排水采气-螺旋流工艺.

产水气井螺旋流工艺技术2015年7月132螺旋流排水采气工艺原理螺旋流工具研发与结构优化研究现场应用优化设计与技术要求第3页第3页气藏产水危害①.降低气相渗透率，降低气井产能，提前进入递减期。⑥.造成设备和管道腐蚀、磨损以及穿孔。②.最终采收率将降低③.井筒易积液造成停喷，管线易积液水堵或冰堵。④.增大管柱阻力损失，导致产能下降或停喷。⑤.井筒(管线)易于造成水合物堵塞。螺旋流排水采气工艺原理第4页第4页举升方式适应条件优选管柱泡沫气举柱塞举升机抽电潜泵射流泵柱塞-气举气举-泡排目前最大排液量m3/d100（小油管）1204003007080030050600-800目前最大井深（泵）深m270035003000280027002950280028003500井身情况（斜井或弯曲井）较适宜适宜适宜受限受限受限受限受限受限开采条件水气比含砂地层水结垢很适宜适宜化防，较好很适宜适宜很适宜适宜适宜化防，较好敏感受限较差敏感受限较差敏感有影响较差敏感有影响较差适宜受限较差适宜适宜较好设计难易维修管理投资成本运转效率％简单方便低简单方便低较易方便较低较易方便低较低较易较方便较低30较复杂较方便较高65较复杂较方便较高最高34较易方便较低较易方便较低排水采气工艺选型第5页第5页日产气量/104m3地层压力/MPa101.51.51.51.5中压,小水,小气井1.泡排2.柱塞3.深抽中压,小水,大气井1.泡排2.机抽3.柱塞中压,大水,小气井1.开式气举2.半闭式气举3.电潜泵中压,大水,大气井1.开式气举2.气举-泡排10低压,小水,小气井1.深抽2.机抽-气举3.柱塞-气举低压,小水,大气井1.气举-泡排2.柱塞-气举3.半闭式气举低压,大水,小气井1.电潜泵2.气举-泡排3.射流泵低压,大水,大气井1.气举-泡排2.开式气举(油管柱)3.射流泵日产水量100m3日产水量100m3说明:(1)表中气井分类中的大、中、小是相对的;(2)表中的1、2、3表示选型的顺序;(3)复合工艺前者为主,后者为辅。排水采气工艺工艺选型表第6页第6页序号1234567工艺名称泡排柱塞气举气举-泡排射流泵电潜泵机抽直接成本（元/m3）0.1340.1360.2530.1672.881.941.003相对成本比值1.001.011.891.2521.4914.487.49注：“相对成本比值”为其它成本与泡排工艺成本的比值排水采气工艺经经济性对比在取得同样排水采气效果的前题下，尽量选用成本低的工艺。第7页第7页适应条件螺旋流排水工艺目前最大排液量m3/d100目前最大井深（泵）深m3500井身情况（斜井或弯曲井）适宜开采条件水气比含砂地层水结垢很适宜适宜适宜较好设计难易维修管理投资成本运转效率％较复杂简单低-螺旋流排水采工艺适应条件工艺适应性：适应井况：中压、小水，产气量在临界携液流速上下的井综合成本低于泡排，经济性好第8页第8页缺点①.液滴随机碰撞，可能合并聚集造成积液；②.气液分子易接触，易于形成水合物；③.沿管线流动，携液能力受流速低影响；④.沿程流动压力损失受管线摩阻影响明显。优点①.保持小液滴状态，降低了积液的可能；②.气液分子易分离，降低水合物形成概率；③.增加圆周拖拽力，携液能力明显增加；④.管线易形成液膜，有效降低管线摩阻。螺旋流排水采气工艺原理第9页第9页螺旋流的产生，可分为自然现象(如龙卷风、水涡等)和人为强制形成，在这里主要阐述后者。螺旋流的人为强制形成，需要通过各种装置来实现，通常人们把各种能产生螺旋流的部件称为起旋器。螺旋流排水采气工艺原理第10页第10页螺旋流的旋转流场流动形式具有轴向速度和周向速度分量，流场中质点沿管道中心线螺旋前进。与普通管流相比，螺旋流具有以下特征：①.较好的结构稳定性，湍流度低；②.具有周向速度分量，管道中心压强低，外壁压强高，流体运动具有向心聚集的趋势，这样在物质传输过程中，能使物质输运更远；③.