天然气井涡流工具排水采气数值模拟.pdf

第 4 4 卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V O 4 4 N o 8 A u g u s t ， 2 0 1 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 1 6 3 3 1 8 ) 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 F l u e n t 多相流 mi x t u r e 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 ：T E 3 5 7 文献标识码： A 文章编号 ： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 5 )0 8 1 9 6 9 0 3 Num e r i c a l Si mul a t i o n o f Vo r t e x To o l s Dr a i na g e Ga s Re c o v e r y o f Ga s W e l l s W A NG C h u n s h e n g ，T I A NMi n g - l e i ，XVY u - j i a n ，DO N G G o u q i n g ， rai n ，ME NG S h a n ( No r t h e a s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y , He i l o n g j i a n g D a q i n g 1 6 3 3 1 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e l i q u i d l o a d i n g o f g a s we l l i s a n i mp o rta n t i s s u e i n e x p l o i t a t i o n o f n a t u r a l g a s T h e t e c h n i c o f v o rt e x d r a i n a g e h a s g o o d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t t o s o l v e t h e g a s e f f u s i o n b e c a u s e t h e t o o l i s c o n v e n i e n t t O c o n s t r u c t a n d i t p l a y s a n i mp o rta n t r o l e i n t h e p r o t e c t i o n o f e n v i r o n me n t t h e t e c h n i c i S e n v i r o n me n t a l a n d e m c i e n t Cu r r e n t l y ,t h e me c h a n i s m o f t h e v o rte x d r a i n a g e an d t h e t h e o r y o f fl u i d mo t i o n a r e s t i l l mi s s i n g Th e r e for e i n o r d e r t o g e t b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e g e n e r a l r u l e o f t h e d o wn h o l e n a t u r a l a i r fl o w f i e l d a n d v e r i f y t h e d r a i n a g e me c h a n i s ma t h r e e d i me n s i o n a l s t r u c tur a l mo d e l o f v o rte x t o o l s wa s e s t a b l i s h e d t h e fl u i d fl o w wa s c a l c u l a t e d b y F l u e n t b a s e d o n fl u i d d y n a mi c s a n d mi x tur e mo d e l o f mu l t i p h a s e By mo n i t o r i n g t h e we l l h e a d l i q u i d c o n t e n t a n d r a d i a l d i s t r i b u t i o n a n d o b s e r v i n g t h e s t a t e o f t h e g a s l i q u i d fl o w an d the p a t h l i n e ， t h e e ffe c t o f v o r t e x t o o l o n g a s we l l fl o w fie l d wa s a n a l y z e d T h e s t u d y r e v e a l s t h e wo r k i n g m e c h a n i s m o f v o r t e x t o o l s a n d f a c i l i t a t e s u n d e r s t a n d i n g o f t h e n a t u r e o f the v o r t e x d r a i n a g e p r o c e s s T h e p a p e r c a n p r o v i d e the o r e t i c a l b a s i s f o r a p p l i c a t i o n a n d d y n a mi c s s i mu l a t i o n o f v o r t e x d r a i n a g e t e c h n o l o g y Ke y wo r d s ： Ga s we l l l i q u i d l o a d i n g； Vo rte x d r a i n a g e ； M u l t i p h a s e flo w； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 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L 2 J 。