（油气田开发工程专业论文）井下气液分离器的技术研究.pdf

s t u d yo nt h et e c h n o l o g yo f d o w n h o l eg a s - w a t e r s e p a r a t o r l ic h e n g h u a ( d e v e l o p m e n t e n g i n e e r i n go fo i l & g a sf i e l d ) d k e c t e x lb yp r o f e s s o rn il i n g - y i n g a b s t r a c t i no r d e rt o p r e v e n tt h ef l o o d i n go fg a sw e l l ，ah i g h l ye f f i c i e n ta n d c o m p a c td o w n h o l eg a s l i q u i ds e p a r a t o rw i t hs i m p l es t r u c t u r ei sd e v e l o p e d ，s o a st or e a l i d o w n h o l eg a s - l i q u i ds e p a r a t i o n , m j c c t i o no ft h ew a t e ra n d e x p l o i t a t i o n o fn a t u r eg a s t h i sw i l l l a r g e l yr e d u c et h ec o s to fl i f ta n d d i s p o s a l ，p r o l o n gd e v e l o p m e n tl i f e s p a n ，e n h a n c eg a sr e c o v e r y , a b a t et h e p o l l u t i o n ，a n ds i m p l i f ys u r f a c ed e v i c ea n dm a n a g e m e m i tw i l lp l a ya n i m p o r t a n tr o l l i nt h ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t t h es t a t e - o f - t h e a r to f g a s l i q u i ds e p a r a t i o n ，g a s - l i q u i d t w o - p h a s es i m u l a t i o n ，d r o p l e tc o l l i s i o na n d c o a l e s c e n c e ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sr e v i e w e di nt h et h e s i s t h e d i a g n o s i sm e t h o do fg a sw e l lw a t e ra c c u m u l a t i o ni sp r o p o s e d t h ed o w n h o l e n a t u r eg a sp a r a m e t e r sf o rs o m eg a sw e l lo fs h e n g l io i lf i e l da r ec a l c u l a t e d t h eg a st u r b u l e n tf l o wa n dt h eg a s l i q u i dt u r b u l e n tf l o wa r es i m u l a t e dw i t h c f ds o f t w a r ef l u e n tl a b o r a t o r y t e s t i n gs y s t e mi s u s e dt om e a s l l f e s e p a r a t i o ne f f f i c i e n c yo fa u g e rs e p a r a t o r ac o m p a r i s o na m o n gt h el a b o r a t o r y t e s t i n g ，t h en u m e r i c a lr e s u l t sa n dc a l c u l a t e dr e s u l t sr e v e a l st h a tt h e yh a v et h e s a m e d e v e l o pt r e n d st h o u g ht h e r ee x i s t sal i t t l ed e v i a t i o n t h ec f dm e t h o di s a v a i l a b l ef o rt h ec o m p l e xa u g e rf l o wf i e l d t h ec f dm e t h o di