排水采氣螺旋流工藝

1、產(chǎn)水氣井螺旋流工藝技術(shù)2021年7月132螺旋流排水采氣工藝原理螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)與技術(shù)要求氣藏產(chǎn)水危害.降低氣相滲透率，降低氣井產(chǎn)能，提前進(jìn)入遞減期 。.造成設(shè)備和管道腐蝕、磨損以及穿孔。 .最終采收率將降低.井筒易積液造成停噴，管線易積液水堵或冰堵。.增大管柱阻力損失，導(dǎo)致產(chǎn)能下降或停噴。.井筒(管線)易于造成水合物堵塞。螺旋流排水采氣工藝原理排水采氣工藝選型排水采氣工藝工藝選型表排水采氣工藝經(jīng)經(jīng)濟(jì)性比照在取得同樣排水采氣效果的前題下，盡量選用本錢低的工藝。螺旋流排水采工藝適應(yīng)條件工藝適應(yīng)性：適應(yīng)井況：中壓、小水，產(chǎn)氣量在臨界攜液流速上下的井綜合本錢低于泡排，經(jīng)濟(jì)

2、性好缺 點(diǎn).液滴隨機(jī)碰撞，可能合并聚集造成積液；.氣液分子易接觸，易于形成水合物；.沿管線流動(dòng)，攜液能力受流速低影響；.沿程流動(dòng)壓力損失受管線摩阻影響明顯。優(yōu) 點(diǎn).保持小液滴狀態(tài)，降低了積液的可能；.氣液分子易分離，降低水合物形成概率；.增加圓周拖拽力，攜液能力明顯增加；.管線易形成液膜，有效降低管線摩阻。螺旋流排水采氣工藝原理 螺旋流的產(chǎn)生，可分為自然現(xiàn)象(如龍卷風(fēng)、水渦等)和人為強(qiáng)制形成，在這里主要闡述后者。螺旋流的人為強(qiáng)制形成，需要通過(guò)各種裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常人們把各種能產(chǎn)生螺旋流的部件稱為起旋器。螺旋流排水采氣工藝原理 螺旋流的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)流動(dòng)形式具有軸向速度和周向速度分量，流場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)沿管道中

3、心線螺旋前進(jìn)。與普通管流相比，螺旋流具有以下特征：.較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，湍流度低；.具有周向速度分量，管道中心壓強(qiáng)低，外壁壓強(qiáng)高，流體運(yùn)動(dòng)具有向心聚集的趨勢(shì)，這樣在物質(zhì)傳輸過(guò)程中，能使物質(zhì)輸運(yùn)更遠(yuǎn)；.管道橫截面內(nèi)軸向速度分布與普通管內(nèi)湍流更陡峭，流動(dòng)主要集中在中心。多漩渦聚集穩(wěn)定螺旋流排水采氣工藝原理井筒內(nèi)螺旋流下液滴受力圖 地面管線內(nèi)螺旋流下液滴受力圖 在螺旋狀態(tài)下，液滴受重力，氣體對(duì)它的浮力及氣流對(duì)它的曳力，以及切向速度對(duì)它的附加拖曳力：(L-g)gV=gVg(1+cos)2SCd/2其中：為螺旋角。 在螺旋流排水采氣過(guò)程中，由于液滴同時(shí)圓周運(yùn)動(dòng)，氣體分子對(duì)液滴額外的切向拖曳力，切向拖曳力的

4、大小取決于流速的切向分量及螺旋角度，切向分量可以分解為向上的壓差力和維持液滴軸向運(yùn)動(dòng)的切向力。故螺旋角設(shè)計(jì)對(duì)起旋效果至關(guān)重要。 由于額外拖拽力作用，采用螺旋流排水采氣，臨界攜液流速可以降低30%以上。攜液能力機(jī)理螺旋流排水采氣工藝原理壓降減損機(jī)理 在地面螺旋流作用下，由于液滴的圓周運(yùn)動(dòng)，水分子密度較大，在切向拖曳力作用下，在管壁高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成液膜，有效降低管壁摩阻。故螺旋角設(shè)計(jì)對(duì)起旋效果至關(guān)重要。抑制水合物機(jī)理 減小天然氣分子與水分子的接觸時(shí)機(jī)，降低水合物的生成成長(zhǎng)速度。螺旋流排水采氣工藝原理132螺旋流排水采氣工藝原理螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)與技術(shù)要求螺旋流常規(guī)產(chǎn)生方法

