周 朝,吳曉東,張同義,趙 旭

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

渦流排液采氣是一種新型排采工藝，該工藝通過渦流工具在井筒中形成氣液兩相渦流流動(dòng)，利用氣井自身能量排液，解決井筒積液問題[1-2]。渦流排液采氣工藝在美國、澳大利亞等國家進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用[3-5]，在我國蘇里格氣田和雅克拉-大澇壩氣田等多個(gè)氣田也進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用[6-8]。一些氣井應(yīng)用渦流工具后增產(chǎn)效果明顯，另外一些氣井則未達(dá)到預(yù)期效果，說明目前渦流工具的應(yīng)用存在盲目性，對(duì)渦流排液的機(jī)理和適用性認(rèn)識(shí)不清。

研究人員通過物理模擬實(shí)驗(yàn)觀測和分析了渦流工具的排液效果[9-10]。但是，目前對(duì)渦流工具螺旋角的研究較多[11-14]，而關(guān)于螺旋流道寬度和密封性對(duì)排液效果影響的研究則鮮有報(bào)道。同時(shí)，目前得到的渦流工具螺旋角優(yōu)化值受限于特定的實(shí)驗(yàn)條件，缺乏理論模型的指導(dǎo)，螺旋角優(yōu)化結(jié)果存在很大的局限性。為此，筆者開展了渦流排液采氣物理模擬實(shí)驗(yàn)，分析了渦流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排液效果的影響，以及渦流工具對(duì)臨界攜液流量的影響，提出并驗(yàn)證了最優(yōu)螺旋角理論模型，以期為渦流工具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和現(xiàn)場應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

排液采氣渦流工具實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。模擬井筒為高8.00 m、內(nèi)徑60.0 mm的透明有機(jī)玻璃管。供氣裝置為螺桿式空氣壓縮機(jī)，用恒壓自來水供液。氣體和液體在模擬井筒底部混合后流經(jīng)渦流工具。采用質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量氣體流量，采用水表計(jì)量液體流量。為了準(zhǔn)確記錄井筒壓降，在模擬井筒的底部至頂部共布置5個(gè)測壓點(diǎn)。流量、溫度和壓力數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄。由于井筒多相流受慣性力和重力的影響比黏性力大，因此取弗勞德數(shù)為實(shí)驗(yàn)相似準(zhǔn)數(shù)。

圖1 渦流工具實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental facilities for the vortex tool

實(shí)驗(yàn)加工了4種不同結(jié)構(gòu)的渦流工具(主要由螺旋體和導(dǎo)流錐組成)，分別為原渦流工具、30°渦流工具、45°渦流工具和55°渦流工具(30°、45°和55°為螺旋角度)，如圖2所示。原渦流工具的主要特點(diǎn)為螺旋流道的流動(dòng)截面大，并且流道兩側(cè)沒有密封，其他3種渦流工具的主要區(qū)別為螺旋角度不同。渦流工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 加工的渦流工具示意Fig.2 Schematic diagram of manufactured the vortex tool

表1 渦流工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of the vortex tool

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 渦流流動(dòng)形態(tài)

渦流工具結(jié)構(gòu)合理時(shí)，流體流經(jīng)渦流工具后會(huì)形成明顯的渦流流動(dòng)。安裝45°渦流工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀測井筒渦流流動(dòng)形態(tài)，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,流動(dòng)螺旋線切線與徑向方向的夾角約等于渦流工具螺旋角，液膜寬度約等于渦流工具螺旋流道槽寬。

2.2 井筒壓降

井筒無渦流工具和安裝不同渦流工具時(shí)，在氣體流量分別為200，400，600，800和1 000 L/min條件下，調(diào)節(jié)進(jìn)入井筒的液體流量，使井底壓力穩(wěn)定在30 kPa左右。流動(dòng)穩(wěn)定后，記錄井筒各測壓點(diǎn)處的壓力，得到井筒壓降曲線,如圖4所示。

圖4 不同氣體流量下的井筒壓降曲線Fig.4 Wellbore pressure drop curves under different gas flow rates

