渦流排水采氣技術數值模擬研究

李 雋李 楠李佳宜王 云曹光強

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083；2.中國石油勘探開發研究院采油所，北京 100083；3.中國石油安全環保技術研究院，北京 100083）

渦流排水采氣技術數值模擬研究

李 雋1李 楠2李佳宜3王 云2曹光強2

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083；2.中國石油勘探開發研究院采油所，北京 100083；3.中國石油安全環保技術研究院，北京 100083）

為了促進渦流排水采氣工藝在我國的推廣應用，開展了渦流工具特性的模擬研究。建立了渦流工具排液過程的數理模型，對渦流工具引發的旋流場進行了模擬研究，獲得了不同雷諾數及持液率下的氣液螺旋渦流的流場結構及特點，氣速對液膜螺旋流的影響規律，螺旋流動強度的變化規律。研究結果表明，渦流工具使氣液兩相流體調整為類環狀流動，井筒中心以連續氣柱的形式向上運動，壁面附近的液膜螺旋上升運動，這種流動結構降低了管柱摩阻，提高了氣體攜液能力。

排水采氣；渦流工具；紊流；螺旋流；仿真模擬

渦流排水采氣工藝是一種新型的排水采氣方式，是美國能源部（DOE）2001年資助的低產油田新技術研究項目之一［1］。其工作原理是無規則的氣液兩相紊流流體進入渦流工具后，加速度使得較重的液體甩向管壁，流體沿工具向上運動，變成規則的螺旋型二相層流流動，提高氣井排液能力，降低油管壓力損失。國內2011年引進該技術并進行了應用，但效果不甚理想，原因在于現場施工尚未認清渦流工具的機理。筆者采用數值模擬的方法模擬了渦流工具在井筒中的工作狀態，分析渦流流動的規律和特點，以指導渦流工具的現場應用。

1 模型建立及模型驗證

1.1 物理模型的建立

根據真實工具的數據建立渦流工具存在于油管之中的物理模型。

圖1 Fluent模型建立

1.2 多相流模型選擇

選擇歐拉模型作為多相流模型［2］，并做以下假設：

（1）來流是以液滴為主的霧狀流；

（2）來流中天然氣體積份額（0.90）遠大于液相（0.10）；

（3）流動過程中氣液兩相分布非常不均勻，流場內既有液滴也有液膜［2］。

1.3 控制方程組

從數值計算的角度，當液體以液滴形式加入氣體流體后，流體不僅受到流體內部力的作用，還受到液滴對氣體流體的作用力。引入空隙率E，對流體控制方程中的密度、黏性、源項進行修正，即可得到氣液兩相流流體相的控制方程［2］。

體積分數方程

式中，ρ為相密度，kg/m3；v為速度，m/s；τ為剪切力，N；m為質量，kg；σ為相含率，%；R為相互作用力，N；下標p，q分別代表氣相和水相。

1.4 湍流模型選擇

本文利用國外采用螺旋紐帶進行的實驗數據，在數值模擬計算中分別采用RNG和RSM的的方法計算螺旋紐帶實驗，并將之和國外實驗數據進行比較［3］。將實驗結果中角速度以及物理模型不同截面（z=150 mm，185 mm，230 mm）的軸向速度和國外實驗數據進行對比，數值模擬的結果和國外實驗數據的趨勢完全一樣，證明采用數值模擬的方法模擬渦流工具的方法是可行并且具有很高的可信度。如圖2所示，對比各條曲線的近似程度可以發現RSM模型最為適合渦流的模擬。

1.5 邊界條件設定

1.5.1 入口邊界條件 以澀北氣田真實井井況設定邊界條件。入口為速度入口邊界，為每一相指定入口速度，均為6.5 m/s。對于液相，設置入口液滴粒徑均一分布（10 μm），體積分數為0.1。氣液兩相間僅考慮相間拖曳力的作用。分離器入口視為充分發展的均勻霧狀管內流動，同時，為主相指定湍流邊界條件。

