射吸式旋流排水采气装置结构参数优化_帅波.pdf

202311科研开发178Modern Chemical Research当代化工研究射吸式旋流排水采气装置结构参数优化帅波1 任连城1*黄飞亚1 冷民涵1 杨民2（1.重庆科技学院 机械与动力工程学院 重庆 4013312.宏华油气工程技术服务有限公司 四川 610036）摘要：针对天然气开采过程中产生的井底积液问题，本文提出一种射吸式排水采气装置，并通过数值模拟对其内部流程进行仿真分析，对比分析了旋流工具结构参数对排水采气效果的影响，并根据其仿真结果对旋流工具的结构参数进行优化，得到了确定工况下最佳的结构参数。关键词：排水采气；射流；旋流；数值模拟中图分类号：TE921 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.11.055Optimization of Structural Parameters of Jet Suction Cyclone Drainage and Gas Production DeviceShuai Bo1,Ren Liancheng1*,Huang Feiya1,Leng Minhan1,Yang Min2(1.School of Mechanical and Power Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing,4013312.Honghua Petroleum Gas Engineering Technology Service Co.,Ltd.,Sichuan,610036)Abstract：Aiming at the problem of bottom-hole fluid accumulation in the process of natural gas extraction,this paper proposes a jet suction drainage gas production device,and simulates its internal process through numerical simulation,compares and analyzes the influence of cyclone tool structural parameters on the drainage gas recovery effect,and optimates the cyclone tool structural parameters according to its simulation results.The optimal structural parameters are obtained under certain working conditions.Key words：drainage and gas recovery；jet stream；swirl flow；numerical simulation现阶段我国天然气产量与消费量的缺口巨大，对外依存度逐年增高1。要解决目前的困境，缓解供需矛盾，需要在开采技术上进行创新，实现天然气资源“能采尽采”。然而井底积液是困扰天然气有效开采的重要问题2。当气井到了生产中后期含水量增加，气井井底产生积液3。当积液不能及时排除时，就会导致气井水淹停产，严重时会造成生产井提前报废4。为了解决井底积液问题，研究者们提出了一系列的排水采气工艺与装备，目前用的最多的是泡排法、气举法等5。这些排水技术在一定程度上缓减了问题，但总体排水效果并不太理想，而且存在成本高、环境不友好等问题。针对以上问题，本文基于射流与旋流的运动原理，提出一种射吸式旋流排水采气装置。该装置是通过射流原理利用井下天然气压能将井底积液抽吸携带到引射装置以上，然后经过旋转导流筒将气液两相流转换为螺旋向上流动的旋流，经天然气引射到直井段的液相在旋流离心作用被优先分布在油管管壁处并在气流向上流动的带动下向井口移运，从而避免了液滴在竖直井段上升过程因液滴聚集而滑脱，实现仅利用地层自身能量使积液排出气井。