sap o w e r f u l t o o lf o rt h eo p t i m u md e s i g no f a u g e rs e p a r a t o r k e yw o r d s ：g a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o w , d i a g n o s i sm e t h o do fw a t e r a c c u m u l a t i o n , a u g e rs e p a r a t o r , r e y n o l d ss t r e s se q u a t i o nm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名盘堡 一年月2 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 石月日 占月2 日 年 年 7 1 o 各 2 灿 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 引言 随着油田生产开发的深入，天然气生产其含水率的上升速度逐年加 快，气水分离及其处理的问题也就越来越突出和重要。截止2 0 0 4 年7 月， 胜利油田探明含气层气油气田3 4 个，共有生产气井3 2 9 口，其中因水淹 关井的气井占2 0 ，出水严重影响生产的气井占1 2 8 ，影响产能 3 0 x 1 0 4 m 3 d 。 井筒内存在少量的液体就可增加气井产层的回压，井底积液造成气 井产气量的减少甚至停产，严重影响着气田的高效丌发，降低了气井开 采期和气臧的最终采收率。所以，气井产水量的不断增加对天然气生产 构成严重威胁的影响越来越受到人们的关注和重视”l 。 目前，我国气田主要的排水采气工艺有抽油机采积液法、化学剂泡 排法2 1 、小油管排液法及水力射流泵排水采气法【3 】，这些工艺方法的技术 共同点是将井下积液采至地面，经输液管线将分离的液体汇聚起来，然 后回注地层，存在着地面设备多、投资大、污染环境等问题。如果研制 一种结构简单、体积小、效率高的分离器，实现井下气液分离、产出水 回注和采气于一体，则可以降低举升和处理费用，增加生产寿命与提高 采收率，减少环境污染，简化地面分离设施和管理，具有很好经济效益 和社会效益。因此，对于这样一种很有发展前景的气液分离器结构，通 过数值模拟和试验研究了解其流体运动状态、流场分布、分离器结构性 能的影响因素，对于气液两相流的理论研究和降低采气成本，都具有非 常重要的意义和价值。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 井下气液分离技术的发展现状 1 2 1 国外发展现状 自9 0 年代以来，国外注意到传统工艺在开采高含水气田所存在的问 题，研究采用低污染、低投入、高产出的采气新工艺，在改进分离设备 上取得了长足的进步，成功地研究出井下气液分离与产出水直接回注技 术。加拿大c f e r 公司对井下气、液分离技术进行了研究，艾伯塔省 p a n c a n a d i a n 公司在加拿大某气田现场进行了试验翻。 该技术是把水力旋流器与常规井下采气系统相结合，实现采气、气 液分离和采出水同时注入同井地层。其原理是在井下利用某种分离装置 将地层产出的气水进行分离，然后将富气流( 气多水少) 举升到地面， 而将富水流( 水中气很少) 在井下直接回注到某个选定的含水层或报废 地层中。 国外现场试验结果表明，用气液分离器在井下进行气液分离使采到 地面的水降低了一个数量级。而对采气量基本无影响。该井下分离回注 技术可大幅度降低举升成本和操作成本，节省地面水处理费用。可以延 长气田的开采期，提高采收率，减少环境污染，提高投资效益，具有简 单、经济的特点。 1 2 2 国内发展现状 尽管我国进行了井口气液分离器的研究工作，在各油田进行了现场 应用，取得了一些成果。对井下油水分离技术也取得了一定的进展。 但对于井下气液分离器的研究却未见报道。且国外商家对该技术保密， 相关文献和报道很少，目前我国部分气田己进入中、高含水期开采阶段， 气田生产废水的处理是一个重大问题。聚合物采气等新技术的开发与应 用，更增加了气、水分离的难度。因而需要找出新的高效分离设备，以 节省地面建设投资，改进或简化天然气集输工艺流程。井下气液分离技 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 术的研究与应用可以满足这种形势的要求，因而应进行这一新技术的自 行开发研究与应用工作，以提高我国的采气技术水平。 1 3 螺旋气液分离器的研究应用进展 螺旋气液分离器是一种结构简单、新型、商效、紧凑的气液分离装 置。可用于地面或井下天然气开采中的气液分离【刀，石油开采中的油气 分离 8 - 9 1 ，航空宇宙中的氦气分离”0 1 ，还可用作水处理装置【1 。一般螺 旋分离器的工作原理：流体介质沿切向从设备的侧面进入，由上而下流 动，分离器中的固定式螺旋状叶片使流体旋转。由于密度差的存在，密 度小的流体向分离器内壁处移动，密度大的流体向分离器外壁处移动， 由于重力作用密度大的流体向下流动分离出来，密度小流体向上流动分 离出来。