湍流強度

湍流動能

圖2 數值模擬結果和國外數據對比

式中，u'為均方速度，m/s；C為模型常量，取0.09；ReDh為以水力值為特征長度所求得的雷諾數；uavg為平均速度，m/s；l為特征長度，m。

1.5.2 出口邊界條件 出口為壓力出口邊界，認為背壓與大氣連通，相對壓力設置為0，根據內部流動外推出壓力邊界條件。

1.5.3 壁面條件 旋葉分離器內所有構件均靜止，因此壁面邊界速度無滑移、無質量加入，保留系統默認設置。

2 數值計算結果及分析

2.1 渦流規律

2.1.1 水的體積率變化 圖3是物理模型進口到模型末端水體積率分布云圖。可以看出，在工具的進口處（z=?173 mm），水以平均體積率10%分布在界面上。在工具出口處（z=0 mm），氣液兩相流體由于離心力的作用，水被甩到了管壁處，隨著距離的增加，在z=550 mm處形成一個靠近壁面穩定的液膜，而在中心區域水體積率降低，為中心氣柱。至此形成液膜以螺旋狀態存在于油管內壁，氣體以中心氣柱形式存在于油管中部［4］。

圖3 水體積率分布云圖

2.1.2 壓力分布變化 圖4為不同截面處壓力分布的云圖，可以看出，隨著距離的增加，管壁內側形成壓力較大的一層液體，而中部為壓力較小的中心氣層。從壓力分布云圖上印證了前面分析的水體積率云圖反映的螺旋規律。

圖4 壓力和水體積率分布云圖

2.2 流動規律

圖5為渦流工具后測量直管段內（z=170～570 mm）的螺旋流動。（a）為流動跡線圖，（b）為三維流線。可以看出，經過渦流工具后，井筒內無規則的氣液兩相紊流流動變成規則的螺旋型二相層流流動［5］，綠色氣體以中心氣柱存在于油管中部。

圖5 模型跡線示意圖

2.2.1 速度分布變化 分別截取模型270 mm、360 mm、450 mm、540 mm等4個截面軸向速度分布云圖和曲線圖分析速度的變化規律。從圖6可看出隨著距離的增加，中心氣柱漸漸趨于穩定［5］。圖7為不同截面軸向速度曲線圖，橫軸為截面某一點和原點之間距離的比值，縱軸為該點速度和進口處速度的比值，可以看出，z=540 mm截面中心氣速最大。圖8比較了使用渦流工具和光滑直管的中心氣速，可以看出渦流流態中心氣速要遠大于湍流氣速。

圖6 不同截面軸向速度云圖

圖7 不同截面軸向速度曲線

圖8 渦流工具和光滑直管中心氣速對比

2.2.2 壓力降變化 從圖9可以看出渦流工具可以顯著降低壓降。雖然渦流工具會造成較大的局部降，但工具后液膜環狀流壓降降低，總體上降低了氣井的壓力降。

圖9 壓降變化曲線

2.2.3 旋轉分布變化 數值模擬中一般用切向速度和軸向速度的比值來表征該點的旋轉強度的大小。分別截取370 mm、470 mm、570 mm等3個截面切向速度和軸向速度比值的分布云圖（圖10），可以看出，井壁內側顏色較深，表示該處的旋轉力較大，而中心幾乎不旋轉［6］。結合前面研究的規律，說明存在于油管內壁的液膜是以螺旋狀態向上運動，中心氣柱垂直向上。

