基于正交试验的涡流排水采气影响因素分析.pdf

年 第 卷 第 期 第 页 石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犙 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 ， （ ） ： 文章编号： （ ） 基于正交试验的涡流排水采气影响因素分析 徐建宁， 邵 乐， 梁慧荣， 朱端银 （ 西安石油大学， 西安 ） 摘要： 涡流工具排水采气是一项新型的排水采气工艺， 研究不同的工况及工具参数对涡流工具工作 性能的影响在气井的实际应用中具有重要的意义。根据实际应用效果， 研究了气流速度、 含水率、 螺旋角、 翼高、 直径个因素， 每个因素取个水平， 分析对排液效果的影响。选用标准的六因素、 五因子的正交试验表 （ ） 制定了 组试验， 分析了每个因素及其各个水平之间的差异对试验 指标的影响。根据正交试验的结果， 得到了各因素之间的最佳组合， 对涡流工具的优化设计具有指 导意义。 关键词： 涡流工具； 工具参数； 正交试验 中图分类号： 文献标识码： 犱 狅 犻： 犅 犪 狊 犲 犱狅 狀犗 狉 狋 犺 狅 犵 狅 狀 犪 犾犈 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳犉 犪 犮 狋 狅 狉 狊犃 犳 犳 犲 犮 狋 犻 狀 犵犞 狅 狉 狋 犲 狓犇 狉 犪 犻 狀 犪 犵 犲犌 犪 狊 ， ， ， （犡 犻 犪 狀犛 犺 犻 狔 狅 狌犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犡 犻犪 狀 ，犆 犺 犻 狀 犪） 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋： ， ， ， ， ， ， （ ） ， ， ， 犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊： ； ； 涡流工具是一种结构简单、 体积小、 效率高的排 水采气工具。国外近几年的应用成果表明， 涡流工 具可以解决井底积液的问题 。国内长庆、 大庆等 油田在气井上采用涡流排水采气技术并进行现场试 验， 一部分井取得显著的成果， 提高了气井的产量， 但部分井的效果不明显。现场试验表明： 涡流工具 的排液效果受到气流速度、 含水率等井底因素和涡 流工具的螺旋角、 螺旋线的翼高、 绕流器的直径等因 素的影响。这些因素不同程度地影响排液效果， 必 需找到这些影响因素的最佳组合， 从而提高气井的 采收率， 提高气井的经济性 。 涡流工具可以把气液两相流的紊流流态改变为 收稿日期： 作者简介： 徐建宁（ ） ， 男， 浙江平阳人， 教授， 主要从事采油机械设计及机械采油工作行为分析方面的研究及教学工 作， ： 。 层流流态， 降低气井的最小临界携液流量， 减小井筒 摩阻损失和液体滑脱损失， 增大井底生产压差， 提高 气井产气量。由文献 可知， 涡流工具的排液效果 与气流速度、 含水率这些工况因素以及工具的结构 参数有着密不可分的关系。因此， 有必要研究各因 素对排液效果的影响， 通过实际的、 少数的、 可行的 试验优化各个因素及其最佳组合。正交试验设计法 对于因子多、 周期长、 有误差的试验问题是一种行之 有效的方法， 试验可以同时进行， 有利于缩短试验周 期， 节约时间 。 涡流工具 结构组成 涡流工具主要由打捞器、 绕流器、 导向腔、 坐封 器、 接箍挡环部分组成， 如图所示。