泡沫排水采氣井強(qiáng)化排采裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃 斌，王思琪，郭軼聞，丁 琦，張 璐，唐博強(qiáng)，郭 偉，鄒 澈

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 166318；2.揭陽中石油昆侖燃?xì)庥邢薰荆瑥V東 揭陽 515300；3.中國石化銷售股份有限公司湖北荊州石油分公司，湖北 荊州 434000)

0 引 言

油氣田開發(fā)過程中，泡沫起著非常重要的作用，如泡沫壓裂[1-6]、泡沫驅(qū)油[7-12]以及泡沫排水采氣等技術(shù)。泡沫排水采氣技術(shù)[13-22](以下簡稱為泡沫排采技術(shù))是天然氣開采過程中防止井筒內(nèi)液相滯留，改善或維持氣井生產(chǎn)能力的有效工藝之一。在泡沫排采技術(shù)的相關(guān)研究中，關(guān)于強(qiáng)化泡沫排采的研究比較多。Turner[23]基于氣井連續(xù)排液理論，得到了利用氣井井口壓力求解連續(xù)排液的最小流速諾模圖，為優(yōu)選排采管柱奠定了理論基礎(chǔ)。Yi等[24]利用三維模型對(duì)直井段內(nèi)泡沫排采的流體流動(dòng)特征進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種脈沖式排水管柱。不過由于氣體的壓縮性較強(qiáng)，僅采用脈沖式排水管柱很難達(dá)到高效排液效果。Du等[25]利用Fluent軟件的多相流流體動(dòng)力學(xué)模型，研究井筒內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)路徑，并設(shè)計(jì)了改善氣井水平段內(nèi)流場的渦流工具。在之前的研究中，學(xué)者們主要是對(duì)水平井段排液管柱進(jìn)行改進(jìn)，少有對(duì)垂直井段進(jìn)行研究。為此，通過建立排采管柱內(nèi)的氣體-泡沫流耦合模型，對(duì)泡沫排采井垂直井段的液相滯留結(jié)構(gòu)和二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了強(qiáng)化排采管柱的實(shí)用性。

1 液相滯留器工作原理

在泡沫排采過程中，井筒內(nèi)泡沫流會(huì)發(fā)生破裂現(xiàn)象，形成的液相沿井筒壁向下流動(dòng)，嚴(yán)重影響泡沫流的遷移。液相滯留器是防止液相下流的有效手段之一。垂直井段液相滯留器的工作原理如圖1所示。

圖1 垂直井段液相滯留器工作原理示意圖

由圖1可知：在垂直井段中，正向泡沫流在從井筒底部流動(dòng)到頂部的長距離運(yùn)移過程中會(huì)發(fā)生破裂，泡沫破裂后生成的液流會(huì)沿著井壁沉降下來，井筒壁上的液相滯留結(jié)構(gòu)可以將井筒壁面的液相存儲(chǔ)起來，阻止其向下運(yùn)移。垂直井段液相滯留器雖然能減少液相滯留，但也影響了正向泡沫流的流動(dòng)，使泡沫流運(yùn)移的流動(dòng)阻力增大，一部分泡沫會(huì)進(jìn)入到液相滯留器內(nèi)，進(jìn)而降低液相滯留器對(duì)液相的滯留效果。對(duì)于這一現(xiàn)象，需要對(duì)目前的液相滯留器進(jìn)行改進(jìn)，將其與二次發(fā)泡裝置結(jié)合形成一種多級(jí)液相滯留發(fā)泡裝置，將普通液相滯留器的雙向滯留優(yōu)化為單向滯留，大幅度降低逆向泡沫流的流量。同時(shí)在二次發(fā)泡裝置中，正向氣流會(huì)沿著起泡結(jié)構(gòu)在夾縫處快速運(yùn)動(dòng)，與滯留槽內(nèi)的液相作用產(chǎn)生二次發(fā)泡，進(jìn)一步抑制液相的反向流動(dòng)。下文基于有限元分析法對(duì)液相滯留器與二次發(fā)泡裝置進(jìn)行優(yōu)選。

