涡流排水采气技术数值模拟研究.pdf

第 3 5卷 第 6期 2 0 1 3年 1 1月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG & PRODUCTI ON TECHNOLOGY V0 1 35 No 6 NO V 2 01 3 文章编号 ：1 0 0 0 7 3 9 3 ( 2 0 1 3) 0 6 0 0 6 5 0 4 涡流排水 采气技 术数值模拟研 究 李 隽 李 楠 李 佳宜 王 云 曹 光强 ( 1 中国地质 大学 ( 北京) 能源学院 ， 北京1 0 0 0 8 3 ；2 中国石油勘探 开发研 究院采油所 ， 北京1 0 0 0 8 3 3 中国石 油安全环保技术研 究院， 北京1 0 0 0 8 3 ) 引用格式： 李隽， 李楠， 李佳宜， 等 涡流排水采气技术数值模拟研究 J 石油钻采工艺， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 6 ) ：6 5 6 8 摘要：为了促进涡流排水采气工艺在我 国的推广应用， 开展 了涡流工具特性的模拟研究。建立了涡流工具排液过程的数 理模型 ， 对涡流 工具引发的旋流场进行 了模拟研 究， 获得 了不同雷诺数及持液 率下的气液螺旋涡 流的流场结构及特点 ， 气速对 液膜螺旋流的影响规律， 螺旋流动强度的变化规律。研究结果表明， 涡流工具使气液两相流体调整为类环状流动， 井筒中心以 连续气柱的形式向上运动， 壁面附近的液膜螺旋上升运动， 这种流动结构降低 了管柱摩阻， 提 高了气体携液能力。 关键词：排水采气；涡流工具；紊流 ；螺旋流 ；仿真模拟 中图分类号 ：T E 3 7 文献标识码 ：A Nume r i c a l s i mu l a t i o n r e s e a r c h o n e d dy c ur r e n t dr a i n a g e g a s r e c o v e r y t e c hno l o g y L I hn ， L I N a n 2 ，L I J i a y i 。，WA N G Y u n ， C A O G u a n g q i a n g ( 1 S c h o o l o f E n e r g y R e s o u r c e s ， C h i n a U n i v e r s i ty o fGe o s c i e n c e s( B e ij i n g) ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 Pe t r o C h i n a R e s e a r c h I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n dDe v e l o p me ri t ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 3 C N PC R e s e a r c h I n s t i t u t e o fS a f e tyEn v i r o n me n t T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o f a c i l i t a t e t h e e d d y c u r r e n t d r a i n a g e g a s r e c o v e r y t e c h n o l o g y b e i n g wi d e l y u s e d i n Ch i n a ， s i mu l a t i o n r e s e a r c h o n e d d y c u r r e n t i n s t r u me n t c h a r a c t e r i s t i c s wa s c a r r i e d o u t T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f e d d y c u r r e n t t o o l s d r a i n i n g p r o c e s s wa s e s t a b - l i s h e d t o s t u d y t h e e d d y fi e l d t r i g g e r e d b y t h e c y c l o n e o f t h e t o o l s T h e s i mu l a t i o n fi g u r e d o u t t h e fl o w fi e l d s t r u c u -e a n d c h a r a c t e ris t i c s o f g a s l i q u i d s p i r a l v o r t e x fl o w u n d e r d i f f e r e n t Re y n o l d s n u mb e r s and l i q u i d h o l d u p c o n d i t i o n s ； b e s i d e s ， t h e i n fl u e n c e o f g a s v e l o c i t y o n l i q u i d me mb r a n e s p i r a l fl o w a n d v a r i