本文根据相关文献资料、结合国内某气田气井工况参数，利用CFD专业软件对旋流工具进行流场数值模拟；采用控制变量法对比研究不同尺寸导流筒长度、喉管段长度以及喷嘴直径时，截面液相分布和切向速度的变化；以气液分离能力和井筒携液能力来判定旋流工具的效果，并根据模拟结果对旋流工具结构参数进行了优化。1.理论基础根据实际情况作如下假设：气井井底仅为天然气和水的气液两相流；流体视为不可压缩稳态流动。因旋流工具内部流场较复杂，且整个流体是呈螺旋上升三维流动流态。为了更好地模拟流体实际运动状态、确保模拟结果的真实性和准确性，两相流模型选用欧拉模型，湍流模型选用RNG k-epsilon模型，壁面函数法。因欧拉模型是针对两相流中每一相的动量方程和连续性方程进行建立求解计算；RNG k-epsilon模型是一种比较常用的湍流模型，它是k-epsilon模型的变形模型，对流动问题计算较为可靠6。2.数值模拟（1）物理模型的建立。本文提出的旋流工具主要由喷嘴、喉管和旋流筒组成，其核心部件是旋流筒。根据其结构，利用三维软件建立旋流工具计算域的几202311科研开发179Modern Chemical Research当代化工研究何模型。（2）计算域网格划分。利用前处理软件对几何模型进行处理，对局部进行加密。初始模型的网格总数大约为110万。其流体域模型以及网格划分情况如图1所示。(a)计算域模型(b)网格划分局部示意图图1 旋流工具三维模型以及网格划分（3）边界条件及计算方法设定。本文的分析是基于国内苏格里气田某气井的相关工况参数，如表1所示。表1 气井工况参数井深/m井底压力/MPa油管直径/mm产气量/（m3/d）产液量/（m3/d）2700166250002结合实际工况设定以下模拟参数边界条件：速度入口：6m/s；入口液体质量流量：0.0231kg/s。通过检测入口处的压力变化和出口处的质量流量、气相最大速度变化来判断计算是否收敛。3.数值模拟结果分析旋流工具的作用是利用地层压力和离心力的作用分离气液两相紊流。当气液两相紊流混合物通过导流筒，在其结构的作用下呈螺旋上升流态。两相流中的天然气质量较轻，可以很好的在管筒中间流动，而水会在离心力的作用下形成液膜附着到管壁上在上返气流的带动下向上移运，其流动轨迹如图2所示。图2 流体域轨迹从图2可以看出本装置的可行性及优势：射吸式的结构保证了流体向上流动的动力，旋流工具保持了气液相随性，降低直井段液体滑脱率。然而不同结构参数旋流工具的气液分离效果是不同的，优化其结构参数可提高旋流工具的排液效果。本文拟利用控制变量法从液相分布和切向速度两个角度分析导流筒长度、喉管长度、喷嘴直径大小对旋流工具排液效果的影响。（1）导流筒长度对排水效果的影响。导流筒是旋流工具的核心部件，对旋流工具的气液分离效果起着决定性的作用，其结构如图3。在圆柱筒外设螺旋叶片，在圆锥筒尺寸固定不变的情况下，改变导流筒长度可以改变螺旋叶片的螺距。在其它结构不变的情况下，本文从135335mm导流筒长度范围以25mm的间隔取9组不同导流筒尺寸数据来计算。图3 导流筒结构示意图模拟结果分析，距旋流工具1000mm处井筒内流场趋于稳定，选取距离旋流工具1200mm处的截面，其液相体积分数云图和切向速度云图，如图4、图5所示。图4 不同导流筒长度下截面液相分布云图图5 不同导流筒长度下截面切向速度云图液相体积分布可直观反映旋流工具的气液分离能力。当导流筒长度改变时，其井筒液相分布也会产生较为明显改变。对比图4可知，当导流筒长度为210mm时，井筒壁面的液相体积分数最高且较为均匀，峰值达到20.33%，旋流工具分离液体能力最好。185mm、285mm次之，235mm和260mm导流筒气液分离能力相对较差。因此对比分析可知，210mm导流筒长度的效果最好。同一截面的切向速度云图能间接反映出工具携液能力。当导流筒长度改变时，其井筒内切向速度会发生较为明显的改变。如图5所示，当导流筒长度为210mm时，其距离旋流工具1200mm处的切向速度最大，其最高速度达到了4.79m/s；当导流筒长度为185mm和285mm，截面最高切向速度分别为4.37m/s和4.30m/s；当导流筒长度为235mm，截面轴向速度最为缓慢，最高速度仅达到3.79m/s。因此对比分析可知，210mm导流筒长度效果最好。