由圖4可知，30°渦流工具和45°渦流工具的井筒壓降小于未使用渦流工具時(shí)的井筒壓降，說明30°渦流工具和45°渦流工具可以降低井筒流動(dòng)能耗，排液效果好。氣體流量較小時(shí)，55°渦流工具的井筒壓降略小于未使用渦流工具時(shí)的井筒壓降，節(jié)能效果不明顯；氣體流量較大時(shí)，55°渦流工具反而對(duì)排液不利，這是因?yàn)?5°渦流工具產(chǎn)生的離心力較小，無法有效減小流動(dòng)能耗。原渦流工具的井筒壓降大于未使用渦流工具時(shí)的井筒壓降，排液效果最差，這是因?yàn)樵瓬u流工具的螺旋流道過寬，對(duì)流體加速作用小，流體無法獲得足夠的動(dòng)能；此外，流道兩側(cè)無密封，流體從渦流工具與管壁間的縫隙處向上竄流，增加了流動(dòng)能耗。

氣體流量較小時(shí)，與未使用渦流工具時(shí)相比，30°渦流工具和45°渦流工具的井筒壓降降幅較大，排液效果較好；隨著氣體流量增大，氣體攜液能力增強(qiáng)，渦流工具的井筒壓降降幅變小。當(dāng)氣體流量大于臨界攜液流量時(shí)，無需安裝渦流工具也可依靠氣體能量有效排液。

從井筒壓降角度評(píng)價(jià)排液效果優(yōu)劣：45°渦流工具>30°渦流工具>55°渦流工具>原渦流工具。與未使用渦流工具相比，45°渦流工具的井筒壓降降幅平均為9.6%。

2.3 流量曲線

未使用渦流工具和安裝不同渦流工具時(shí)，在不同氣體流量下調(diào)節(jié)進(jìn)入井筒的液體流量，使井底壓力穩(wěn)定在30 kPa左右。流動(dòng)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)的液體流量，得到如圖5所示的流量曲線。

圖5 不同氣體流量下的液體流量曲線Fig.5 Liquid flow rate curves under different gas flow rates

由圖5可知，30°渦流工具和45°渦流工具的排液量大于未使用渦流工具時(shí)的排液量，說明30°渦流工具和45°渦流工具的排液效果好。隨著氣體流量增大，55°渦流工具的排液量先大于未使用渦流工具時(shí)的排液量、隨后小于未使用渦流工具時(shí)的排液量，說明55°渦流工具排液效果較差。原渦流工具的排液量小于未使用渦流工具時(shí)的排液量，排液效果最差。

氣體流量較小時(shí)，與未使用渦流工具相比，30°渦流工具和45°渦流工具的排液量增幅較大，排液效果較好；隨著氣體流量增大，渦流工具排液量的增幅越來越小。當(dāng)氣體流量大于臨界攜液流量時(shí)，無需安裝渦流工具也可有效排液。

從排液量角度評(píng)價(jià)排液效果優(yōu)劣：45°渦流工具>30°渦流工具>55°渦流工具>原渦流工具。與未使用渦流工具相比，45°渦流工具的排液量增幅平均為12.4%。

2.4 臨界攜液流量

井筒安裝45°渦流工具或30°渦流工具時(shí)，調(diào)節(jié)井口節(jié)流閥的開度，使進(jìn)入井筒的氣體能夠?qū)⒕仓械囊后w全部排出，流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定。減小氣體流量，直至井筒中的液膜出現(xiàn)明顯下落，井底壓力短時(shí)間內(nèi)明顯增大;隨后稍微增大氣體流量，當(dāng)井筒中的液膜保持穩(wěn)定滯止?fàn)顟B(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的氣體流量為臨界攜液流量。改變節(jié)流閥開度，重復(fù)測試，記錄不同井底壓力下的臨界攜液流量，并與理論攜液流量模型計(jì)算結(jié)果[15-18]進(jìn)行比較，結(jié)果見圖6。

圖6 臨界攜液流量曲線Fig.6 Critical flow rate curves

由圖6可知，45°渦流工具的臨界攜液流量略小于30°渦流工具的臨界攜液流量，并小于各理論攜液流量模型計(jì)算結(jié)果。李閩模型對(duì)現(xiàn)場氣井的積液預(yù)測精度最高，因此以李閩臨界攜液流量作為井筒積液的判斷依據(jù)[19]。與李閩模型的臨界攜液流量相比，45°渦流工具的臨界攜液流量平均降低20.8%。因此，氣體流量大于80%李閩模型臨界攜液流量時(shí)，應(yīng)用優(yōu)化后的渦流工具可以有效排液。