5、有以下幾種方法一：旋流器螺旋流起旋方法二：導(dǎo)流片螺旋流起旋方法三：旋轉(zhuǎn)軌道螺旋流起旋缺 點(diǎn)：如導(dǎo)流片的安裝精度要求非常高，螺旋流起旋強(qiáng)度較低，能耗較高，衰減過(guò)快，對(duì)外界依賴條件強(qiáng)等等。螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.擴(kuò)散段+彎頭+收縮段的進(jìn)流方式.導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)方式 .環(huán)狀軸對(duì)稱進(jìn)流結(jié)構(gòu)方式 螺旋流常規(guī)產(chǎn)生的其它方法螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 我公司通過(guò)對(duì)多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化篩選，研究出“子午面徑向向心射入進(jìn)流方式的螺旋流發(fā)生器裝置，并通過(guò)“流場(chǎng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)試實(shí)物模型測(cè)試真實(shí)條件模擬測(cè)試的研發(fā)程序，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 采用全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，壁面附近第一層網(wǎng)格高度0.1mm，總網(wǎng)格數(shù)約81萬(wàn)。坐標(biāo)系取根部圓管

6、底面圓心為原點(diǎn)，軸線方向?yàn)閤軸，z軸 向上，y軸指向紙內(nèi)。螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究螺旋流發(fā)生器內(nèi)流場(chǎng)仿真流線圖 螺旋流發(fā)生器內(nèi)流場(chǎng)仿真沿程截面流線圖 螺旋流發(fā)生器內(nèi)流場(chǎng)仿真截面速度分布 平直氣流流過(guò)進(jìn)氣段進(jìn)入根部圓管內(nèi)，通過(guò)復(fù) 雜的混合作用，然后通過(guò)收縮段，形成穩(wěn)定的 單渦結(jié)構(gòu)螺旋流進(jìn)入出口平直段，其旋轉(zhuǎn)方向 沿流向 看為逆時(shí)針?lè)较颉?在收縮段內(nèi)，多個(gè)不穩(wěn)定的渦結(jié)構(gòu)逐漸衍化為單個(gè)穩(wěn)定的渦結(jié)構(gòu)，在進(jìn)入平直段開(kāi)始(上數(shù)第3個(gè)截面)，旋流中心位于管道中心，流場(chǎng)根本呈中心旋轉(zhuǎn)形式。 x=0.25m位置平直段入口后20mm截面內(nèi)流場(chǎng)切向速度云圖，可見(jiàn)其渦流強(qiáng)度較大。 螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究螺旋

7、流發(fā)生器數(shù)模模型示意圖 網(wǎng)格模型示意圖 為得到更大的螺旋流強(qiáng)度，我們?cè)诖_定了根本結(jié)構(gòu)的根底上，對(duì)流場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)格建模(全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)，壁面附近第一層網(wǎng)格高度0.03mm，總網(wǎng)格數(shù)約為300萬(wàn)。坐標(biāo)系選取根部圓管底面圓心為原點(diǎn)，軸線方向?yàn)閤軸，y軸向上。 螺旋流進(jìn)氣口對(duì)起旋強(qiáng)度影響設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程演示螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進(jìn)氣構(gòu)型的仿真結(jié)果流線圖 構(gòu)型內(nèi)流場(chǎng)仿真沿程截面流線圖 采用平直標(biāo)準(zhǔn)大氣作為入口條件，進(jìn)行發(fā)生器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到了螺旋流現(xiàn)象的數(shù)值仿真結(jié)果。仿真結(jié)果流線顯示，氣流進(jìn)入駐室后垂直流入環(huán)狀縫隙，通過(guò)復(fù)雜的混合作用，在根部圓管內(nèi)產(chǎn)生螺旋，通過(guò)收縮段使螺旋流結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進(jìn)入出口平直段。

