天然气井涡流工具排水采气数值模拟

第４４卷第８期　２０１　５年８月　当　代　化　工　

Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ＶＯ］．４４．Ｎｏ．８　

Ａｕｇｕｓｔ，２０１　５　

天然气井涡流工具排水采气数值模拟　王春生，田明磊，徐玉建，董国庆，仪记敏，孟珊　（东北石油大学石油工程学院，大庆黑龙江１６３３１８）　

摘　要：　天然气井累积液量过多是天然气开采所面对的一个重大问题。涡流排水工艺结构简单、施工方　便、环保高效，对解决气井积液有很好的应用前景。目前，针对天然气井中涡流排水采气机理及其内部流体流　动规律仍缺少理论方面的研究。因此，为了更深入的了解井下天然气流场的一般规律、验证排液采气机理，在　此基础上建立了涡流工具的三维立体模型，并使用流体动力学常用计算方法，通过使用Ｆｌｕｅｎｔ多相流ｍｉｘｔｕｒｅ　模型对井内流体流动进行数值模拟计算。通过观测井端出口处液体含量以及径态分布规律，观察气液两相流状　态及流动轨迹，并分析了涡流工具对天然气井流场的影响规律。揭示涡流工具工作机理，推动认识涡流排水采　气工艺的本质，为工艺工况优选提供依据和方向，为涡流排水技术的应用及动力学模拟奠定理论基础。　关键词：气井积液；涡流排水；多相流；数值模拟　中图分类号：ＴＥ　３５７　文献标识码：　Ａ　文章编号：　１６７１—０４６０（２０１５）０８—１９６９—０３　

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｖｏｒｔｅｘ　Ｔｏｏｌｓ　Ｄｒａｉｎａｇｅ　Ｇａｓ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｏｆ　Ｇａｓ　Ｗｅｌｌｓ　ＷＡＮＧ　Ｃｈｕｎ—ｓｈｅｎｇ，ＴＩＡＮＭｉｎｇ－ｌｅｉ，ＸＶＹｕ－ｊｉａｎ，ＤＯＮＧ　Ｇｏｕ—ｑｉｎｇ，　・ｒａｉｎ，ＭＥＮＧ　Ｓｈａｎ　（Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｄａｑｉｎｇ　１６３３１８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｏｆ　ｇａｓ　ｗｅｌｌ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｓｓｕｅ　ｉｎ　ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ．Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃ　ｏｆ　ｖｏｒｔｅｘ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｅｆｆｕｓｉｏｎ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｔｏｏｌ　ｉｓ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｔＯ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ａｎｄ　ｉｔ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃ　ｉＳ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｅｍｃｉｅｎｔ．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｏｒｔｅｘ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｆｌｕｉｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｓｔｉｌｌ　ｍｉｓｓｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｂｅｔｔｅｒ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｒｕｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｏｗｎｈｏｌｅ　ｎａｔｕｒａｌ　ａｉｒｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．ａ　ｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｖｏｒｔｅｘ　ｔｏｏｌｓ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ　ｆｌｏｗ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　Ｆｌｕｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ａｎｄ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ．Ｂｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｅｌｌｈｅａｄ　ｌｉｑｕｉｄ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｒａｄｉａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．ａｎｄ　ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇａｓ—ｌｉｑｕｉｄ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｔｈ　ｌｉｎｅ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｖｏｒｔｅｘ　ｔｏｏｌ　ｏｎ　ｇａｓ　ｗｅｌｌ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｒｅｖｅａｌｓ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｖｏｒｔｅｘ　ｔｏｏｌｓ　ａｎｄ　ｆａｃｉｌｉｔａｔｅｓ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｏｒｔｅｘ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｏｒｔｅｘ　ｄｒａｉｎａｇｅ　

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｇａｓ　ｗｅｌｌ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｏａｄｉｎｇ；Ｖｏｒｔｅｘ　ｄｒａｉｎａｇｅ；Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ　ｆｌｏｗ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

作为清洁能源，天然气消费量逐年激增，天然　气工业迎来迅速发展的新契机…。然而，深度开采　天然气所面临的最重要问题就是气井累积液量过　多，井底累积液量过多造成天然气井产液量的降低　甚至停产，严重影响着气田产量的高效开采，降低　了天然气井开采时间和气藏的最终采收率Ｌ２Ｊ。针对　气井累积液量过多问题通常运用泡排、气举、电潜　泵、射流泵等排水采气工艺Ｌ３Ｊ。由美国能源部开发　研制的新型工艺　‘涡流排水采气工艺”在２００５年　实验测试取得良好效果后，这种节能环保的高效排　液技术进入人们的视野【４Ｊ。到目前为止，针对涡流　工具排水采气机理，仍一直缺少理论方面的研究和　证明。因此，为进一步了解涡流工具井下流场情况，　验证其排水采气效果，分析并预测采用涡流排水采　收稿日期　作者简介　通讯作者　气工艺的合理工况和最佳生产参数，本文基于计算　流体动力学（ＣＦＤ）方法，应用Ｆｌｕｅｎｔ软件对使用　涡流排水采气工艺的天然气井进行数值模拟计算。　