3 渦流工具螺旋角優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)條件下得到的最優(yōu)螺旋角受實(shí)驗(yàn)參數(shù)的限制，具有一定的局限性，因此需要建立具有普遍適用性的最優(yōu)螺旋角理論模型，根據(jù)氣井實(shí)際情況計(jì)算不同生產(chǎn)參數(shù)下的最優(yōu)螺旋角，合理優(yōu)化渦流工具。為此，利用流體動(dòng)力學(xué)分析方法，建立了最優(yōu)螺旋角理論模型。

3.1 最優(yōu)螺旋角理論模型

根據(jù)兩相流體動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)井筒渦流場中的液滴進(jìn)行了受力分析，并對(duì)各項(xiàng)作用力進(jìn)行了量級(jí)比較[20]，進(jìn)而得到了渦流場液滴所受垂向合力(垂直向上為正方向)：

Fsumz=Fb-FG+Fcsinθh+Fdsinθh

(1)

式中：Fsumz為液滴所受垂向合力，N；Fb為液滴所受浮力，N；FG為液滴所受重力，N；Fc為液滴所受離心力，N；θh為渦流工具螺旋角，(°)；Fd為液滴所受氣體曳力，N。

式(1)中各力的表達(dá)式為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：dp為液滴直徑，m；g為重力加速度，m/s2；ρg為氣相密度，kg/m3；ρl為液相密度，kg/m3；vl為液滴速度，m/s；vg為氣相速度，m/s；r為液滴與管道軸心間的徑向距離，m；CD為阻力系數(shù)。

將式(2)—式(5)代入式(1)，并將Fsumz對(duì)θh求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，得到液滴所受垂向合力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的螺旋角θh0，即渦流工具最優(yōu)螺旋角：

(6)

(7)

(8)

式中：θh0為渦流工具最優(yōu)螺旋角，(°)。

液滴直徑采用渦流場最大穩(wěn)定液滴直徑公式計(jì)算[21]，阻力系數(shù)根據(jù)不同雷諾數(shù)范圍下的近似公式計(jì)算[22]。

液相流動(dòng)截面約等于渦流工具螺旋流道的流動(dòng)截面，則液滴速度為：

(9)

式中：Ql為液相體積流量，m3/s；δ為渦流工具螺旋流道槽深，m；h為渦流工具螺旋流道槽寬，m。

氣相主要以氣心形式沿井筒中部向上流動(dòng)，則氣相流動(dòng)速度為：

(10)

式中：Qg為氣相體積流量，m3/s；D為井筒直徑，m。

3.2 理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的井筒壓降和流量曲線結(jié)果分析可知，45°渦流工具排液效果最好，即實(shí)驗(yàn)最優(yōu)螺旋角為45°。利用實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件，根據(jù)最優(yōu)螺旋角公式計(jì)算得到理論最優(yōu)螺旋角，并與實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)螺旋角進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。

圖7 最優(yōu)螺旋角理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Results comparison of optimal helix angle by theoretical analysis and experimental study

由圖7可知，理論最優(yōu)螺旋角為42.4°～43.2°，平均為42.8°。隨著氣體流量增大，氣體攜液能力增強(qiáng)，無需產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流即可排出積液，因此理論最優(yōu)螺旋角逐漸增大。由于實(shí)驗(yàn)中加工的渦流工具數(shù)量較少，所以不同氣體流量下的實(shí)驗(yàn)最優(yōu)螺旋角均為45°。

通過分析，理論最優(yōu)螺旋角與實(shí)驗(yàn)最優(yōu)螺旋角的最大相對(duì)誤差小于6%，可認(rèn)為理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。因此，可根據(jù)現(xiàn)場井筒實(shí)際條件利用理論模型優(yōu)化渦流工具螺旋角。

4 結(jié)論與建議

1) 渦流工具螺旋流道兩側(cè)的密封性和流道的流動(dòng)截面積對(duì)排液效果有較大影響，對(duì)螺旋流道兩側(cè)進(jìn)行密封，并在較小流動(dòng)阻力條件下減小流動(dòng)截面積，可以提高渦流工具的排液效果。

2) 渦流工具具有一定的氣體流量適用范圍。當(dāng)氣體流量大于80%李閩模型臨界攜液流量時(shí)，下入渦流工具可有效排液；當(dāng)氣體流量大于李閩模型臨界攜液流量時(shí)，氣體能量充足，無需下入渦流工具。

3) 建議根據(jù)現(xiàn)場氣井實(shí)際參數(shù)條件，利用最優(yōu)螺旋角理論模型優(yōu)化和設(shè)計(jì)不同下入深度處渦流工具的螺旋角，以提高渦流工具的排液效果。