管道横截面内轴向速度分布与普通管内湍流更陡峭，流动主要集中在中心。螺旋流排水采气工艺原理第11页第11页井筒内螺旋流下液滴受力图地面管线内螺旋流下液滴受力图在螺旋状态下，液滴受重力，气体对它的浮力及气流对它的曳力，以及切向速度对它的附加拖曳力：(ρL-ρg)gV=ρg[Vg(1+cosθ)]2SCd/2其中：θ为螺旋角。)/arctan(22xzyVVV在螺旋流排水采气过程中，由于液滴同时圆周运动，气体分子对液滴额外的切向拖曳力，切向拖曳力的大小取决于流速的切向分量及螺旋角度，切向分量可以分解为向上的压差力和维持液滴轴向运动的切向力。故螺旋角设计对起旋效果至关重要。由于额外拖拽力作用，采用螺旋流排水采气，临界携液流速可以降低30%以上。携液能力机理螺旋流排水采气工艺原理第12页第12页压降减损机理在地面螺旋流作用下，由于液滴的圆周运动，水分子密度较大，在切向拖曳力作用下，在管壁高速旋转运动形成液膜，有效降低管壁摩阻。故螺旋角设计对起旋效果至关重要。抑制水合物机理减小天然气分子与水分子的接触机会，降低水合物的生成成长速度。螺旋流排水采气工艺原理第13页第13页132螺旋流排水采气工艺原理螺旋流工具研发与结构优化研究现场应用优化设计与技术要求第14页第14页螺旋流常规产生方法有以下几种方法一：旋流器螺旋流起旋方法二：导流片螺旋流起旋方法三：旋转轨道螺旋流起旋缺点：如导流片的安装精度要求非常高，螺旋流起旋强度较低，能耗较高，衰减过快，对外界依赖条件强等等。螺旋流工具研发与结构优化研究第15页第15页①.扩散段+弯头+收缩段的进流方式③.导流锥结构方式②.环状轴对称进流结构方式螺旋流常规产生的其它方法螺旋流工具研发与结构优化研究第16页第16页我公司通过对多种结构优化筛选，研究出“子午面径向向心射入进流方式”的螺旋流发生器装置，并通过“流场数值模拟→实验模型测试→实物模型测试→真实条件模拟测试”的研发程序，进行了结构优化。采用全结构网格，壁面附近第一层网格高度0.1mm，总网格数约81万。坐标系取根部圆管底面圆心为原点，轴线方向为x轴，z轴向上，y轴指向纸内。螺旋流工具研发与结构优化研究第17页第17页螺旋流发生器内流场仿真流线图螺旋流发生器内流场仿真沿程截面流线图螺旋流发生器内流场仿真截面速度分布平直气流流过进气段进入根部圆管内，通过复杂的混合作用，然后通过收缩段，形成稳定的单涡结构螺旋流进入出口平直段，其旋转方向沿流向看为逆时针方向。在收缩段内，多个不稳定的涡结构逐渐衍化为单个稳定的涡结构，在进入平直段开始(上数第3个截面)，旋流中心位于管道中心，流场基本呈中心旋转形式。x=0.25m位置（平直段入口后20mm）截面内流场切向速度云图，可见其涡流强度较大。螺旋流工具研发与结构优化研究第18页第18页螺旋流发生器数模模型示意图网格模型示意图为得到更大的螺旋流强度，我们在确定了基本结构的基础上，对流场区域网格建模(全结构网格)，壁面附近第一层网格高度0.03mm，总网格数约为300万。坐标系选取根部圆管底面圆心为原点，轴线方向为x轴，y轴向上。螺旋流进气口对起旋强度影响设计优化过程演示螺旋流工具研发与结构优化研究第19页第19页进气构型的仿真结果流线图构型内流场仿真沿程截面流线图采用平直标准大气作为入口条件，进行发生器内流场数值模拟，得到了螺旋流现象的数值仿真结果。仿真结果流线显示，气流进入驻室后垂直流入环状缝隙，通过复杂的混合作用，在根部圆管内产生螺旋，通过收缩段使螺旋流结构稳定，进入出口平直段。流场仿真沿程截面显示，管道根部形成强漩涡，缝隙流入气流被漩涡吸入，并通过收缩段逐渐形成稳定涡结构，平直段末端涡流强度最大，轴向速度与切向速度约3:1。螺旋流工具研发与结构优化研究第20页第20页螺旋流发生器数模模型螺旋流发生器网格模型对于井下螺旋流，考虑实际井况，在基础设计结构基础上，进行改进设计了环状轴向进流方式螺旋流发生器，并进行了相应的数值模拟和试验。壁面附近第一层网格高度0.05mm，总网格数约为70万。