１气井携液理论液滴模型　图１为建立的小液滴模型，我们假设井内气流　向上运动时所携带的小液滴为球形，并对小球做受　力分析，从而推导出井中气流向上运动时能携带小　液滴运动的最小流速公式。　

Ｉ　Ｆ　

图１球形液滴　Ｆｉｇ．１　Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｄｒｏｐｌｅｔｓ　

２０１　５－０１－３０　王春生（１９７７－），男，副教授，博士，在站博士后，现从事于热流固耦合数值计算及稠油油藏开发方面的研究。电话　

Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｃｓｆｃｊ＠１６３．ｃｏｍ。　田明磊，男，在读硕士，现从事复杂流体计算。Ｅ－ｍａｉｌ：４５４７７４７７０＠ｑｑ．ｃｏｍ。　第４４卷第８期　王春生，等：天然气井涡流工具排水采气数值模拟　ｌ９７１　拟条件下气井日产气１　０４　ｍ　／ｄ时涡流排水工艺对于　提高携液效果最佳。当日产气量超过一定值时，不　依靠涡流工具气井自身气流速度就已具备足够的携　液能力完成排液，此时下入涡流工具反而会损耗气　井压能而不利于生产。　日产气量／（万ｍ　・ｄ。）　图５出口增液率与日产气量关系曲线　Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｅｖｅｒｙ　ｄａｙ　３．２井底进液量对排液效果的影响　天然气井底进液量对气井携液同样有着重要　影响。固定日产气５　０００　ｍ３／ｄ，分别计算井底进液　量１、２、３、４、５　ｍ３／ｄ情况下使用涡流工具井与未　使用涡流工具的普通气井井口出液情况（图６）。　－　簪　娶　口　茁　井底进液量／（万ｎｌ’・　）　图６　出口增液率与井底进液量关系曲线　Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｉｎｔｏ　ｂｏｔｔｏｍ　ｈｏｌｅ　通过计算结果可以得出的结论是：天然气井井　底进液量对气体携液效果有着重要影响。当井底进　液量高于３　ｍ３／ｄ时，气井中的水就已经不能完全从　井口排出，气井积液，井口出液骤减。此时使用涡　流工具可以明显起到提高携液的效果，且进液量越　大，出口增液率越高。井底进液量５　ｍ３／ｄ时，出口　增液率高达４２．５％。井底进液量低于３　ｍ３／ｄ时可不　采用涡流排水工艺便可正常生产。　３．３气中含水液滴直径对排液效果的影响　含水天然气中的水主要以小液滴的形式存在，　液滴粒径的大小直接影响着小液滴聚并回落井底的　几率和气流临界携液流速的大小。固定日产气５　０００　ｍ３／ｄ，井底进液２　ｍｓ／ｄ，分别计算进液液滴直径０．０ｌ，　Ｏ．０３ｍｍ，Ｏ．０５，Ｏ．０７，０．０９　ｍｍ情况下涡流排水井　与同条件下一般气井井口出液量，计算不同进液液　滴直径涡流排水工艺提高携液的情况（图７）。　

斟　避　磐　口　吾ｉ　

图７液滴直径与出口增液率关系曲线　Ｆｉｇ．７　Ｔｈｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｄｒｏｐｌｅｔ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｉｔ　

通过对气井中流体不同液滴直径工况下使用　涡流工艺排水的计算结果可得出结论：含水气井流　体中液滴直径小于０．０３　ｍｌＩｌ时，涡流工具排液效果　并不显著，甚至不如同条件未下人涡流工具的普通　气井；液滴直径大于０．０５　ｆｉｌｍ时，下人涡流工具的　天然气井比同条件普通气井携带出更多液体；液滴　直径越大，即井中气体湿度大，含水多，此时涡流　排水采气对于提高携液效果越显著。　

４结论及建议　本文主要运用涡流工具对气井进行排水采气并　运用流体动力学计算方法针对气井中流体的运动规　律进行模拟计算，研究分析了其内部流场的一般规　律，验证了涡流排水采气的机理，并模拟计算各工况　条件下涡流工具排液效果，得出以下结论和建议：　（１）气井中的含水天然气经涡流工具作用，　以气液两相分层流动的形态螺旋上行，液相集中在　井筒外围，气体则在井筒中心流动，流体湍流强度　减弱。　（２）应用涡流工具的气井与其他气井相比气　流能携带出更多的液体。效果好的气井增加排液量　达１０％以上。　（３）涡流排水采气工艺可应用于由于井简或　井底累积液量过多导致产量下降的气井，液相粒径　大于０．０５　ｍｒｎ时，涡流工具排水采气效果明显，液　滴的直径越大，提高携液效果越好。　（４）应用涡流排水采气工艺要求气井具有一定　的自喷能力，即流体应有一定的流速来保证携液能力　的提升，日产气能力应高于２　５００　ｍ３／ｄ，日产气１０４　

ｍ３／ｄ时，应用此工艺排液效果最佳。（下转第１９７６页）