打捞器与绕 流器是固接在一起的， 绕流器与导向腔通过螺纹连 接， 导向腔与坐封器也是通过螺纹连接， 接箍挡环套 在坐封器的外壁上， 可以沿着坐封器外壁上下滑动， 通过坐封器下端的锥形台阶实现连接与限制， 由接 箍挡环下端的卡簧实现井下涡流工具的固定。 图 涡流工具结构 井下涡流工具的核心部分是绕流器， 由个实 心的圆柱体和表面上的螺旋带组成。文中所述螺旋 角、 翼高是绕流器上螺旋带的因素。 工作原理 井下涡流工具的基本原理是把井筒中的气液 两相流体介质的运动方式， 由原来的垂直向上的紊 流流态改变为呈螺旋状上升的涡旋分层流。涡流流 态这种运动形式可以看成是由个旋转的分速度和 个线性分速度的合成。旋转分速度对流体产生离 心力， 由于液体相比于气体密度大， 它经过离心力的 作用沿着井筒壁形成一个向上运动的环膜流态， 而 气体则在井筒中心部位向上运动； 线性分速度将含 液的气体向上传输一段距离， 利用动能克服介质向 下的重力， 从而降低滑脱损失。如果工具的螺旋角 度合适， 则使两相流体介质的涡流流态保持和传播 很长的距离， 大幅度提高气体的携液能力。 涡流排水采气的正交试验分析 影响因素水平的选择 本文中的正交试验以气流速度、 含水率、 螺旋 角、 翼高、 直径个主要因素进行研究， 根据低产低 压气井的井底工况以及涡流工具关键尺寸， 每个因 素取个水平因子， 如表所示。 表 正交试验因素水平 因素 气流速度 （ ） 含水 率 螺旋角 （ ） 直径 翼高 一水平 二水平 三水平 四水平 五水平 正交试验方案 在制定试验计划中， 必须根据实际情况确定因 素及因素的水平来设计正交试验。本文选用标准的 六因素、 五因子的正交试验表 （ ） 制定试验方 案， 如表所示。表中第列分别为气流速度、 含水率、 螺旋角、 直径、 翼高， 第列作为空白列， 反 应试验误差的大小。 表 试验方案 试验号 第 卷 第 期 徐建宁， 等： 基于正交试验的涡流排水采气影响因素分析 试验结果 正交试验的结果如表所示， 本文中试验数据 由计 算 流 体 动 力 学 （ ） 方 法 中 软 件 模拟而成， 模拟了 组由标准试验正交表得 到的各个因素的组合试验， 模拟采用的试验指标是 模拟管柱部分进出口持液率的差值。差值越小， 试 验结果越好。 表 正交试验结果 试验号 气流速度 （ ） 含水率 螺旋角 （ ） 直径 翼高 空白列试验指标 正交试验结果分析 涡流工具关键尺寸确定 利用综合比较的直观分析法对试验得到数据直 接分析， 直观上由个因素不同水平对应试验指标 之间的差异（ 极差） 可以看出个因素对试验结果影 响的大小， 如表。由表可知： 涡流工具工作时井 下工况对其排液效果影响特别大， 尤其是含水率。 对于气流速度、 含水率这个影响特别大因素需进 一步确定最优的水平。空白列的极差与其他个因 素的极差值相差不大， 所以直接确定这个因素的 取值。 石 油 矿 场 机 械 年 月 表 极差分析 结果 气流速度 （ ） 含水率 螺旋角 （ ） 直径 翼高 空白列 犼 犼 犼 犼 犼 极差 对各个因素的每个水平取次试验结果的平均 值作图， 如图所示。由图可见： 进出口持液 率的差值随着螺旋角的增大逐渐增大， 过了 以 后又逐渐减小， 取值为 差值最小， 所以螺旋角的 最优取值为 。由图可见： 进出口持液率的差值 随着直径的增大逐渐减小， 从 以后， 差值 又逐渐增大， 所以绕流器的直径最优值为 。 由图可见： 进出口持液率的差值随着翼高的增大 先减小后增大， 过了 以后先减小后增大， 时差值最小， 所以螺旋线的翼高最优取 值为 。 