 1设定速度入口参数(见表 1),出口压力为大气压。由于环状流的持液率最大为0.226[11],所以设置液相体积分数为0.22。

表 1 速度入口参数 Table 1 Velocity inlet parameter
序号 vsg/(m·s-1) 液相体积分数 流态
1 3.1 0.22 段塞流
2 11.0 0.22 搅动流
3 14.8 0.22 环状流

2 模拟结果及分析

要使流体进入到涡流工具前的流态达到平衡状态,一般需要几百倍(250~300)的管径长度[12]。经过多次模拟后得出流体在截面1时足以形成需要的流态,因此仅分析流体在截面1至管道出口截面8的流动情况。流场模拟采用瞬态计算方法,所以需选取气液相充分流过管道后的时刻进行分析。

2.1 不同流态流体经过涡流工具前、后的液相体积分数分布

不同流态流体经过涡流工具前、后的液相体积分数云图如图 5所示。图中红色部分为液体含量较高的区域,蓝色部分为气体含量较高的区域。图 5a中流体在管道下游充分发展形成段塞流时,管内液塞与泰勒气泡交替向上运动,经过涡流工具后流体旋转产生离心力,液塞中的小气泡脱离出来在管中心聚集,液塞环绕管壁形成液膜,部分液体回流搭接成液桥,流态转变为搅动流;图 5b中流体在涡流工具下游形成紊乱流动的搅动流,部分液体回流在管中“桥接”阻碍气体的流动,流体通过涡流工具后,管内液桥被甩至管壁与液膜融合,形成气液分层的环状流;图 5c中管道下游是环状流时,气体携带液滴与管壁处液膜向上流动,经过涡流工具后气液相分离,液滴被甩至管壁与液膜融合,气芯从管中心穿过,流体仍处于环状流。

图 5 不同流态流体经过涡流工具前、后的液相体积分数云图 Fig.5 Liquid volume fraction distribution of fluid under different regimes before and after passing through the vortex tool

2.2 不同流态流体经过涡流工具前、后速度分布

不同流态流体经过涡流工具前、后的速度曲线如图 6所示。图中1~4截面是流体经过涡流工具前的速度分布,5~8截面是经过涡流工具后的速度分布,v段,轴表示段塞流轴向速度,其余的同理。由图可知,流体经过涡流工具后轴向速度基本不变,切向速度在螺旋变速体的作用下增大,沿流体流动方向在5截面处最大,6~8截面处波动较小,逐渐趋于平衡,段塞流、搅动流和环状流的切向平均速度分别增加了0.35、1.24和1.85 m/s。

图 6 不同流态流体经过涡流工具前、后的速度曲线 Fig.6 Velocity curves of fluid under different regimes before and after passing through the vortex tool

由于流体切向速度提高,管内液相在离心力的作用下被甩至管壁与液膜融合,对应图 5中流体的液相体积分数云图,搅动流和环状流经过涡流工具后都形成了稳定的气液分层流,便于气体携带液体,但段塞流经过涡流工具后液体回流在管内搭接液桥,阻碍气体流动,影响气井生产,使用效果不佳。

2.3 不同流态流体经过涡流工具前、后压力分布

不同流态流体经过涡流工具前、后的压力曲线如图 7所示。图中p段,静表示段塞流静压,其余的同理。由图可知,各流态流体经过涡流工具后静压迅速降低,其中段塞流、搅动流和环状流平均静压分别降低了17.9、64.3和98.8 kPa,而流体动压随着切向速度的增大而增加,且变化规律与切向速度一致。由此看出涡流工具可以有效对流体能量进行转化,将部分静压转化为动压,增大了流体的动能。

图 7 不同流态流体经过涡流工具前、后的压力曲线 Fig.7 Pressure curves of fluid under different regimes before and after passing through the vortex tool

2.4 不同流态流体经过涡流工具前、后截面持液率分布

不同流态流体经过涡流工具前、后的截面持液率曲线如图 8所示。图中段塞流、搅动流和环状流经过涡流工具后,在5~8截面的平均持液率分别为0.44、0.32和0.21,较1~4截面分别降低了6%、20%和4%。持液率的降低是因为涡流工具内部流道截面积的减小,使流体速度提高,增强了气体的携液能力,从而降低了截面持液率。其中搅动流持液率降低最多,涡流工具的使用效果最好;而段塞流与环状流变化较小,使用效果不明显。

图 8 不同流态流体经过涡流工具前、后截面持液率曲线 Fig.8 The liquid holdup curve of fluid under different regimes before and after passing through the vortex tool

由上述分析可知,涡流工具具有提高流体切向速度、将部分静压转化为动压以及降低流体截面持液率的作用,而气井携液能力主要与气体轴向速度和持液率有关,由于段塞流经过涡流工具后轴向速度不变,截面持液率仍较高,气体携液能力差,使用效果不佳;搅动流经过涡流工具后转变为环状流,截面持液率降低,使液体被有效的携带,具有较好的使用效果;环状流经过涡流工具前、后持液率无明显变化,对气体携液能力影响较小,因此建议在搅动流流态下使用涡流工具。

3 结论

(1) 通过对不同流态下流体经过涡流工具前、后的流场变化进行分析,得出涡流工具的主要作用机理是对流体能量进行转化,将部分静压转化为动压,且动压增量用于提供流体的切向速度,使流体气液相被有效分离。

(2) 相比于段塞流和环状流,搅动流流体经过涡流工具后截面持液率降低,有效提高了气体的携液能力,因此涡流工具在搅动流下使用效果最佳。

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石怡帆, 颜廷俊, 赵栩鹤
Shi Yifan, Yan Tingjun, Zhao Xuhe
气井排液用涡流工具在不同流态的适用性研究
Study on Feasibility of the Vortex Tool for Gas Well Fluid Drainage in Different Flow Regimes
石油机械, 2018, 46(11): 116-120
China Petroleum Machinery, 2018, 46(11): 116-120.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.11.019

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收稿日期: 2018-06-02

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