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L 3 J 。由美 国能源部开发 研制的新型工艺 涡流排水采气工艺” 在 2 0 0 5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【 4 J 。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 ( C F D) 方法，应用 F l u e n t 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 Fi g 1 S p h e r i c a l d r o p l e t s 2 0 1 5 -0 1- 3 0 王春生( 1 9 7 7 -) ， 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 - m a i l ：w c s f c j 1 6 3 c o m 。 田明磊 ，男，在读硕士，现从事复杂流体计算。E - m a i l ：4 5 4 7 7 4 7 7 0 q q c o m 。 第4 4 卷第8期 王春生，等：天然气井涡流工具排水采气数值模拟 l 9 7 1 拟条件下气井 日产气 1 0 4 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 Fi g 5 Th e d i a g r a m o f t h e i n c r e a s e o f l i q u i d v e l o c i t y a n d t h e gas pr oduc t i on r at e e ve r y da y 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 0 0 0 m 3 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n l ) 图 6 出口增液率与井底进液量关系曲线 Fi g 6 Th e d i a g r a m o f t h e i n c r e a s e o f l i q u i d v e l o c i ty a n d t h e flu i d v o l u m e o f i n t o b o t t o m h o l e 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 4 2 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 0 0 0 m3 d ， 井底进液2 m s d ， 分别计算进液液滴直径0 0 l ， O 0 3 mm，O 0 5 ，O 0 7 ，0 0 9 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 F i g 7 Th e d i a g r a m o f d r o p l e t d i a m e t e r a n d t h e i n c r e a s e o f l i q u i d v e l o c i ty i n t h e e x i t 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 0 3 m lI l 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 0 5 fi lm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 1 0 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 0 5 m r n 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 5 0 0 m 3 d ，日 产气 1 0 4 m3 d 时 ， 应用此工艺排液效果最佳。( 下转第1 9 7 6 页) 1 9 7 6 当 代 化 工 2 0 1 5年 8月 气体危险浓度的扩散，轻风风场危险程度高于软风 风场。6 7级风 ( 即强风和疾风 )时，大气稳定度 为 c D ，泄漏气体主要贴近地面扩散，同时由于其 风场作用力大，使大气对泄漏气体浓度大量稀释， 低于 5 体积浓度的甲烷气体扩散范围较远，而爆 炸浓度的甲烷扩散范围有限， 危险程度中。在 2 1 2 rai n时，强风条件下 ，下风 向甲烷的爆炸浓度 的水 平最远距离先扩大再减小至饱和，1 2 ra i n时刻 ，最 远距离为 2 8 3 I n ；疾风条件下 ，下风向甲烷的爆炸 浓度的水平最远距离呈逐渐减小趋势， 1 2 m i n 时刻， 最远距离为 2 0 8 m。对比疾风和强风条件下泄漏气 体危险浓度的扩散，强风风场危险程度高于疾风风 场。3 5级风 ( 即劲风 、微风和和风 )时 ，大气稳 定度为 B D ，泄漏气体危险浓度云团与地面呈一定 角度向大气扩散，部分云团将扩散到高空，同时由 于其风场作用力相对 1 2 级和 6 7级风场适 中，大 气对泄漏气体的稀释作用可使甲烷的爆炸浓度区域 有效的扩大，危险程度强。