涡流工况影响因素的确定 由直观分析法得到气流速度、 含水率这个因 素对涡流工具的排液效果影响特别显著， 为了进一 图 螺旋角变化时持液率差值 图 直径变化时持液率差值 图 翼高变化时持液率差值 步区分因子水平变化所引起的试验结果之间的差异 与误差的波动所引起的试验结果的差异， 本文利用 方差分析法确定气流速度、 含水率的最佳取值， 如 表。 表 方差分析 方差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和 犉比 显著性 气流速度犃 含水率犅 误差 因素气流速度、 含水率的自由度犳犃犳犅， 犛 误的自由度犳 误 ， 查 ， 和 的犉分布表，犉 （， ） ，犉 （， ） ，犉 （， ） 。由表可知： 气流速度、 第 卷 第 期 徐建宁， 等： 基于正交试验的涡流排水采气影响因素分析 含水率个因素对试验结果有高度显著的影响。 对各个因素的每个水平取次试验结果的平均 值作图， 如图所示。由图可见： 进出口持液 率的差值随着气流速度增大逐渐减小， 过了 以后又逐渐增大， 所以气流速度的最优值为。 由图可见： 进出口持液率的差值随着含水率增大 逐渐增大， 所以含水率的最优取值为 。 图 气流速度变化时的持液率差值 图 含水率变化时的持液率差值 结论 ） 正交试验用于涡流工具的排水采气的效果 检验是可行的。 ） 通过极差分析法得出涡流工具关键尺寸的 取值； 而方差分析法进一步确定出井底工况因素对 试验指标影响的显著性。由于犉 （ ， ）犉犃， 说 明该因子水平的改变对试验结果有高度显著的影 响； 由于犉 （ ， ）犉犅， 说明该因子水平的改变 对试验结果有高度显著的影响。 ） 综合极差分析法与方差分析法的结果， 最 终确定各个因素的最佳组合为： 气流速度； 含 水率 ； 螺旋 线 的螺 旋角 ； 绕 流器 直 径 ； 螺旋线翼高 。 参考文献： ， ， ， ， ， ， 姚展华， 杨姝蔚， 胡书博， 等低渗透油气井排液技术综 述石油矿场机械， ， （） ： 冯翠菊， 王春生， 张黉天然气井下涡流工具排液效果 影响因素分析石油机械， ， （） ： 正交试验设计法 编写组正交试验设计法上 海： 上海科学技术出版社， 朱红钧， 林云华， 谢龙汉 流体分析及仿真实 用教程北京： 人民邮电出版社， 许敏水力旋流器内部流场数值模拟及分离性能分析 石油矿场机械， ， （） ： 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 下期部分目次预告 王小增 井下套管围压及第四等效应力分析 李 琦 锥度对天然气净化用旋风分离器流场的影响 杨 旭 基于层次分析法的海上采油人工举升方式选择 李昱坤 油管和套管标准中部分技术条款探讨 袁 征 节流压井套压精确计算模型研究 刘志刚 动力钳开口齿轮组结构优化设计与模态分析 李 壮 煤层气井射流式 大直径扩孔工具研制 熊明皓 垂直海洋立管中连续油管载荷传递影响因素分析 李志刚 卡爪式水下连接器 作业接口技术研究 李晓龙 通径检测器里程定位技术研究 王学正 侧钻水平井分段压裂完井技术在气田的应用 郑 锋 直井多层无阻分压合采压裂管柱结构及应用 曲庆利 水平井大通径可捞式免钻塞筛管完井技术应用 刘新福 海上平台用静电聚结原油脱水设备试验研究 吕拴录 某井固井试压套管柱密封失效原因分析 孙延安 提捞抽油机在三元复合驱油井的适应性分析 吉效科 系列注水泵结构改进与应用 杨向前 套装式井架在 平台的动态适应性分析 狄丽莉 海洋钻井模块方案分析 朱正喜 国内水力喷射压裂工艺技术应用研究进展 刘 强 钛合金油井管的耐腐蚀性能及应用研究进展 任钢峰 深水钻井防喷器系统关键设备技术研究 石 油 矿 场 机 械 年 月