计算采用K-ω模型中的sst湍流模型，标准壁面函数，求解精度二阶精度。螺旋流工具研发与结构优化研究第21页第21页螺旋流发生器出口仿真流线图平直气流通过缝隙进入根部圆管内，相互作用，在进入收缩段前产生螺旋，并通过收缩段得以稳定。旋流中心位于管道中心，流场基本呈中心旋转形式，收缩段后的流场稳定而有规律，蜿蜒的流线显示出涡流强度很强。轴向速度与切向速度之比为3.3:1。螺旋流沿程流场仿真截面速度分布螺旋流工具研发与结构优化研究第22页第22页在完成理论模型设计和数值模拟基础上，为验证这些构型实际产生的螺旋流强度，我们设计制作了实验模型件，并在CARDC亚洲最大的风洞群进行流动参数实测，测试气流周向旋转速度及其与流向速度的比值，优化结构设计。螺旋流发生器实验装置实物图螺旋流工具研发与结构优化研究第23页第23页-20-10010203040-30-25-20-15-10-5051015202530X(mm)气流速度(m/s)轴向速度切向速度-20-15-10-505101520-30-25-20-15-10-5051015202530X(mm)气流速度(m/s)轴向速度切向速度-20-15-10-5051015202530-30-25-20-15-10-5051015202530X(mm)气流速度(m/s)轴向速度切向速度单口进气试验结果图对称双口进气试验结果图①.单口进气轴向速度约17m/s，切向速度约2.5m/s；②.随着进气口增加，轴向速度逐渐增大，切向速度增大不明显；③.8口进气轴向速度达到最大，切向速度明显减小。-20-15-10-5051015202530-30-25-20-15-10-5051015202530X(mm)气流速度(m/s)轴向速度切向速度三口进气试验结果图-20-10010203040-30-25-20-15-10-5051015202530X(mm)气流速度(m/s)轴向速度切向速度四口进气试验结果图八口进气试验结果图螺旋流工具研发与结构优化研究第24页第24页-20-15-10-5051015202530-25-20-15-10-50510152025X(mm)气流速度(m/s)轴向速度切向速度-20-15-10-505101520-25-20-15-10-50510152025X(mm)气流速度(m/s)轴向速度切向速度在完成实验模型测量基础上，在完成成品(样品)设计开发后，再次进行了热线风速仪测试。在出口截面上下左右两条中轴线上进行轴向速度和切向速度的测量。试验结果表明，螺旋强度约为35%,与理论模型较一致。-20-10010203040-25-20-15-10-50510152025X(mm)气流速度(m/s)轴向速度切向速度螺旋流成品实验装置实物图螺旋流工具研发与结构优化研究第25页第25页模拟井下工况条件压力13Mpa，气体入口速度为0.4m/s，温度为60℃，气体密度137kg/m3。实验结果显示在真实工况下也将产生较强的螺旋流。采用全结构网格建模，壁面附近第一层网格高度0.05mm，总网格数约为78万。坐标系选取根部圆管底面圆心为原点，轴线方向为x轴，y轴向上。计算采用K-ω模型中的sst湍流模型，标准壁面函数，求解精度同样为二阶精度。螺旋流工具研发与结构优化研究第26页第26页在产品设计研发过程中，我们还按“流场数值模拟→实验模型测试→实物模型测试→真实条件模拟测试”研发程序，还重点进行了以下的优化设计，以确保产品的技术可靠性：①.入气口内径、方位和进气腔室大小设计优化；②.螺旋流发生器导向角对螺旋强度和起旋稳定性优化设计；③.收缩段长度与收缩比对螺旋集结和强度影响稳定性优化设计。螺旋流工具研发与结构优化研究第27页第27页主要风险性评估一、耐压测试：静水压试验，试验压力1.5倍设计压力施加于工具一侧，另一侧通大气(双向)，在任一保压期间，螺旋流工具无可见的渗漏；二、天然气泄漏风险：工具采用手工电弧焊，焊后进行焊接检测符合NB/T47