分离器的工作性能取决于螺旋的螺距、直径和长度，以及液流 和气流的流量。 用于预测螺旋分离器工作性能的方程式过去曾经也被研究推导， 1 9 9 2 年，m a r k o v ，v o l k ，e r s h o v l l 2 1 还通过试验分析研究螺旋分离器内影 响流体介质流动的因素，给出了部分的经验近似公式，也有针对压力损 失定量计算的例子f 。但其只是针对某些螺旋分离器而言。由于气液两 相流场内流体运动的复杂性，实际的流场情况还不能够准确描述，分离 器的分离效率无法用定量公式计算，针对不同的分离器，只能通过经验 公式、室内试验和计算流体力学知识来确定其分离效率，通过不同结构 参数的调整，得到相应的分离效率，取其最佳值，来优化分离器的结构 参数。 液滴在螺旋运动过程中相互碰撞粘接，逐渐聚结成为大液滴【l ”，在 离心力和重力作用下，从气相中分离出来。若利用经验公式进行计算， 由于气液流场不确定因素较多，由此而带来的误差较大，不能很好地适 应工程应用的需要。因此，对螺旋气液分离器进行数值模拟研究，且主 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 要应着眼于气液两相流模型和液滴碰撞团聚模型这两方面，通过流场的 数值模拟，并结合试验进一步开展研究工作。 1 4 气液两相流模型的研究进展 气液两相流动是工业生产中的一种常见现象，普遍存在于油气开采 过程中。对于气液两相流的数值模拟首先要解决的就是建立气液两相流 计算模型【j 。完整的气液两相流流场计算模型包括运动方程式的模型化、 边界条件的处理、数值计算方法、编制计算程序、计算结果可视化【l6 】等 内容。由于气液混合体的运动远较单一流体的运动复杂，因而大量的注 意力被倾注于其运动方程式的建立。由于考虑了相之间的扩散效应，扩 散相的运动规律是研究难点。6 0 年代早期对化学、原子能工业中的蒸汽 水两相流的研究，进一步引出了扩散相的形状变化问题。两相流动的湍 流模型还只能从单相流中k 一占模型和雷诺应力模型简单推广，将由颗粒 引起的脉动效应，通过一些修正加入到各湍流模型方程中。 目前有关两相流动的模型已有大量的报道，从刻划的尺度及属性上 区分，主要有3 大类模型： ( 1 ) 连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ) 。此类模型将颗粒相看成是拟流 体，这是目前在两相流动研究领域中使用最为广泛的一种方法。如果颗 粒相只被处理成一相的话，常常又被称为双流体模型( t w o f l u i dm o d e l ) 。 这类模型对颗粒、流体皆采用欧拉坐标。 ( 2 ) 离散颗粒模型( d i s c r e t ep a r t i c l em o d e l ) 。此类模型只将颗粒看作是 离散相，而流体仍然被视为连续相，它对每个颗粒与流体以及颗粒与颗 粒间的作用都详细考虑。由于此模型可以跟踪所有颗粒的运动轨迹，也 常被称为颗粒轨道模型( p a r t i c l e - t r a j e c t o r ym o d e l ) 。这类模型对颗粒相采用 拉格朗日坐标，而对流体采用欧拉坐标。限于计算规模，目前的颗粒轨 道模型还不能模拟真实条件下的运动情况。为了降低运算量，m o n t e c a r l o 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 法引入碰撞几率的概念，颗粒间的碰撞由碰撞几率而不是颗粒的运动轨 迹所决定。 ( 3 ) 流体拟颗粒模型( p s e u d op a r t i c l em o d e l ) 。该类模型从刻划单颗粒 尺度上的运动行为入手，不仅将宏观离散的颗粒当成离散相处理，还将 宏观连续的流体也采用拟“颗粒”性质的流体微团来处理，从而可以模拟 远离平衡态的系统。这类模型对流体、颗粒的运动都是采用拉格朗日坐 标描述。 目前广泛使用的是连续介质模型，它假设两相物质的运动各自被一 纽连续介质力学的偏微分方程组所描述。它们在各自所占的区域内满足： 质量守恒，动量守恒；在交界面上满足；质量跳跃条件，动量跳跃条件 0 7 。但是一般并不需要知道流体运动的详细情况，而仅需了解它的宏观 运动状况。因而，很多研究者为了不同的使用目的，在一定的假设条件 下提出了两相混合体的平均运动模型。1 9 7 2 年v a nw i j i n g a a r d e n t l s l 提出了 著名的气液混合体运动方程。c a f i s h l l 9 l 等在小气泡、小空穴比的假设条 件下，经过对各物理量的量级分析，采用极限方法得到了混合体的平均 方程。 目前，专门研究气液两相流流场数值模拟的成果尚不多见。从建立 流场计算数学模型的角度考虑，气液两相流中可划分成两种流动形态f 1 3 j ： 稀相流动( 气体相中含有少量液相) 和稠相流动( 液体相中含有少量气相) 。 对于稀相流动的研究很少。气液两相的研究主要集中在稠相流动的研究 方面，而且主要是采用双流体模型进行研究的。螺旋分离器这种结构下 的气液两相流属于稀相流动，其内部流场更加复杂，影响因素较多，计 算比较困难，所作的研究几乎是空白。 