在 2 1 2 m i n时，微风条 件下 ，下风向甲烷的爆炸浓度的水平最远距离呈逐 渐扩大趋势，1 2 mi n时刻 ，最远距离为 5 2 8 m；和 风条件下 ，下风向甲烷的爆炸浓度的水平最远距离 呈逐渐扩大趋势 ，1 2 ra i n时刻 ，最远距离为 5 1 7 m； 劲风条件下 ，下风 向甲烷的爆炸浓度 的水平最远距 离先扩大在减小至饱和 ，1 2 mi n时刻 ，最远距离为 4 1 3 m 。 对比微风、 和风和劲风条件下泄漏气体危险 浓度的扩散，微风风场危险程度最高，和风次之， 劲风最低 。 表 2 大气稳定度的因素 T a b l e 2 At mo s p h e r i c s t a b i l i t y f a c t o r 3 结 论 在7 个等级的风场影响下，埋地天然气管道泄 漏扩散 甲烷 的爆炸浓度云团随着风速的增大呈先扩 大再减小的规律， 微风情况下的泄漏问题最为严重。 对于甲烷的防范， 可分为3 个等级， 对其采取不同等 级 的安全措施 。1 2 级风 ( 即无风 、软风和轻风 ) 采取低级别防范措施 ；6 7 级风 ( 即强风和疾风 ) 采取中级别防范措施 ；3 5 级风 ( 即劲风 、微风和 和风 )采取高级别防范措施 。 参考文献 ： 1 孙宏新 ，张丹 天然气管道泄漏数值模拟f J 1 l 中国科技博览，2 0 1 0 ( 4) ：8 9 9 0 2 程浩力， 刘德俊， 刘倩倩， 等 城燃管道街道峡谷泄漏扩散 C F D数值模 拟 J I l石油化工高等学校学报 ，2 0 1 1( 4) ： 6 0 6 3 3 程浩力， 刘德俊城镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟f J 】 l辽宁石油 化工大学学报 ，2 0 1 1 , 2( 3 1 ) ：2 7 3 1 4 D a n i e l A C r o w l ， J o s e p h F L o u v a r C h e mi c a l P r o e e s s s a f e t y f u n d a m e n t a l s w i t h a p p l i c a t io n M N e w J e r s e v ： P r e n t i c e H a 1 l ， 1 9 9 0 ： 1 2 1 - 1 5 5 王鹏飞评唐代李淳风化 “ 占风情”方法叫 自然科学史研究 ， 2 01 02 9( 4) ：3 8 9 4 0 3 ( 上接 第 1 9 7 1 页 ) 参考文献 ： 1 金忠臣，杨川东，张守良，等采气工程 M 北京：石油工业 出版社 ，2 0 0 4 2 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f J 】 石油机械， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 7 8 8 1 3 乐宏，唐建荣 ，葛有琰 ，等 排水采气工艺技术 M 北京：石 油工业 出版社 ，2 0 1 1 4 春 兰， 魏文兴 国内外排水采气 艺现状 J 吐哈油气 2 0 0 4 ， 9 ( 3 ) ： 2 5 5 2 6 1 5 j D o u g h e r t y S r G A，F e h n B J ，S mi t h T B A p p a r a t u s a n d m e t h o d f o r c r e a t i n g a v o r t e x fl o w ： U S P a t e n t 4 ，7 ，1 6 0 ，0 2 P2 0 0 7 0 1 0 9 ( 上接第 1 9 7 3页 ) 2 周继云， 张维， 栾兴峰， 等 管道弯管区裂纹的断裂力学参数 K J计算 研究f J 1 l核技术，2 0 1 3 ，3 6( 4)： 1 6 3 何家胜， 朱光强，朱晓明，等 弯扭组合载荷下圆管半椭圆表面裂纹 应力强度因子的有限元分析 J 1 工程设计学报， 2 0 0 7 ， 1 4 ( 2 ) ： 1 5 3 1 5 9 4王荣荣，付路路， 姜慧，等 基于事故树分析法的环氧乙烷生产中火灾 爆炸事故分析叨 当代化工， 2 0 1 4 ， ( 4 ) ：5 9 8 5 9 9 ，6 0 2 5 王永伟， 林哲表面裂纹的三维模拟及应力强度 因子计算l J 1 中国海 洋平台， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 3 1 ： 2 3 2 6 6 赵新伟， 罗金恒， 杨政， 等管线钢表面裂纹体的三维断裂特性和断裂 判据研究f J 】 机械强度 ，2 0 0 9 ， 3 1 (4 ) ：6 5 4 6 6 0 7 赵新伟， 罗金恒， 路民旭， 等l昝线钢断裂韧性和疲劳扩展特性研究l J 1 石油学报 2 0 0 3 ， 2 4 ( 5 ) ： 1 0 8 1 1 2 8 王荣荣，付路路1 陈广芳， 等基于 A N S Y S的圆柱销装配预应力受力分 析【 J 】 当代化工，2 0 1 4 ， ( 2 ) ： 3 0 8 3 0 9 9 J N e s te r e n k o ， G I c o mp a r i s o n o f d e ma g e t o e r a n e e o f i n t e g r a ll y s t i ff e n e d a n d r i v e t e d s t r u c t u r e s C I C A S 2 0 0 0 c o n g r e s s U n i t e d K i n g d o m， 2 0 0 0 1 0郭远帅某无人机机翼断裂力学分析【 D 南 昌：南 昌航空大学 ， 2 0 1 3 0 6 1 1 王冲，鲁统利 飞机蒙皮埋头钉孔裂纹扩展有限元分析f J 】 上海1 程 技术大学学报，2 0 1 1 , 2 9 ( 2 ) ：3 8 9 3 9 2