圖10 渦流工具引發的螺旋流動中直管段不同橫截面上切向速度與軸向速度（Ut/Ua）比值的分布云圖

2.3 渦流工具工作機理

上述模擬結果表明，氣液兩相流體通過渦流工具產生極強的旋流運動（通過結果提取發現速度的增加6.5～12 m/s），使氣液兩相流流型在很短距離（550 mm）內由以液滴流動為主的霧狀流流型改變為以液膜流動為主的環狀流流型，降低了油管的壓降和臨界氣體流速；渦流工具將管內流動分為兩個區域：旋流很小而快速向上流動的中心氣核和旋流較強而向上螺旋流動的壁面液膜附近區域。

3 結論

（1）建立了渦流工具排液過程的數理模型，通過驗證該模型可以作為模擬渦流的正確模型，并對渦流工具引發的旋流場進行模擬研究。

（2）流經渦流工具后的氣液兩相流體被調整為類環狀流動，井筒中心以連續氣柱的形式向上運動，壁面附近的液膜螺旋上升運動，這種流動結構使渦流工具之后的流動壓力降遠低于光滑直管，而中心氣核的速度遠高于光滑直管，提高了氣體攜液能力。

（3）對井下渦流工具安放在氣井井筒中的排液過程進行了研究。渦流工具將液滴霧狀流轉變為液膜環狀流動，這種流動形式降低了油管的摩擦阻力，從而降低氣井的臨界流速（經過計算渦流工具使臨界氣體攜液流速降低約65%）。

（4）建議進一步開展渦流工具的室內實驗工作，做數值模擬和物理模擬結果對比分析，進一步驗證研究成果，以便于更好地指導現場施工作業。

［1］ ALI A J, SCOTT S L, FEHN B. Investigation of new tool to unload liquids from stripper-gas wells［R］. SPE 84136, 2003.

［2］ 趙玉新.FLUENT技術基礎及應用實例［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［3］ SURENDRA M, FALCONE G, TEODORIU C. Investigation of swirl flows applied to the oil and gas industry ［R］. SPE 115938, 2008.

［4］ 楊川東.采氣工藝［M］.北京：石油工業出版社，1977.

［5］ 杜堅，周潔玲. 深井低壓底水超聲排水采氣方法研究［J］.天然氣工業，2004，24（6）：86-88.

［6］ 周際永，伊向藝，盧淵.國內外排水采氣工藝綜述［J］.太原理工大學學報，2005，36（S0）：44-45，51.

（修改稿收到日期 2013-10-22）

〔編輯 朱 偉〕

Numerical simulation research on eddy current drainage gas recovery technology

LI Jun1, LI Nan2, LI Jiayi3, WANG Yun2, CAO Guangqiang2

（1. School of Energy Resources, China University of Geosciences（Beijing）, Beijing 100083, China; 2. Petro China Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China; 3. CNPC Research Institute of Safety & Environment Technology, Beijing 100083, China）

In order to facilitate the eddy current drainage gas recovery technology being widely used in China, simulation research on eddy current instrument characteristics was carried out. The mathematical model of eddy current tools draining process was established to study the eddy field triggered by the cyclone of the tools. The simulation figured out the flow field structure and characteristics of gas-liquid spiral vortex flow under different Reynolds numbers and liquid holdup conditions; besides, the influence of gas velocity on liquid membrane spiral flow and variation of spiral flow intensity also obtained from the simulation results. The study had revealed that the gas-liquid two-phase fluid was transformed into kind of annular flow by vortex tools, and the center of the wellbore moved up in a continuous form of gas column accompanied liquid membrane near the wall spiral upward movement. These flow structures reduce string friction and improve gas liquid carrying capacity.

gas well production with water withdrawal; eddy current; turbulent flow; spiral flow; analogue simulation

李雋，李楠，李佳宜，等. 渦流排水采氣技術數值模擬研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（6）：65-68.

TE37

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0065 – 04

中國石油勘探開發研究院科研項目“井下渦流助排技術機理研究及工具研發”（編號：2012Y-049）。

李雋，1971年生。中國地質大學（北京）在讀博士，主要從事采油氣工程技術研究。電話：010-83593079。E-mail：lij69@ petrochina.com.cn。