1 5 液滴碰撞团聚的研究进展 气液两相流系统中，液体颗粒团聚物对两相流动的多方面行为产生 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 影响。但目前对于液体颗粒团聚物的研究还鲜见报道，颗粒两相流的研 究主要集中于固体颗粒碰撞团聚的研究。本文试图在了解气固两相流中 固体颗粒碰撞团聚的研究方法和思路上，将其可行性的研究方法及思路 应用到气液两相流中液相颗粒碰撞团聚的分析研究中。 根据目前的研究结果可知，颗粒两相流体的重要特征之一为颗粒团 的流动。对于颗粒团的概念，没有统一的定义，不同的文献存在不同的 理解，1 9 7 8 年y e r u s h a l m i 和c a n k u r t 快速流化床的研究中运用了颗粒团的 概念，而在同年g a j d o s 和b i e r l 的报告中则表明快速流化床中并不存在颗 粒团。1 9 9 8 年由长福将这些不同的理解进行综合归纳，对颗粒团在计算 和分析中分别进行定义，得到一个统一的概念。计算中的定义为：由多 个单颗粒经粘附、吸引等因素形成的具有独立存在特性的颗粒集合；分 析中颗粒团的定义为：由多个颗粒积聚成的集合。 目前对颗粒团的行为大多采用试验手段进行研究。测试方法主要以 图像分析为主，试验结果较多是通过定性分析得出，对颗粒团的特性存 在较多的分歧，体现在颗粒团的形状、尺寸、形成机理、破碎过程等方 面，而定量上的结论则极少有文献涉及 2 0 l 。对于颗粒团形成原因存在几 种不同的观点：1 9 7 6 年b a s u 2 1 j 认为颗粒团的形成是由于颗粒尾迹的影响。 1 9 9 2 年吴文渊、李静海等【2 2 】认为颗粒团的形成的主要原因是颗粒间的 v a n d e r w a a l s 力、静电力及颗粒间其它力提供了颗粒团聚所需的内聚力。 但这些力一般只有在颗粒充分接近时才发挥显著作用【2 3 1 。尽管颗粒流体 悬浮系统中颗粒间平均距离都比较大，然而颗粒在流体的湍流、涡流作 用下并不能始终保持平均距离，而发生相互碰撞使其距离接近到v a i ld e r w a a l s 力、静电力及颗粒间粘性力的作用范围，从而形成颗粒团聚。1 9 9 8 年由长福则认为颗粒团的形成主要是由于流体流动的影响，同时考虑单 颗粒闻碰撞后的粘附、吸引等因素的影响。 6 中国石油人学( 华东) 硕十论文第1 章前言 颗粒间的碰撞过程是形成颗粒团的重要因素之一。单颗粒间的碰撞 过程是一个极其复杂的物理过程，其中必然包括颗粒的破碎与粘附等现 象。由此而产生的单颗粒与颗粒团的碰撞以及颗粒团之间的碰撞是一个 更复杂的物理过程，定量的试验数据及结论尚未见文献报道。要考虑这 些因素的影响是一件很困难的事，为此目前颗粒团的运动模型一般只考 虑单颗粒之间的碰撞。 1 6 数值模拟的发展 研究流体运动规律的主要方法有三种：一是试验研究，它以地面试 验为研究手段；二是理论分析方法，它利用简单流动模型假设，给出所 研究问题的解析解；另一种是数值模拟方法，它与计算流体动力学c f d 和计算机硬件的发展息息相关。 与其它方法相比，采用数值模拟的研究方法来研究流体运动的基本 物理特性具有如下几个优点脚1 ： f 1 1 给出流体运动区域内的离散解，而不是解析解。这区别于一般理 论分析方法： ( 2 ) 它的发展与计算机技术的发展直接相关。因为可能模拟的流体运 动的复杂程度、解决问题的广度和所能模拟的物理尺度以及给出解的精 度，都与计算机速度、内存及输出图形的能力直接相关； ( 3 ) 若物理问题的数学模型( 包括数学方程及其相应的边界条件) 是 正确的，则可在较广泛的流动参数( 如马赫数、雷诺数、模型尺度等) 范围内研究流体力学问题，且能给出流场参数的定量结果。 目前流动的数值模拟计算方法主要有；有限差分法( f d m ) 、有限元 法( f e m ) 、有限体积法f f v m ) 、有限分析法( f a m ) 等。 1 6 1 有限差分法 有限差分法是应用最早、最经典的c f d 方法，目前已发展了多种收 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 敛性好、粘度高的离散格式，如通量校正传输、通量分裂、守恒律系单 调上风格式( m u s c l ) t 2 5 j ，总变差减小格式f n ，d ) f 2 ”7 】，并发展了实体坐 标系【2 8 - - 2 9 1 等，极大地扩大了有限差分法解决问题的能力。k a r k i f 3 川基于广 义非正交坐标系、控制容积法，通过网格变换求解了在复杂结构中的不 可压缩粘性流动问题；张涵信【3 1 l 发展了反扩教法及无参数无振荡的耗敖 格式( n n d ) ：李松波【3 2 】系统研究了拟线性双曲型守恒律方程组间断解计 算的耗散守恒格式理论，导出了两类耗散守恒格式及其一致二阶格式： 蔡晋生1 3 3 1 等采用在连续性方程中加入压力对时间的导数项，形成拟压缩 的n a v i e r - s t o k e s 方程，利用b e a m - w a n n i n g 近似因式分解方法，求解了流 场中的非对称脱体涡；m = t h y d 4 1 等利用非结构网格的有限差分法研究了 周期性几何通道中流体的流动与传热问题，用s i m p l e 算法求解了该问 题。 