垂直井筒中渦流工具流動特性數(shù)值分析

楊釗 韓爽 竇穎

摘要 為了更清楚地了解排水采氣過程中管內(nèi)流場分布情況及渦流工具中流體的運動情況，利用流體數(shù)值模擬軟件，針對連續(xù)油管及渦流排水采氣技術(shù)進(jìn)行研究，同時對兩種排水采氣方式內(nèi)部流場進(jìn)行分析和對比，得到液相分布云圖和速度圖。通過對渦流工具的研究以及模擬分析可以得出以下結(jié)論：在該兩相流模式中，管壁液相流動是主要的一種流動形式，渦流工具主要是依靠其結(jié)構(gòu)對流體進(jìn)行導(dǎo)向流動，流體在渦流工具的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動。在渦流排水采氣過程中，含液量對軸向速度及切向速度影響相對較小，含液量主要影響過流壓降。

關(guān) 鍵 詞 渦流工具;排水采氣;數(shù)值模擬;兩相流

中圖分類號 TE931? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract In order to understand more about the distribution of flow field in the process of water drainage for gas production and the movement of fluid in vortex tool， fluid numerical simulation software is used to study the technology of coiled tubing and vortex drainage gas recovery. Meanwhile， the internal flow fields of the two drainage for gas production methods are analyzed and compared， the liquid phase distribution cloud map and velocity map are then obtained. Through the research and simulation analysis of the vortex tool， the conclusions are as follows： tube wall liquid flow is the main form of flow in the two-phase flow mode; the vortex tool mainly relies on its structure to guide the flow of the fluid， and the fluid generates a rotating flow under the action of the vortex tool. In the process of vortex drainage for gas production， the influence of liquid content on axial velocity and tangential velocity is relatively small， and it mainly affects the overcurrent pressure drop.

Key words vortex tool; water drainage for gas production; numerical simulation; two-phase flow

作為一種非常具有發(fā)展前途的新型的排水采氣工藝，渦流排水采氣技術(shù)既可應(yīng)用于氣井井下作業(yè)，也可應(yīng)用于地面輸氣，渦流工具的出現(xiàn)改善了排水采氣工藝中的井筒積液問題，取得良好的排液效果，增加了天然氣產(chǎn)量。為了提高工具性能以及改善工具的現(xiàn)場應(yīng)用效果，國內(nèi)外進(jìn)行現(xiàn)場試驗，對渦流工具在不同氣井中的工作效果進(jìn)行分析，獲得部分宏觀工作特性，但對排液機(jī)理的研究還不夠清晰、明確。目前關(guān)于排液原理的宏觀論述缺乏足夠的理論支撐和數(shù)據(jù)證實。計算流體動力學(xué) （CFD） 方法能夠獲得常規(guī)試驗難以得到的變量信息，對工況條件和相關(guān)參數(shù)的控制更加容易。本文通過數(shù)值模擬方法，模擬了渦流工具在井筒中的工作狀態(tài)，通過對比法分析渦流流動中渦流工具的工作機(jī)理。

1 數(shù)學(xué)模型選擇

1.1 湍流模型

k-ε方程是最簡單且完整的湍流模型，要解兩個變量，分別是速度和長度尺度。RNG k-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型很相似，不過它源于嚴(yán)格的統(tǒng)計技術(shù)，在ε方程中附加一個條件，很好地改善了進(jìn)度;該模型將湍流渦流考慮在內(nèi)，提高這方面的精度;相對于標(biāo)準(zhǔn)模型是高雷諾數(shù)的模型，RNG模型提供考慮低雷諾數(shù)流動的解析公式。RNG模型較標(biāo)準(zhǔn)模型在瞬變流和流線彎曲方面做出更好的反應(yīng)，因此在計算流線彎曲流動時考慮采用RNG模型，本文將用RNG模型作為湍流模型。

湍流動能方程為

擴(kuò)散方程為

式中：[Gk]為層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能;[Gb]為浮力產(chǎn)生的湍流動能;[YM] 為由于在可壓縮湍流中，過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動;[C1]，[C2]，[C3]是常量;[ρ]為密度;[t]為時間;[x]為坐標(biāo)位置（m）（其中[i]、[j]分別表示x、y方向）;[ui]為[xi]方向上的速度;[μeff]為有效黏性系數(shù);[αk]和[αε]是[k]方程和[ε]方程的湍流Prandtl數(shù);[Sk]和[Sε]是用戶定義的源項。