8、流場(chǎng)仿真沿程截面顯示，管道根部形成強(qiáng)漩渦，縫隙流入氣流被漩渦吸入，并通過(guò)收縮段逐漸形成穩(wěn)定渦結(jié)構(gòu)，平直段末端渦流強(qiáng)度最大，軸向速度與切向速度約3:1。螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究螺旋流發(fā)生器數(shù)模模型 螺旋流發(fā)生器網(wǎng)格模型 對(duì)于井下螺旋流，考慮實(shí)際井況，在根底設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)根底上，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)了環(huán)狀軸向進(jìn)流方式螺旋流發(fā)生器，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)。 壁面附近第一層網(wǎng)格高度0.05mm，總網(wǎng)格數(shù)約為70萬(wàn)。計(jì)算采用K-模型中的sst湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，求解精度二階精度。 螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究螺旋流發(fā)生器出口仿真流線圖 平直氣流通過(guò)縫隙進(jìn)入根部圓管內(nèi)，相互作用，在進(jìn)入收縮段前產(chǎn)生螺旋，并

9、通過(guò)收縮段得以穩(wěn)定。旋流中心位于管道中心，流場(chǎng)根本呈中心旋轉(zhuǎn)形式，收縮段后的流場(chǎng)穩(wěn)定而有規(guī)律，蜿蜒的流線顯示出渦流強(qiáng)度很強(qiáng)。軸向速度與切向速度之比為3.3:1。 螺旋流沿程流場(chǎng)仿真截面速度分布 螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 在完成理論模型設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬根底上，為驗(yàn)證這些構(gòu)型實(shí)際產(chǎn)生的螺旋流強(qiáng)度，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图?，并在CARDC亞洲最大的風(fēng)洞群進(jìn)行流動(dòng)參數(shù)實(shí)測(cè)，測(cè)試氣流周向旋轉(zhuǎn)速度及其與流向速度的比值，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。螺旋流發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖 螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究單口進(jìn)氣試驗(yàn)結(jié)果圖 對(duì)稱雙口進(jìn)氣試驗(yàn)結(jié)果圖 .單口進(jìn)氣軸向速度約17m/s，切向速度約2.5m/s； .隨著進(jìn)氣口增加

10、，軸向速度逐漸增大，切向速度增大不明顯；.8口進(jìn)氣軸向速度到達(dá)最大，切向速度明顯減小。 三口進(jìn)氣試驗(yàn)結(jié)果圖 四口進(jìn)氣試驗(yàn)結(jié)果圖 八口進(jìn)氣試驗(yàn)結(jié)果圖 螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 在完成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)量根底上，在完成成品(樣品)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)后，再次進(jìn)行了熱線風(fēng)速儀測(cè)試。在出口截面上下左右兩條中軸線上進(jìn)行軸向速度和切向速度的測(cè)量 。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，螺旋強(qiáng)度約為35%,與理論模型較一致。 螺旋流成品實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖 螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 模擬井下工況條件壓力13Mpa，氣體入口速度為0.4m/s，溫度為60，氣體密度137kg/m3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在真實(shí)工況下也將產(chǎn)生較強(qiáng)的螺旋流。采用全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格建模，壁面

11、附近第一層網(wǎng)格高度0.05mm，總網(wǎng)格數(shù)約為78萬(wàn)。坐標(biāo)系選取根部圓管底面圓心為原點(diǎn)，軸線方向?yàn)閤軸，y軸向上。計(jì)算采用K-模型中的sst湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，求解精度同樣為二階精度。螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，我們還按“流場(chǎng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)試實(shí)物模型測(cè)試真實(shí)條件模擬測(cè)試 研發(fā)程序，還重點(diǎn)進(jìn)行了以下的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保產(chǎn)品的技術(shù)可靠性： .入氣口內(nèi)徑、方位和進(jìn)氣腔室大小設(shè)計(jì)優(yōu)化； .螺旋流發(fā)生器導(dǎo)向角對(duì)螺旋強(qiáng)度和起旋穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)； .收縮段長(zhǎng)度與收縮比對(duì)螺旋集結(jié)和強(qiáng)度影響穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)。螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究主要風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估一、耐壓測(cè)試：靜水壓試驗(yàn)， 試驗(yàn)壓力1