1 6 2 有限单元法 有限单元法由于具有较好的复杂结构的适应性在流体力学中的应用 日益增多，并不断地改进流体力学中的有限单元法。已提出耗散的 g a l e r k i n 有限元法脚1 ，有限元通量校正传输p 6 i 等方法。h u g h e s 等1 3 7 】提出 了采用s u p g 有限元法求解对流扩散方程，以解决其数值不稳定和数值 发散问题。在此基础上，h u g h e s 等口8 1 还研究了g a l 盯l d n 最小二乘法来求解 对流扩散方程；c o d i n a 等p 9 j 提出半隐式分步有限元法求解可压缩及不 可压缩流动问题；p e l l e f i 一删等采用自适应有限元法来解决强迫对流传热 问题，通过非结构网格高阶有限元近似的原始变量法获得了解；吴江航 1 4 1 1 提出l 收敛有限元一有限差分混合格式。 1 6 3 有限体积法 有限体积法是将计算区域划分为一系列控制体积，将待解微分方程 对每一个控制体积积分得出离散方程。有限体积法的关键是在导出离散 8 中国石油人学( 华东) 硕十论文第1 章前言 方程过程中，需要对界面上的被求函数本身及其导数的分布作出某种形 式的假定。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且 离散方程系数物理意义明确，计算量相对较小。1 9 8 0 年，s v p a t a n k e r 在其专著( n u m e d c a lh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o w ) 4 2 】中对有限体积法作 了全面的阐述。此后，该方法得到了广泛应用，是目前c f d 应用最广的 一种方法。当然，对这种方法的研究和扩展也在不断进行，如p c h o w 提出了适用于任意多边形非结构网格的扩展有限体积法【4 3 】。 1 6 4 有限分析法 有限分析法是由美国籍华裔科学家陈景仁教授在在1 9 8 1 年提出的。 在这种方法中，也像有限差分法那样，用一系列网格线将区域离散，所 不同的是每一个节点与相邻的4 个网格( 二维) 问题组成计算单元，即一个 计算单元由个中心节点与8 个邻点组成。在计算单元中把控制方程中 的非线性项( 如n a v i e r - s t o k e s 方程中的对流项) 局部线性化( 即认为流速已 知) ，并对该单元上未知函数的变化型线作出假设，把所选定型线表达式 中的系数和常数项用单元边界节点上未知的变量值来表示，这样该单元 内的被求问题就转化为第一类边界条件下的个定解闯题，可以找出其 分析解；然后利用这分析解，得出该单元中点及边界上8 个邻点上未 知值间的代数方程，此即为单元中点的离散方程。关于有限分析法的内 容文献4 4 ，4 5 d p 有进一步的介绍，文献 4 6 ，4 7 是关于有限分析法的专 著。有限分析法中的系数不像有限容积法中那样有明确的物理意义，对 不规则区域的适应性也较差。 由于有限体积法是c f d 应用最广，且目前最适合c f d 应用，因此 本文数值模拟所用方法为有限体积法。 1 7 主要研究内容 天然气生产含水率的上升速度逐年加快，因水淹而关井的情况越来 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 越严重，目前迫切需要一种结构简单、体积小、效率高的分离器，实现 井下气液分离、产出水回注和采气于一体。但由于螺旋气液分离器内两 相流场的复杂性，目前很难用解析的方法来描述整个流场特性，螺旋结 构参数对分离器性能的影响尚缺乏准确的认识，分离效率还没有合适的 求解方法。 针对以上问题，先对井下气液分离器中各参数进行初步计算，把天 然气的地面流量，粘度等参数换算成地层条件下对应的值，计算不同螺 距下把不同大小的液滴分离出来所需最少的螺旋个数；再用f l u e n t 软 件对气液分离进行数值模拟，得到气液分离器内部流场结果及分离效率 和压降损失；然后进行室内试验，验证数值模拟的正确性和可靠性。 论文主要的研究内容： ( 1 ) 对井下气液分离技术的发展现状、气液两相流模拟、液滴碰撞团 聚理论和数值模拟等的研究进展进行了评述。 ( 2 ) 以胜利油田某气井为例，对井下天然气的流量、密度、粘度等参 数进行了计算；提出了天然气井积液诊断方法，并对气井积液程度进行 了判断；对螺旋分离器螺距和螺旋圈数进行了初步选型；对井下油套环 空气液两相流型进行了初步判断。 ( 3 ) 应用计算流体动力学软件f l u e n t 对螺旋结构内气体单相湍流 流场进行了数值模拟，得到了螺旋结构流体的流动场分布状况。通过不 同工况下压力云图、压降曲线和流体迹线图的比较分析，得到了不同螺 旋结构对分离器的压力损失和流场的影响关系，为全面了解和认识螺旋 结构内流体流动状况提供了依据。 h ) 在湍流和两相流理论分析的基础上，考虑气液两相流中液体颗粒 运动的随机性特点，对颗粒相采用随机轨道模型，应用f l u e n t 研究了 井下螺旋气液分离器不同螺旋结构对分离器内气液两相流动的影响关 l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 系，得到了分离器内流体的流动场分布状况及分离效率特性，并以线图 显示液体颗粒运动的轨迹。