202311科研开发180Modern Chemical Research当代化工研究（2）喉管段长度对排水效果的影响。喉管是气液两相流混合的区域。本文在100300mm范围内以25mm的间距截取了9组数据进行数值模拟，因喉管长度太长或太短都会影响旋流工具的排水效果：太长会导致能量损失，太短会导致气液混合时间不够。所以本节选取150mm、175mm、200mm、225mm、250mm五组数据进行分析对比。依旧选取距离旋流工具1200mm处的截面，其液相分布和切向速度云图如图6、图7所示。图6 不同喉管长度下截面液相分布云图图7 不同喉管长度下截面切向速度云图从图6、图7可以看出，当喉管段长度为200mm，距离旋流工具1200mm处截面上的液相分布和切向速度最高，液相体积分数最高达到17.77%，切向速度达到4.22m/s；当喉管段长度为225mm和250mm时，由于能量损失等原因，其液相体积分数最高分别为15.07%和15.95%，切向速度最高分别为4.02m/s和3.97m/s；当喉管段长度为150mm和175mm时，由于气液混合时间不够等原因，其液相体积分数最高仅仅达到13.87%和13.74%，切向速度最高分别为3.87m/s和3.90m/s。由此可以判断，当喉管为200mm时，其气液分离效果和井筒携液能力最好。（3）射流喷嘴直径对排水效果的影响。射吸式旋流工具的射吸式结构来源于射流泵，这是影响天然气通过旋流工具时轴向速度的关键性因素。本文在 1030mm的范围内以2mm为间距截取了11组数据，在其中选择了14mm、16mm、18mm、20mm、22mm等五组数据进行分析对比。依旧选取距离旋流工具1200mm处的截面，查看其液相分布和切向速度云图，如图8、图9所示。从图8、图9可以看出，当喷嘴直径为28mm，距离旋流工具1200mm处截面上的液相分布和切向速度最高，其液相体积分数最高达19.58%，切向速度达到3.97m/s；当喷嘴直径为14mm和16mm，其液相体积分数最高分别为17.01%和17.35%，切向速度最高分别为3.51m/s和3.54m/s；当喷嘴直径为20mm和22mm，其液相体积分数最高分别为11.65%和16.34%，切向速度最高分别为3.50m/s和3.42m/s。由此可以判断，当喷嘴直径为18mm，其气液分离效果和井筒携液能力最好。图8 不同喷嘴直径下截面液相分布云图图9 不同喷嘴直径下截面切向速度云图4.结论以上研究表明，射吸式旋流工具可以较好的利用地层能力实现井下气液混合携带，并在旋流流场作用下被吸射上来的液体在直井段沿油管壁面向上移运，从而降低井筒内部液体滑脱率。研究表明，液体在直井段沿壁面向上无滑脱移运效果除了与井底压力有关外，还与旋流工具的结构参数密切相关。针对给定工况，经分析对比，此旋流工具最适合的尺寸为：喷嘴直径18mm、喉管段长度200mm、导流筒长度210mm。经过优化后，其距离旋流工具1200mm处的液相体积分数最高达到21.8%，切向速度最高达到4.82m/s。同时，本文针对具体工况对旋流排水采气工具结构参数的模拟优化为研制节能高效的排水采气工具提供了一种简便可行的优化设计方法，希望本文的研究为气井积液问题和旋流工具的研制提供一种有效的思路。【参考文献】1中国天然气发展报告(2022)发布R.石油工业出版社,2022.2康勇.气井积液规律及排水采气工艺分析J.石化技术,2022,(04):211-212.3廖锐全,曾庆恒,杨玲,等.采气工程M.北京:石油工业出版社,2012:40-45.4熊巍.气井积液规律及排水采气优化D.湖北:长江大学,2014.5孙嘉泽.排水采气工艺技术现状J.化学工程与装备,2021(10):219-220.6张鸣远.高等工程流体力学M.陕西:西安交通大学出版社,2008:41+181.【基金项目】重庆市自然科学基金面上项目“基于地层压力的天然气井下多流场排水采气机理研究”（项目编号：CSTC2020JCYJ-MSXMX0410）【作者简介】帅波（1996-），男，汉族，重庆綦江人，硕士在读，研究方向：流体仿真、油气装备设计。【通讯作者】任连城（1973-），男，汉族，内蒙古王子旗人，博士，教授，研究方向：旋流分离技术、流场数值模拟、油气装备技术改进。