a t i o n o f s p i r a l flo w i n t e n s i ty a l s o o b t a i n e d f r o m t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s T h e s tud y h a d r e v e a l e d t h a t t h e g a s l i q u i d t wo p h a s e fl u i d wa s t r a n s f o r me d i n t o k i n d o f a n n u l a r fl o w b y v o rte x t o o l s ， a n d t h e c e n t e r o f t h e we l l b o r e mo v e d u p i n a c o n t i n u o u s f o r m o f g a s c o l u mn a c c o mp an i e d l i q u i d me mb r a n e n e ar t h e wa l l s p i r a l u p wa r d mo v e me n t T h e s e fl o w s t r u c t u r e s r e d u c e s t ri n g fri c t i o n a n d i mp r o v e g a s l i q u i d c a r r y i n g c a p a c i ty, Ke y wo r d s ： g a s we l l p r o d u c t i o n wi t h wa t e r wi t h dra wa l ； e d d y c u r r e n t ； t u r b u l e n t fl o w； s p i r a l fl o w； a n a l o g u e s i mu l a t i o n 涡 流排水采气 工艺是 一种新 型的排水 采气方 式 ， 是 美 国能源部 ( D OE )2 0 0 1 年资助 的低 产油 田 新技术研究项 目之一 。其工作原理是无规则的气 液两相紊流流体进入 涡流工具后 ， 加速度使得较重 的液体甩向管壁 ， 流体沿工具 向上运 动， 变成规则 的 螺旋 型二相层流流动 ， 提高气井排液能力 ， 降低油管 压力损失。国内 2 0 1 1 年 引进该技术并进行 了应用 ， 但效果不甚理想 ， 原 因在于现场施工 尚未认 清涡流 工具的机理。笔者采用数值模拟 的方法模拟了涡流 工具在井筒 中的工作状态 ， 分析涡流流动的规律 和 特点 ， 以指导涡流工具 的现场应用。 1 模型建立及模型验证 1 1 物理模型的建立 根据真实工具的数据建立涡流工具存在于油管 之中的物理模型。 基金项 目： 中国石 油勘探 开发研 究院科研 项 目 “ 井下涡流助排技术机理研究及工具研发 ”( 编号：2 0 1 2 Y - 0 4 9 ) 。 作者简介：李隽， 1 9 7 1 年生。中国地质大学 ( 北京) 在读博士， 主要从事采油气工程技术研究。电话：0 1 0 8 3 5 9 3 0 7 9 。E m a i l ：1 i j 6 9 p e t r o c h i n a c o m c n。 6 6 石油钻采工艺 2 0 1 3年 1 1月 ( 第 3 5卷) 第 6期 图 1 F l u e n t 模型建立 1 2 多相流模型选择 选 择 欧拉模 型作为 多相流 模型 J ， 并 做 以下 假设 ： ( 1 ) 来流是以液滴为主的雾状流； ( 2 ) 来流中天然气体积份额 ( 0 9 0 ) 远大于液相 ( 0 1 0 ) ； ( 3 ) 流动过程中气液两相分布非 常不均匀 ， 流场 内既有液滴也有液膜 E 2 1 1 3 控制方程组 从数值计算的角度， 当液体以液滴形式加入气 体流体后 ， 流体不仅受到流体 内部力 的作用 ， 还受到 液滴对气体流体的作用力。引入空隙率 E ， 对流体 控制方程 中的密度 、 黏性 、 源项进行修正， 即可得 到 气液两相流流体相的控制方程 j 。 体积分数方程 qp q = 1 Jq dV V 连续性方程 O qp q Vq = 动量守恒方程 ( ) + (O,qp qJq ) = 一 + + 喜 ( + ) + + + q ) ( ) + ( p _ _ 一+ nq q V q ) z m O Z q V p + Wq ( J r- m p q 一-P p q ) + O Z qp ( + + ， ) ( ) + ( p + ( ) + p ( + + ， ) 式 中， P为相 密度 ， k g m ；v为速度 ， m s ；7 - 为剪 切 力， N；m为质量， k g ； 为相含率， ；尺为相互作 用力， N；下标 P ， q 分别代表气相和水相。 1 4 湍流模型选择 本文利用国外采用螺旋纽带进行的实验数据， 在数值模拟计算 中分别采用 R NG和 RS M 的的方法 计算螺旋纽带实验， 并将之和国外实验数据进行比 较 J 。将实验结果中角速度以及物理模型不 同截面 ( z = l 5 0 mm， 1 8 5 mm， 2 3 0 mm) 的轴向速度和国外实 验数据进行对比， 数值模拟的结果和国外实验数据 的趋势完 全一样 ， 证明采用数值模拟的方法模拟涡 流工具的方法是可行并且具有很高的可信度 。如 图 2所示 ， 对 比各条曲线的近似程度可 以发现 R S M 模 型最为适合涡流的模拟。 