计算结果表明，应用c f d 方法可以全面地显 示并了解两相流场的流动状况，为优化调整分离器结构提供了必要的基 础工作。 ( 5 ) 搭建了螺旋分离器分离效率测试的实验装置，对分离效率进行数 据采集。实验结果表明：试验结果与用f l u e n t 对流场的数值模拟结果 相似，并且也与初步理论计算的结果在一定范围内相似。所以该模拟方 法对复杂流场进行计算是可行的。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下工况和分离器性能的理论计算 第2 章井下工况和分离器性能的理论计算 2 1 井下工况的理论计算 本文以胜利油田某气井为例进行井下工况理论计算，此井完钻井深 1 1 7 0 o m ，人工井底1 1 5 7 o m ，油层套管1 3 9 7 m i n x l l 6 1 5 8 m ，水泥返至 地面。投产1 号气层后，井段9 6 7 0 - 9 7 5 3 m ，射孔井段9 6 7 0 - - , 9 7 0 o m 。 投产初期套压7 4 m p a ，3 0 m m 气嘴日产气能力为5 0 0 0 m 3 d 。目前，该井 油、套压均为7 0 m p a ，日产气能力为5 0 0 0 m 3 d ，日产水5 m 3 d ，累产气 3 0 5 6 6 x 1 0 4 m 3 。 2 1 1 压缩因子的计算h s 】 ( 1 ) 体积系数 体积系数吃定义为地面标准状态( 2 0 ，o 1 0 1 3 2 5m p a ) 下单位体积 天然气在地层条件下的体积，其数学表达式为： 矿 吃5 q - 1 ) 式中 圪地层条件下行t o o l 气体的体积，m 3 ； 匕电面标准状态下nt o o l 气体的体积，( 标) m 3 ； b 。天然气的体积系数，m 3 ( 标) m 3 。 地面标准状态下的天然气体积可用理想气体状态方程表示： 矿：丝堡( 2 2 ) j r p 地层条件下的天然气体积可用压缩因子状态方程表示： v ：z n r t ( 2 3 ) p 将式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 代入式( 2 1 ) 并取标准状态p , c = o 1 0 1 3 2 5 m p a ， 1 2 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章井下工况和分离器性能的理论计算 砭= ( 2 7 3 + 2 0 ) k ，t = ( 2 7 3 + 4 4 ) k ，p = 7 m p a 则： b 。：旦坦：z 0 1 0 1 3 2 5 x ( 2 7 3 + 4 4 ) ：1 5 6 6 l o 一2 z ( 2 - 4 ) 8 p r , c7 ( 2 7 34 - 2 0 ) ( 2 ) 压缩因子z 用s k 图版法求压缩因子z ，使用步骤如下： 乱用k a y 法则确定天然气的临界参数。 b 确定视对应参数，公式为： t 磊2 考 ( 2 - 5 ) 霉= p 一 ( 2 6 ) 式中p 油藏压力，m p a ； r 油藏温度，k 。 单组分气体亦可由式 ( 2 - 5 ) 计算对应参数，此时 将该气体的l 临界压力p 。、临界 温度瓦分别代替式中的磊、 z 即可。此文中。假设天然气 只由甲烷组成。甲烷的临界压 力p c = 4 6 0 4 m p a ，临界温度 疋= 1 9 0 5 5 k 。所以： 芦，= 7 4 6 0 4 = 1 5 2 霉= 3 1 7 1 9 0 5 5 = 1 6 6 c 由视对应参数，查s k 图版( 如图2 1 所示) ，得到压缩因子 1 3 羹 图2 - is t a n d i n g k a t z 图版 z = 0 9 ； 靠 兰堡坚燮堂! 望奎! 堡主丝奎 墨! 童茎! 三堡塑坌塑墨丝丝笪垄堡笪苎 所以： b g = 1 5 6 6 x1 0 2 z = 0 0 1 4 0 9 皱= q 磁2 5 0 0 0 x 0 0 1 4 0 9 = - 7 0 4 5 m 3 d 2 1 2 天然气物性参数【4 9 】 油、套压均为7 0 m p a ，井底温度大约4 4 时天然气粘度的计算 方法： ( 1 ) 天然气的临界参数鼠= 4 6 0 4 m p a 、t = 1 9 0 5 5 k 、m ，；1 6 和 p c = 1 6 6 k g m 3 ； ( 2 ) 低压下天然气的粘度= o o l1 5 m p a s ； 一! ( 3 ) 粘度对比参数z = 0 2 1 7 3 之三了= 0 0 4 7 1 6 ； 下 m i 2p3 c ( 4 ) a p i 推荐用下列方程式计算高压下气体粘度。该方法可用于临界 温度以上的任一压力下气体粘度的计算： ( 一) 五= l o 8 l o - 2 e x p ( 1 4 3 9 , 0 , ) 一e x p ( 1 1 l 8 5 8 ) 】 ( 2 7 ) p , c = 1 2 0 5 朋m 。