2 天然氣井筒內(nèi)泡沫流動(dòng)模型

使用COMSOL軟件建立天然氣井筒內(nèi)氣體-泡沫流動(dòng)耦合模型，對(duì)泡沫排采井垂直井段的液相滯留器和二次發(fā)泡裝置進(jìn)行數(shù)值模擬。

井筒中的液相由氣體攜帶，氣液流動(dòng)方程為：

(1)

ρ▽·u=0

(2)

K=μ[▽u+(▽u)T]

(3)

ρ=ρ1+(ρ2-ρ1)φ

(4)

μ=μ1+(μ2-μ1)φ

(5)

式中：ρ為氣液體系的密度，kg/m3；μ為氣液體系的動(dòng)力黏度，N·s/m2；u為氣液體系的速率，m/s；p為壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；F為氣液兩相之間的表面張力，N/m；t為時(shí)間，s；I為單位張量；K為黏性應(yīng)力，N/m2；T為溫度，K；ρ1、ρ2分別為氣體密度與液體密度，kg/m3；μ1、μ2分別為氣體黏度與液體動(dòng)力黏度，N·s/m2；φ為液相體積分?jǐn)?shù)；▽為哈密頓算子。

井筒內(nèi)氣液分布特征滿足關(guān)系式：

(6)

式中：γ為氣液體系流速的最大值，m/s；εls為氣液兩相間界面的厚度，m。

氣液兩相間界面的表面張力也會(huì)影響泡沫的穩(wěn)定性，其計(jì)算公式為：

F=σδκnint+δ▽sσ

(7)

κ=-▽nint

(8)

(9)

式中：σ為表面張力系數(shù)，N/m；δ為僅在流體界面處非零的狄拉克函數(shù)；к為氣液兩相間界面的曲率，m-1；▽s為界面切線方向向量；nint為界面法向量；nintJ為流體流動(dòng)方向向量。

3 液相滯留器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為研究井筒內(nèi)液相在不同形態(tài)滯留器中的滯留效果，選取了矩形、波浪形及鋸齒形滯留器進(jìn)行有限元模擬(圖2)。對(duì)于液相滯留器，評(píng)價(jià)其效果的主要因素是對(duì)液相的滯留能力，但也需考慮正向運(yùn)移流體所受的流動(dòng)阻力。因此，分別從液相滯留效果和泡沫流正向運(yùn)移阻力2個(gè)方面對(duì)不同結(jié)構(gòu)滯留器的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)滯留器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。3種不同類型滯留器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，l=1200 mm，w=2.5 mm，h=1 mm。

圖2 滯留器結(jié)構(gòu)示意圖

油管半徑為17 mm，流體以0.3 m/s的流速從油管底部流入，0 ms時(shí)液相位于滯留器底部位置，模擬時(shí)間為180 ms，時(shí)間步長為0.2 ms，液相滯留器中不同時(shí)間的氣相體積分?jǐn)?shù)見圖3。

圖3 不同類型的液相滯留器對(duì)液相的滯留能力

在有限元模擬過程中發(fā)現(xiàn)，液相進(jìn)到井筒后會(huì)逐步分散成小液滴，并進(jìn)到泡沫流正向運(yùn)移速度較高的井筒中部區(qū)域，此時(shí)，小液滴在高速泡沫流攜帶下會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)移，形成被泡沫二次攜帶的效果。由圖3可知：在波浪形滯留器內(nèi)，受氣相攜帶的影響，滯留的液相會(huì)在滯留器內(nèi)生成相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，液相不會(huì)向下運(yùn)移，說明波浪形滯留器擁有很強(qiáng)的儲(chǔ)液能力(圖3a)。在矩形滯留器內(nèi)，液相會(huì)向下逐漸運(yùn)移至井筒中(圖3b)。這是因?yàn)榫匦谓Y(jié)構(gòu)不僅阻礙了液相的負(fù)向移動(dòng)，同時(shí)也使泡沫流的正向運(yùn)移受阻，說明矩形滯留器無法達(dá)到滯留液相的效果。鋸齒形滯留器內(nèi)的情況不同于波浪形滯留器內(nèi)液相的穩(wěn)定狀態(tài)，也不同于矩形滯留器內(nèi)的分散小液滴逐漸向井筒中部運(yùn)移狀態(tài)；鋸齒形滯留器里的液相不穩(wěn)定性更高,液流會(huì)沿著滯留器壁面向下運(yùn)移，回流至井底(圖3c)，此時(shí)液滴粒徑相對(duì)較大，后續(xù)液相無法將其攜帶至滯留器上部，不能實(shí)現(xiàn)有效滯留。