式（2）中

式中：[η≡Sk/ε];[η0]=4.38;[β]=0.012;[Cμ]為常量。

1.2 多相流模型

選用歐拉模型作為多相流模型，并假設(shè)來流是以液滴為主的霧狀流，且其中氣相份額（0.90）遠(yuǎn)大于液相（0.10），流動過程中氣液兩相分布非常不均勻，流場中液滴和液膜同時存在。對氣液兩相單獨求解，包括連續(xù)方程和動量方程。氣液相間的相互作用通過在連續(xù)方程和動量方程中引入質(zhì) 量和動量實現(xiàn)，由于不考慮流體相變，氣液相之間的質(zhì)量傳遞為0。引入體積率描述氣液相的分布規(guī)律。氣液兩相流動方程如下。

氣相模型連續(xù)方程：

氣相模型動量方程：

液相模型連續(xù)方程：

液相模型動量方程：

式中：下角標(biāo)g代表氣相;下角標(biāo)l代表液相;[αg]和[αl]分別為單位體積中氣相和液相體積所占的比例，無因次，滿足[αg+αl=1];[ρg]和[ρl]分別為氣相和液相的密度（kg/m3）;[ug]和[ul]分別為氣氣相和液相的速度（m/s）;[ρ]為壓力（MPa）;[Rg]和[Rl]為氣相和液相之間的摩擦和壓力等阻力作用，兩者的關(guān)系為

式中 [K]為氣液兩相之間的動量交換系數(shù)。

2 物理模型建立

2.1 物理模型

井下渦流工具的基本原理是將井管中的介質(zhì)流體運動方式由原來的垂直向上改變?yōu)檠刂艿膬?nèi)壁方向螺旋狀向上運動，形成螺旋狀的渦流流態(tài)。井下渦流工具的核心組成是一個圓柱形或圓錐形的內(nèi)實體和外面的螺旋葉片，其主要作用是將進(jìn)入內(nèi)實體和井管之間由螺旋葉片分割的螺旋形空腔的介質(zhì)流體沿著螺旋面進(jìn)行加速，實現(xiàn)改變流體的運動方向和提高流速的功能。

當(dāng)氣液兩相流進(jìn)入渦流工具時，流體流動的截面積由于井下渦流工具內(nèi)實體的作用而減小，從而使流體加速，并沿著螺旋面旋轉(zhuǎn)，加速度使得密度較大的液態(tài)流體甩向管壁，流體沿著井下渦流工具的螺旋形空腔向上做螺旋運動。渦流結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

本文所采用的物理模型如圖2所示，其中圖2a）為連續(xù)油管模型及網(wǎng)格劃分圖，模型的直徑為62 mm，長度為5 000 mm。網(wǎng)格劃分模型采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用六面體劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分簡潔，網(wǎng)格質(zhì)量較好，有利于計算收斂。圖2b）為渦流工具模型圖及網(wǎng)格劃分圖，該模型網(wǎng)格劃分部分采用六面體網(wǎng)格，由于渦流工具所在區(qū)域結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，采用六面體網(wǎng)格難以進(jìn)行劃分，切劃分后網(wǎng)格質(zhì)量較差，因此在渦流工具處采用四面體和六面體結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分情況如圖所示。

2.2 邊界條件

模型入口采用速度入口邊界（Velocity-inlet），為液相和氣相指定入口速度，均為4 m/s，入口處壓力為10 MPa，環(huán)境壓力為10 MPa，設(shè)置入口液滴粒徑均一分布，液相體積分?jǐn)?shù)為0.05。出口采用壓力出口邊界（Pressure-outlet），與大氣相連通，相對壓力設(shè)置為0。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 流動特性分析