= 1 2 0 5 x 蔷一o s 岱 像s ， 乓2 攻篆= 疾淼卅肿沼， p r = p i p e = 4 7 1 7 1 6 6 = 0 2 8 4 ( 2 1 0 ) 式中 高压下气体的粘度，m p a s ； a 低压下气体粘度，m p a s ： 所对应密度： 岛_ 体密度，k g m 3 ； 成气体临界密度，见= 1 圪，k g m 3 ； 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下工况和分离器性能的理论计算 屹气体临界体积，m 3 k g ； 天然气视临界温度，k ； 膨，天然气视相对分子质量； n 天然气视临界压力，m p a 。 解得： 段= 0 ，9 ll m p a s 所以天然气地层状态下的流量绞= 7 0 4 5 m 3 d = 8 1 5 4 x 1 0 4 m 3 s ，粘度 毪= o 9 1 l m p a s ，密度岛= 4 7 1 7k 。而产水量g = 5 m 3 d = 5 7 8 7 x1 0 5 m 3 s ，所以，气液比为1 4 0 9 ；干度为0 3 9 9 。 2 2 天然气并筒积液诊断 在天然气生产过程中一般都不同程度地产液，大多数气井在正常生 产时的流态为雾状流，水以液滴的形式由气体携带到地面，气体呈连续 相而水相呈非连续相。随着气藏压力和天然气流动速度的逐步降低，致 使气藏中的产出水或凝析液不能随天然气流携带出井筒时，水将与气流 星反方向流动，从而滞留在井筒中。这些液体在一段时间内聚集于井底， 形成积液，增加了气层额外的静水回压，导致气井自喷能量持续下降， 限制井的生产能力。通常，如果这种情况持续下去，井筒中积液终会将 气压死，导致气井停产，降低了气井开采期和气藏的最终采收率。所以， 气井产液量的不断增加对天然气生产构成严重威胁的影响越来越受到人 们的关注和重视。 2 2 1 天然气井筒积液诊断原理 ( 1 ) 实际流速与最低携液流速 1 9 6 9 年t l l n l e r 【5 0 】等进行了气带液问题进行研究，以液滴模型为依据 提出了计算气流携带液滴的最低气体流速公式，该理论经过后人的不断 深入研究、应用与完善，目前己得到广泛应用，其基本思路： 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下工况和分离器性能的理论计算 气流中液滴的向下沉降的力g 为 ， 。g ：珊业g 岛 ( 2 1 1 ) 气体对液滴的向上的曳力f 为 f ：舰业( 2 - 1 2 ) 4 d p t 式中g 液滴向下沉降的力，n ； m ，掖滴质量，k g ； 岛液体密度，k # m 3 ； 岛气体密度，k g m 3 ； g 重力加速度，m s 2 ； ，气流对液滴的曳力，n ； g 曳力系数，无因次，其值取决于液滴雷诺数，雷诺数大于 1 0 0 0 时q = o 4 4 ； e 液滴自由沉降的最终速度，m 括； d 液滴直径，m 。 当气流中液滴向下沉降的力等于气流对液滴向上的曳力时，液滴自 由沉降达到最终速度”。由f = g 得 一= 掣r 假设油管内的流动遵循牛顿液体的流动规律，当气流速度k 等于液 滴沉降的最终速度e 时，直径为d 的液滴就能被气流夹带到地面。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下工况和分离器性能的理论计算 纠= 掣r 协 因视为牛顿液体，取g = 0 4 4 则： - 掣 o ， 从式( 2 1 5 ) 可以看到，液滴直径愈大，携带液滴所需的气体流速 愈大。如果最大直径的液滴都能携带到地面，井底就不会发生液体聚集。 但是，最大液滴的直径如何确定，t u r n e r 等人利用韦伯数( w e b e r n u m b e r ) 解决了这一问题。 对于气流运动中的液滴受到两种相互对抗力的作用，一种是企图使 液滴趋于扁平形的速度压力( 即惯性力) ( b ) ，另一种是力图保持它 完整的表面压力( o i d ) 。这两种力的比值，称为韦伯数。 w e ：型( 2 1 6 ) 韦伯数与气体流速的平方成正比，当流速大到足以使韦伯数达到临 界值2 0 3 0 ，速度压力起主导作用，液滴就容易破坏。取稳定液滴的极 值3 0 代入式( 2 1 6 ) ，解出直径d 视之为最大液滴的直径 以罢 ( 2 1 7 ) 2 面 旺。 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 5 ) ，则携带最大液滴的最小气体流速为 ，。： 4 x 3 0 t r g ( p t - p 。) 1 。 ( 2 1 8 ) 驴l ”z 以j 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章并下工况和分离器性能的理论计算 一s 愕r | 亿 理论上讲，当气流速度v 小于携带液滴的最低气体流速1 ，。时，井筒 发生积液。 ( 2 ) 表观流速与气泡在静液中的上升速度 当天然气井积液并导致水淹时，表现为井口产气量急剧下降或停止 产气，不产水或产水很少。此时井底和井筒已有大量积液。井筒中气液 两相流的流动型态为段塞流或泡流，气液两相流动的能量损失主要表现 为滑脱损失。井简中的流道空隙几乎全为积液充填，而气相占据的流道 空隙很小。 