不同流速時(shí)滯留器入口壓力與井筒內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)見圖4。

由圖4a可知：在0.20 s內(nèi)波浪形滯留器中的氣相體積分?jǐn)?shù)呈波動(dòng)式變化且變化幅度不大，基本保持在0.828～0.834；說明滯留器內(nèi)液相在模擬時(shí)間內(nèi)并未發(fā)生明顯變化，滯留器內(nèi)氣液體系有可能已經(jīng)進(jìn)入了一種動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)，其內(nèi)的液相保持相對(duì)穩(wěn)定。不過隨著氣相流速的增大，滯留器中的氣相體積分?jǐn)?shù)明顯增大，顯然在高速氣流下氣體對(duì)液體的攜帶能力增強(qiáng)，由此判斷滯留器內(nèi)的液相在模擬后期存在向井口位置運(yùn)移的趨勢(shì)。

由圖4b、c可知：在0.20 s內(nèi)矩形滯留器與鋸齒形滯留器中的氣相體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)相似，矩形滯留器中的氣相體積分?jǐn)?shù)由0.760升至0.960左右，鋸齒形滯留器中的氣相體積分?jǐn)?shù)由0.850升至0.970左右；隨著氣相體積增加,滯留器中的液相不斷減少，可以判斷氣相體積分?jǐn)?shù)增大是因?yàn)闇羝髦械囊合嘌刂诿嫦蛳逻\(yùn)移且移動(dòng)速度較快(圖3b、c)。在不同注入速度下，滯留器中的氣相體積分?jǐn)?shù)變化相差不大，說明在此流速范圍內(nèi)，流體流動(dòng)狀態(tài)基本穩(wěn)定；在矩形滯留器中，低流速情況下氣相體積分?jǐn)?shù)有更大的增幅，因此，在低流速下更難實(shí)現(xiàn)對(duì)液相的滯留。但在其他的流速條件下，氣相體積分?jǐn)?shù)變化情況相近，且都低于流速為0.005 m/s時(shí)的氣相體積分?jǐn)?shù)，因此，阻止矩形滯留器內(nèi)液相快速向下運(yùn)移的最低流速為0.010 m/s。

圖4 不同類型滯留器內(nèi)的氣相體積分?jǐn)?shù)及入口處壓力隨時(shí)間的變化

兩相流體在不同類型的滯留器中流動(dòng)時(shí)，滯留器入口壓力會(huì)發(fā)生變化。由圖4d可知：滯留器入口處壓力呈波動(dòng)式增大，與對(duì)圖4a的分析相同，液相在滯留器內(nèi)處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，不會(huì)向上或向下運(yùn)移。除此之外，在不同流速下，在0.10～0.20 s時(shí)壓力呈穩(wěn)定狀態(tài)，壓力基本穩(wěn)定在3.3～4.0 Pa，流動(dòng)阻力相對(duì)較低。

由圖4e可知：對(duì)于矩形滯留器，改變流速對(duì)入口壓力沒有太大影響，在初始時(shí)刻入口壓力比較低，在0.02～0.12 s時(shí)，滯留器入口壓力呈現(xiàn)一個(gè)先增大后減小的趨勢(shì)，最后逐漸穩(wěn)定。在該時(shí)間段內(nèi)，入口處的壓力最大能夠達(dá)到37.0 Pa左右，遠(yuǎn)比波浪形滯留器中的入口壓力大。其原因?yàn)椋河捎跍羝髦写嬖跉庖簝上嗔鳎合嘣?.00～0.02 s時(shí)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，但在0.02～0.12 s時(shí)滯留器中的液相逐漸開始分散，液滴停留在滯留器中部，增大了流動(dòng)阻力；隨著液相聚集向下流動(dòng)，最后液相幾乎被排凈，壓力穩(wěn)定在4.0～12.0 Pa。