1 5 边界条件设定 1 5 1 入 1 ：2 边界条件以涩北气 田真实井井况设定 边界条件。入口为速度入 口边界 ， 为每一相指定入 口 速度 ， 均为 6 5 m s 。对于液相 ， 设置人 口液滴粒径均 一 分布 ( 1 0岬 ) ， 体积分数为 O 1 。气液两相间仅考虑 相间拖曳力的作用。分离器人口视为充分发展的均 匀雾状管内流动， 同时 ， 为主相指定湍流边界条件。 湍流强度 1 1 ， 三 0 1 6 ( R e o h ) =0 0 5 3 ( 7 ) “a v g 湍流动能 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 图 2数 值 模 拟 结果 和 国外 数 据 对 比 k = 三 ( “ 。 =0 0 5 2 ( 8 ) 二 湍流耗散率 L 1 5 = c。 0 9 3 ( 9 ) 式 中 ， “ 为均方 速度 ， m s ；C为模 型常量 ， 取 0 0 9 ； P 为以水力值 为特征 长度所求得的雷诺数 ；U 为平均速度 ， m s ； 为特征长度 ， 1T I 。 1 5 2 出口边界条件 出口为压力出 口边界 ， 认 为 背压与大气连通 ， 相对压力设置为 0 ， 根据 内部流动 外推出压力边界条件。 1 5 3 壁 面条件旋 叶分离器 内所有构件均静 止 ， 6 8 石油钻采工艺 2 0 1 3年 1 1月 ( 第 3 5卷) 第 6期 r | D 图 8 涡流工具和光 滑直管 中心气速对比 2 2 2 压力降变化从 图 9可 以看 出涡流工具可以 显著降低压降。 虽然涡流工具会造成较大的局部降， 但工具后液膜环状流压降降低 ， 总体上降低 了气井 的压力降。 图 9压 降 变化 曲 线 2 2 3 旋转分布变化数值模拟 中一般用切 向速度 和轴向速度的比值来表征该点的旋转强度的大小。 分 别截取 3 7 0 mm、 4 7 0 mm、 5 7 0 mm等 3个截 面切 向速度和轴 向速度 比值 的分布云图 ( 图 l o ) ， 可以看 出， 井壁 内侧颜色较深 ， 表示该处的旋转力较大 ， 而 中心几乎不旋转 1 o结合前面研究 的规律 ， 说 明存 在于油管内壁 的液膜是以螺旋状态向上运动 ， 中心 气柱垂直向上 。 图 1 0 涡流工具引发的螺旋流动中直管段不同横截面上 切 向速度与轴向速度 ( ) 比值的分布云 图 2 3 涡流工具工作机理 上述模拟结果表明， 气液两相流体通过涡流工 具产生极强的旋流运动 ( 通过结果提取发现速度的 增加 6 5 1 2 m s ) ， 使气液两相流流型在很短距离( 5 5 0 mm) 内由以液滴流动为主的雾状流流型改变为以液 膜流动为主的环状 流流型 ， 降低了油管的压降和临 界气体流速；涡流工具将管内流动分为两个区域： 旋流很小而快速 向上流动的中心气核和旋流较强而 向上螺旋流动的壁面液膜附近区域。 3结论 ( 1 ) 建立了涡流工具排液过程的数理模型 ， 通过 验证该模型可 以作为模拟涡流的正确模 型 ， 并对涡 流工具引发的旋流场进行模拟研究。 ( 2 ) 流经涡流工具后的气液两相流体被调整为 类环状 流 动 ， 井 筒 中心 以连续 气柱 的形式 向上运 动 ， 壁 面附近的液膜螺旋上升运 动， 这种流动结构 使涡流工具之后的流动压力降远低于光滑直管， 而 中心气核 的速度远高于光滑直管 ， 提高了气体携液 能力 。 ( 3 ) 对井下涡流工具安放在气井井筒中的排液过 程进行 了研究。涡流工具将液滴雾状流转变为液膜 环状流动 ， 这种流动形式降低 了油管 的摩擦阻力 ， 从 而降低气井的临界流速 ( 经过计算涡流工具使临界 气体携液流速降低约 6 5 ) 。 ( 4 ) 建议进一步开展涡流工具 的室内实验工作 ， 做数值模拟和物理模拟结果对比分析， 进一步验证 研究成果 ， 以便于更好地指导现场施工作业。 参考文献： 1 AL I A J ， S C OT T S L ， F E H N B I n v e s t i g a t i o n o f n e w t o o l t o u n l o a d l i q u i d s f r o m s t r i p p e r - g a s we l l s l R j S P E 8 4l 3 6， 20 03 2 赵 玉新 F L U E NT技术基础及应用实例 M 北京： 清华大学 出版社 ， 2 0 1 0 3 S URE NDR A M，F AL CONE G，T E ODORI U C I n ves t i g a t i on o f s wi r l flo ws a ppl i ed t o t he oi l an d ga s i n d u s t r y R S P E 1 1 5 9 3 8 ， 2 0 0 8 4 杨川东 采气工艺 M 北京：石油工业出版社， 1 9 7 7 5 杜坚， 周洁玲 深井低压底水超声排水采气方法研究 J 天然气工业， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 6 ) ：8 6 8 8 6 周际永， 伊向艺， 卢渊 国内外排水采气工艺综述 J 太原理工大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 6 ( S 0 ) ：4 4 4 5 ， 5 1 ( 修改稿收到 E l 期2 0 1 3 - 1 O 2 2 ) 编辑朱伟