如果根据某一口天然气井实际生产中测得数据计算出的气相在井底 的表观速度小于在同等条件下气泡在静止液体中的上升速度，我们即可 视为其存在积液现象。 由于第二种方法简单可行，数据容易测量，因此选用第二种方法作 为诊断气井是否水淹的依据。 2 2 2 天然气井积液诊断方法 在天然气井实际生产中，日产气量q 、日产水量q 、井底压力p 、 井底温度丁、天然气相对密度( 比重) 屏、套管内径识、油管外径九是比 较容易测得的数据。现在就根据这些已测得的数据来进行天然气井积液 诊断。 气相表观速度： 液相表观速度： 两相混合速度 。：鱼 昭 彳 驴鲁 v _ ；呕+ v d 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下工况和分离器性能的理论计算 ( 1 ) 气泡在静止液体中的上升速度 a 气泡在静止液体中的上升速度计算 气泡在静止液体中的上升速度计算公式为： v b = 1 5 3 9 8 盯( 舟- p , ) p , 2 1 0 ” ( 2 2 0 ) 式中盯气、水间的表面张力，n m 。 b 气水表面张力的计算 在任一温度f 下，气水表面张力： 删。盟等唑酢3 3 3 ) 一o ( 1 3 7 7 8 ) 1 + t r ( 1 3 7 7 8 ) ( 2 - 2 1 ) 其中， t r ( 1 3 7 7 8 ) = 5 2 5 0 8 7 0 1 8 p ( 2 2 2 ) 一2 3 3 3 ) = 7 6 e 。0 嗍5 7 5 ( 2 2 3 ) 式中p 压力，m p a ： t r ( 1 3 7 7 8 ) 温度为1 3 7 7 8 。c 时气水的表面张力，m n m ； c r ( 2 3 3 3 ) 温度为2 3 3 36 c 时气水的表面张力，m n m ： f 地层条件下的温度，。 c 地层水的密度 a = ( 1 0 8 3 8 8 6 5 1 0 5 4 6 x 1 0 。4 t 一3 0 6 2 5 4 x 1 0 6 t 2 ) x 1 0 3 ( 2 2 4 ) ( 2 ) 积液诊断 当 v b ，即井底气相表观速度小于在同等条件下气泡在静止地层 水中的上升速度时，表明井筒中天然气占据的流道面积很小。此时天然 气在井筒中可能以以气泡的形式上升，其流速即为气泡的上升速度。这 即可判断气井已经存在积液现象，若不采取措施。经过一段时间的开采 将产生水淹，从而导致气井减产或停产。 1 9 主里互塑盔堂! 兰奎! 堡主堡奎箜! 兰茎! 三堡塑坌查墨丝墼竺墨丝盐茎 ( 3 ) 积液等级的划分 当气井已经水淹时，天然气在井筒中的流速等于在同等条件下气泡 在静止地层水中的上升速度。设天然气占据井筒中的流道面积为a 8 ，则 有 绞= v b a g = v 昭彳( 2 - 2 5 ) 所以， 4 。：型：里 ( 2 2 6 ) 蟮蟹 则井筒中真实含气率为： 西：垒：鳖( 2 - 2 7 ) a 并筒中体积含气率： = q q + gq ，= 去 q - 2 8 ) 由式( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 得，井筒中真实含气率与体积含气率之比为： 生：奠鱼：监 ( 2 2 9 ) ph v b 积液等级按以下方式划分： 当丢s o 2 5 时，定为强度积液； 当0 2 5 鲁o 6 。时，定为中度积液； 当o 6 0 吾 1 0 0 时，定为弱积液； 当兰1 0 0 时，定为未积液。 口 ! 鱼互塑盔堂! 兰查! 堡主丝壅 笙! 兰茎：e 三堡塑坌塞堡丝壁塑里丝盐簦 2 2 3 积液诊断算例 钠表观勰k = 鲁= 淼等= 1 3 1 x 1 0 - j ( m s ) 液相表观速度：=鱼=淼=933x10-3(msa62 0 21 0 ) “ 一j 7 气水表面张力； o ( 1 3 7 7 8 ) = 5 2 5 一o 8 7 0 1 8 p = 4 6 4 1 2 3 3 3 ) = 7 0 e 4 0 3 6 2 5 7 5 p = 5 8 9 6 a r ( r ) ：( 1 3 7 7 ：8 = - ：t ) x l 一8l ( h z j 3 3 ) 一o - ( 1 3 7 7 8 ) 】+ o ( 1 3 7 7 s ) ：5 6 6 9 i u o 地层水的密度： 岛= ( 1 0 8 3 8 8 6 5 1 0 5 4 6 x 1 0 。t - 3 0 6 2 5 4 x 1 0 。t 2 ) x 1 0 3 = 1 0 5 5 5 ( k g m 3 ) 气泡在静止地层水中的上升速度： = 1 5 3 9 8 仃( 珐一致) 岛2 】o 2 5 ：5 5 9 8 5 6 6 9 1 0 - 3x 1 0 5 5 5 - 4 f 7 1 7 p ：o ，2 2 女r i l ，s 1 1 0 5 5 5 2 。 罢：皇丝一o131+000933 0 6 1 pv b 0 2 2 9 所以此井积液程度为弱积液。 2 3 估算螺距和螺旋个数门 由于该井所用油层套管内径为1 2 4 2 6 m m ，其通径为1 1 6 m m ，油管 外径为7 3 r a m ，所以螺旋管的外径破= 1 1 5 m m ，内径唬= 7 3 m