由圖4f可知：鋸齒形滯留器入口壓力變化與矩形滯留器相似，這是因?yàn)檫@2種滯留器都不能對(duì)液相實(shí)現(xiàn)高效滯留，隨時(shí)間延長液相逐步分散，在滯留器內(nèi)向上或向下運(yùn)移。對(duì)比以上數(shù)據(jù)可知，3種滯留器的入口壓力由大到小為：鋸齒形滯留器、矩形滯留器、波浪形滯留器。

4 二次發(fā)泡裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

井筒內(nèi)泡沫破碎后產(chǎn)生的液相暫時(shí)滯留在凹槽內(nèi)，但后續(xù)的液流會(huì)繼續(xù)回流至井底，導(dǎo)致液相無法長久滯留。因此，需對(duì)滯留的液相進(jìn)行二次發(fā)泡，使其和泡沫流重新聚合，維持井筒里含有大量的泡沫流。初步設(shè)計(jì)了如圖5(紅色箭頭為泡沫流的流向；泡沫流流經(jīng)的通道為滯留壁夾縫)所示的3種二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖5 不同類型二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于井筒內(nèi)的泡沫流，發(fā)泡效率有可能隨著氣液流動(dòng)特征復(fù)雜性升高而升高。根據(jù)建立的二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)，結(jié)合氣液兩相流模型，得到不同類型二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)中的液相體積分?jǐn)?shù)分布(圖6)，以此觀察發(fā)泡特征。

圖6 不同類型二次發(fā)泡結(jié)構(gòu)的發(fā)泡效果

由圖6可知：氣體在經(jīng)過滯留壁夾縫后進(jìn)入液相的過程中會(huì)生成氣泡，且在初始時(shí)刻氣泡會(huì)穩(wěn)定產(chǎn)出，直到進(jìn)入滯留器上壁處時(shí)發(fā)生分散，此時(shí)滯留器內(nèi)氣泡開始向左或向右運(yùn)移；在入口流速相同的情況下，梯形發(fā)泡結(jié)構(gòu)中的氣液體系可以達(dá)到更高的流速，但從發(fā)泡效果來看并無顯著的變化，說明單純提升流動(dòng)速度可能很難實(shí)現(xiàn)高效發(fā)泡(圖6a)。梯形發(fā)泡結(jié)構(gòu)內(nèi)的高速流可以攜帶液相，導(dǎo)致滯留器內(nèi)的液相更快流失(圖6b、c)。

在上述模擬分析中，較難通過觀察發(fā)泡效果來優(yōu)選發(fā)泡結(jié)構(gòu)。因此，選擇一個(gè)界面位置(圖6中橫線處)，通過界面位置處氣相體積分?jǐn)?shù)的波動(dòng)來獲取產(chǎn)生的氣泡數(shù)量，并利用產(chǎn)生的氣泡數(shù)量優(yōu)選發(fā)泡結(jié)構(gòu)。模擬曲線如圖7所示。圖7中，曲線的每一個(gè)波動(dòng)代表產(chǎn)生一個(gè)氣泡。

由圖7可知，產(chǎn)生泡沫效果較好的發(fā)泡器是脈沖梯形發(fā)泡器及矩形發(fā)泡器。脈沖梯形發(fā)泡器發(fā)泡效果最佳，在0.5 s內(nèi)可產(chǎn)出8個(gè)氣泡；其次為矩形發(fā)泡器，在0.5 s內(nèi)產(chǎn)出7個(gè)氣泡；梯形發(fā)泡器發(fā)泡效果最差，在0.5 s內(nèi)僅產(chǎn)出6個(gè)氣泡。另外，脈沖發(fā)泡器的攜液效果更強(qiáng)(圖6)。因此，選擇脈沖梯形發(fā)泡器為泡沫排采井的液相二次發(fā)泡裝置。

圖7 橫線位置處氣相體積分?jǐn)?shù)