12、.5倍設(shè)計(jì)壓力施加于工具一側(cè)， 另一側(cè)通大氣(雙向)，在任一保壓期間，螺旋流工具無(wú)可見(jiàn)的滲漏；二、天然氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)：工具采用手工電弧焊，焊后進(jìn)行焊接檢測(cè)符合NB/T47014-2021?承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定?、NB/T47015-2021?壓力容器焊接規(guī)程?、NB/T47016-2021?承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)?等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；三、剛體腐蝕損壞風(fēng)險(xiǎn)：螺旋流工具采用高強(qiáng)度合金制作，在工具體內(nèi)流道液體接觸外表鍍硬鉻，增加防腐與耐磨性能，目前在油(氣)田最長(zhǎng)使用3年以上，未發(fā)現(xiàn)工具損壞。螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究投撈式井下螺旋流投撈式井下螺旋流工具性能參數(shù)表技術(shù)特點(diǎn)：.可按設(shè)計(jì)要求預(yù)置于井筒

13、任意位置，并可在不動(dòng)管柱情況下隨時(shí)調(diào)整；.投撈調(diào)整簡(jiǎn)單易操作，僅需一臺(tái)電纜車即可完成座封與投撈等工作；.預(yù)置后無(wú)節(jié)流效應(yīng)，對(duì)氣井生產(chǎn)無(wú)任何影響。螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究直通式地面螺旋流直通式地面螺旋流外觀效果圖 直通式地面螺旋流現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖 直通式地面螺旋流工具性能參數(shù)表技術(shù)特點(diǎn)：便于安裝，操作簡(jiǎn)單，承壓高，起旋強(qiáng)度高。螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究旁通式地面螺旋流旁通式地面螺旋流外觀效果圖 旁通式地面螺旋流工具性能參數(shù)表技術(shù)特點(diǎn)：安裝稍顯麻煩，操作簡(jiǎn)單，承壓稍低，但起旋強(qiáng)度更高。旁通式地面螺旋流現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖 螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究132螺旋流排水采氣工藝原理螺旋流工具研發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)

14、化研究現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)與技術(shù)要求積液判斷方法一：攜液流速公式計(jì)算最正確條件：螺旋流臨界攜液流速Vg氣體實(shí)際流速Vg1臨界攜液流速Vg2排水效果： .Vg185%Vg2，可實(shí)現(xiàn)氣井連續(xù)排液，不需要采取其他輔助措施； .85%Vg2 Vg170%Vg2，如果氣井積液較嚴(yán)重，在氣井排出大局部積液后，產(chǎn)量恢復(fù)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)連續(xù)排液，否那么需結(jié)合排液輔助措施，螺旋流可延長(zhǎng)輔助排液措施周期?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)與技術(shù)要求積液判斷方法二：生產(chǎn)油套壓差判斷法積液分析的判斷標(biāo)準(zhǔn)表井下螺旋流對(duì)于“0.8臨界攜液流量比1的產(chǎn)氣井排液效果最好?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)與技術(shù)要求水合物生成判斷：三種方法計(jì)算判斷不同水合物生成溫度預(yù)測(cè)方法比照曲線螺旋流選井盡量在黃色區(qū)域，對(duì)預(yù)防與抑制水合物生成效果最好?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)與技術(shù)要求螺旋流臨界攜液流速及衰減規(guī)律計(jì)算螺旋流臨界攜液流速螺旋流衰減規(guī)律計(jì)算螺旋流強(qiáng)度及衰減規(guī)律預(yù)測(cè)典型曲線圖現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)化