3.1.1 相分布

圖3為液相分布云圖，左側(cè)為全尺寸連續(xù)油管中液相分布云圖和局部放大模型，液滴受向下的重力加速度。通過分布云圖可以看出，在管壁處存在一定的液相聚集區(qū)域，但是聚集效果不是很明顯，這種聚集現(xiàn)象是由于液滴在運動過程中收到橫向作用力下，而運動到管壁產(chǎn)生局部聚集的現(xiàn)象。右側(cè)為安裝渦流工具后液相的分布云圖，通過分布云圖可以看出在渦流工具的導(dǎo)流作用下，管壁存在明顯的液相區(qū)域，在渦流工具的尾端存在一個明顯的氣相集中區(qū)域，因此渦流工具能夠有效的實現(xiàn)對液相的分流作用。

3.1.2 速度圖

3.1.2.1 軸向速度分布

圖4a）是存在渦流工具和不存在渦流工具條件下，油管中心位置為軸向速度分布曲線。其中z =1 m處為渦流工具末端位置，通過分布曲線可以看出，隨著位置的升高光油管內(nèi)速度變化不是很大，基本保持在4 m/s左右。由于渦流工具的存在，軸線上的速度發(fā)生了很大的變化，其中曲線上存在一段速度為0 m/s，該段是位于渦流工具內(nèi)測，因此不存在流體速度，通過對比渦流工具前后可以看出，流體在進(jìn)入渦流工具前，存在一個速度上升的階段，首先是由于工具的存在縮小了過流面積，從而導(dǎo)致流體速度有所提升，同時也存在壓能和動能之間的轉(zhuǎn)換。圖4b）為渦流工具處動壓能云圖，通過云圖可以看出，該位置處動壓能相對較高，當(dāng)流體進(jìn)入渦流工具后動壓能達(dá)到最大。當(dāng)流體流經(jīng)渦流工具后，流體速度得到提升，因此經(jīng)過渦流工具后氣相速度較原來變大，此時增大了氣相速度，提升了攜液能力。通過對比明顯可以看出渦流工具對氣相提速效果明顯。

3.1.2.2 油管不同位置切向速度

圖5為不同位置處油管內(nèi)切向速度，圖5a）圖為z = 0.3 m處切向速度，對比兩種結(jié)構(gòu)下的切向速度可以看出，在未經(jīng)過渦流工具時，兩結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的切向速度基本沒有什么大的差異，僅僅是在方向上存在一定的差異，該差異主要是由于渦流工具的影響，導(dǎo)致前端流場與光油管不一致。圖5b）為z = 1 m處切向速度，該位置為渦流工具結(jié)束位置，通過對比可以看出，經(jīng)過渦流工具后，流體具有較大的切向速度，流體切向速度最大的區(qū)域靠近管壁附近，但是并沒有完全在管壁上，這主要是由于管壁附近存在一定的液膜，因此該處切向速度急劇減小，在逼近管壁位置切向速度幾乎接近零。圖5c）為z? = 2 m處切向速度，觀察曲線可以看出，該處與光油管相比，同樣存在一定的切向速度，且切向速度相對較明顯，但是對比1 m處切向速度可以看出，該處切向速度已經(jīng)有很明顯的降低。相比z = 1 m處切向速度縮減了10倍。圖5d）和e）為z = 3 m和z = 4 m處切向速度分布，通過觀察各曲線可以看出，在兩個不同的位置，同樣存在一定的切向速度，但是切向速度在根據(jù)軸向位置逐漸降低。相比2 m處分析的降幅，2 m至3 m的降幅相對較小，并且隨著位置的升高降低的幅度越來越小。由此可以看出，渦流工具所產(chǎn)生的旋流作用隨著位置的升高降幅非常明顯，衰減強(qiáng)度很大。

3.1.3 剖面壓力分析

圖6a）為z方向軸線方向上壓力分布曲線，通過分布曲線可以看出，光油管壓降梯度非常規(guī)律比較明顯，呈線性分布。渦流工具存在條件下其前后壓力降低比較明顯，存在一個明顯的壓降。該壓降損失一部分轉(zhuǎn)化為動能，另一部分用于摩擦及兩相流動所產(chǎn)生的內(nèi)能消耗掉。觀察圖6b）可以看出在渦流工具處，其動壓能相對較大，說明壓能轉(zhuǎn)化為動能能量較多。觀察遠(yuǎn)離渦流工具方向上壓力曲線可以看出，安裝渦流工具后整個壓降損失主要產(chǎn)生在渦流工具前后，雖然產(chǎn)生了渦流，但是并沒有增加能量損耗。