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上文所述研究結(jié)果，并研究井筒內(nèi)泡沫的移動(dòng)機(jī)理，利用圖8所示的實(shí)驗(yàn)裝置開展泡沫排采實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：強(qiáng)化排采裝置設(shè)置在井筒下部2/5的位置；井筒底部注入壓力為1.0、1.5、2.0、2.5 MPa；初始液面高度為100 mm；泡沫排采的排液時(shí)間設(shè)定為從實(shí)驗(yàn)開始到液面高度降低到1 mm的時(shí)間。觀測對(duì)比下入強(qiáng)化排采裝置和未下入強(qiáng)化排采裝置時(shí)井筒內(nèi)排液速度和液面高度(圖9)。

圖8 泡沫排采實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

由圖9a可知：未下入強(qiáng)化排采裝置時(shí)，不同的壓力下井筒內(nèi)的液面高度變化差異較大，當(dāng)注入壓力為1.0～2.5 MPa時(shí)，排液時(shí)間為45～110 min，而且排液時(shí)間隨井底壓力的升高而逐步變短。其原因?yàn)椋壕讐毫^高時(shí)，氣體流速也較大，發(fā)泡速度遠(yuǎn)低于氣體的排液速度，泡沫以非均勻相存在于井筒中，氣體對(duì)泡沫的攜帶能力增強(qiáng)，排液時(shí)間變短；而在低壓條件下，井筒內(nèi)的氣體流速較小，發(fā)泡速度和氣體的排液速度相近，井筒內(nèi)的泡沫以相對(duì)均勻的相態(tài)運(yùn)移。說明對(duì)于泡沫排采技術(shù)來說，在較高的注入壓力及氣量下，其排采效率較高。

由圖9b可知：未下入強(qiáng)化排采裝置時(shí)，排液初期的排液速度較快，排液速度隨排液時(shí)間延長而顯著減小。產(chǎn)生這種情況的原因較為復(fù)雜：一是因?yàn)榕菽陨頌椴环€(wěn)定狀態(tài)，部分泡沫在排液過程中會(huì)破裂產(chǎn)生液相，該液相顯然不能被氣體進(jìn)一步攜帶，導(dǎo)致排液后期的排液效率下降；二是氣體所攜帶的泡沫流在排液初期會(huì)吸附在井壁上，并破碎生成液相，且隨排液時(shí)間增加，井壁處均被液相吸附，后續(xù)的液相無法進(jìn)一步吸附，回流至井底，致使排液后期的排液效率下降。

由圖9c、d可知：下入強(qiáng)化排采裝置時(shí)，井筒內(nèi)的液面高度不斷下降，并且在初始時(shí)刻就達(dá)到了很高的排液效率，排液速度在注入壓力為2.5 MPa時(shí)達(dá)到18.5 mm/min，在注入壓力為1.0 MPa時(shí)排液速度也達(dá)到了7.5 mm/min，說明該裝置的加入可以使排液速度得到明顯的提升，實(shí)現(xiàn)高效泡沫排采的目的。

圖9 不同井底壓力下井筒內(nèi)液面高度及排液速度隨時(shí)間的變化

6 結(jié) 論

(1) 受氣相攜帶的影響，波浪形滯留器內(nèi)的液相會(huì)生形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，液相不會(huì)向下移動(dòng)，該滯留器儲(chǔ)液能力最強(qiáng)；矩形滯留器和鋸齒形滯留器內(nèi)的液相會(huì)流進(jìn)井筒內(nèi)，并回流至井底，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)液相的有效滯留。

(2) 氣體在經(jīng)過滯留壁夾縫進(jìn)入液相的過程中會(huì)生成氣泡，且在初始時(shí)刻氣泡會(huì)穩(wěn)定產(chǎn)出，直到進(jìn)入滯留器上壁處時(shí)發(fā)生分散，單純提升流動(dòng)速度可能很難實(shí)現(xiàn)高效發(fā)泡。

(3) 脈沖梯形發(fā)泡器發(fā)泡效果最佳，在0.5 s內(nèi)可產(chǎn)出8個(gè)氣泡，且其攜液效果也較強(qiáng)。

(4) 井筒里的液面高度在加入強(qiáng)化排采裝置后不斷下降，并且在初始時(shí)刻就達(dá)到了很高的排液效率，表明該裝置的加入可以使排液速度得到明顯的提升，實(shí)現(xiàn)高效的泡沫排采。