安裝渦流工具后， 流體的流動軌跡由直線變?yōu)槁菪€，氣液螺旋上升，流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增大，氣體攜液效率增大。因此，渦流工具的有效作用長度主要取決于螺旋流動維持長度，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度減為0時，此時的流動距離即為渦流工具的有效作用長度。由此可見，入口速度、氣體軸向速度、氣液比等影響旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的因素都是影響渦流工具的有效作用長度的重要因素。入口速度增大，流體所受的離心力在流經(jīng)渦流工具之后增加，螺旋流動程度增加，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增大;氣液比增大，從而含水率減小，截面含液量減小，當(dāng)液滴直徑一定時，含水率越小，液滴數(shù)量就越少，流體流動阻力也隨之減小;當(dāng)流體流經(jīng)渦流工具之后，氣液分離，氣流的阻力減弱，并且氣液比越大，流動阻力減小的程度越小，氣體軸向速度越小，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增大。

3.2 產(chǎn)液量敏感分析

氣井的產(chǎn)液量是排水采氣過程中一個重要的影響因素，由于液相相對氣相而言可壓性差，流動產(chǎn)生阻力較大，液相變化對渦流工具性能影響很大。因此在控制產(chǎn)氣量情況下，對不同含液率進(jìn)行模擬和分析。以下分別對入口含氣率分別為2%，5%，8%，10%和15%等幾種情況進(jìn)行了模擬，并對其油管內(nèi)流場變化情況進(jìn)行了分析。

3.2.1 壓力分布

圖7為z方向軸向壓力分布，通過壓力分布可以看出隨著含液率增加，流體流經(jīng)渦流工具的壓降增大。

3.2.2 軸向速度分布

圖8為軸向速度分布，通過速度分布可以看出，軸向速度分布在該含液率條件下，并沒有受到含液率變化的影響。因此可以看出液量在一定范圍內(nèi)，軸向速度主要受到其結(jié)構(gòu)影響較大，而液相的存在對其影響相對較小。

3.2.3 切向速度分布

z軸向切向速度如圖9a）所示，通過曲線可以看出，隨著距離的增大渦流強(qiáng)度在逐漸的衰減，衰減規(guī)律主要可以分為兩個主要階段，剛脫離渦流工具后的急劇衰減段和后期沿程的穩(wěn)定衰減段。急劇衰減主要是由于缺少了渦流工具的導(dǎo)向作用，通過相分布圖9b）可以明顯的看出，沿壁面流動的液體開始向中間聚集，導(dǎo)致渦流狀態(tài)失穩(wěn)。云圖中可以看出，在脫離渦流工具后，由于重力的作用液相分布云圖呈現(xiàn)1個三角形。觀察圖9a）可以看出隨著液量的增加軸向上切向速度并沒有受到多大影響。

圖10a）為0.3 m處不同含液率下流體的切向速度分布，由于該位置尚未進(jìn)入渦流工具內(nèi)部，因此不同含水率下的切向速度基本上一致，沒有什么太大的變化。圖10b）為渦流工具末端流體切向速度分布點，通過數(shù)據(jù)可以看出該位置條件下，切向速度雖然變化不大，但是存在仍然存在差異。圖10c）為b圖中圓圈位置的局部放大圖，通過局部放大圖可以看出隨著液量的增大軸向速度逐漸的增加。

4 結(jié)論

1）在渦流工具的導(dǎo)流作用下，管壁存在明顯的液相區(qū)域，渦流工具的尾端存在一個明顯的氣相集中區(qū)域，因此渦流工具能夠有效的實現(xiàn)對液相的分流作用。

2）當(dāng)流體流經(jīng)渦流工具后，流體速度得到提升，因此經(jīng)過渦流工具后氣相速度較原來變大，此時增大了氣相速度，提升了攜液能力。

3）渦流工具所產(chǎn)生的旋流作用隨著位置的升高降幅非常明顯，衰減強(qiáng)度很大。

4）存在渦流工具條件下，渦流工具前后存在一個明顯的壓降。該壓降損失一部分轉(zhuǎn)化為動能，另一部分用于摩擦及兩相流動所產(chǎn)生的內(nèi)能消耗掉。

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[責(zé)任編輯 田 豐]