徐建寧，邵 樂，梁慧榮，朱端銀

（西安石油大學(xué)，西安710065）①

基于正交試驗的渦流排水采氣影響因素分析

徐建寧，邵 樂，梁慧榮，朱端銀

（西安石油大學(xué)，西安710065）①

渦流工具排水采氣是一項新型的排水采氣工藝，研究不同的工況及工具參數(shù)對渦流工具工作性能的影響在氣井的實際應(yīng)用中具有重要的意義。根據(jù)實際應(yīng)用效果，研究了氣流速度、含水率、螺旋角、翼高、直徑5個因素，每個因素取5個水平，分析對排液效果的影響。選用標(biāo)準(zhǔn)的六因素、五因子的正交試驗表L25（56）制定了25組試驗，分析了每個因素及其各個水平之間的差異對試驗指標(biāo)的影響。根據(jù)正交試驗的結(jié)果，得到了各因素之間的最佳組合，對渦流工具的優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

渦流工具；工具參數(shù)；正交試驗

渦流工具是一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高的排水采氣工具。國外近幾年的應(yīng)用成果表明，渦流工具可以解決井底積液的問題［1］。國內(nèi)長慶、大慶等油田在氣井上采用渦流排水采氣技術(shù)并進行現(xiàn)場試驗，一部分井取得顯著的成果，提高了氣井的產(chǎn)量，但部分井的效果不明顯?，F(xiàn)場試驗表明：渦流工具的排液效果受到氣流速度、含水率等井底因素和渦流工具的螺旋角、螺旋線的翼高、繞流器的直徑等因素的影響。這些因素不同程度地影響排液效果，必需找到這些影響因素的最佳組合，從而提高氣井的采收率，提高氣井的經(jīng)濟性［2］。

渦流工具可以把氣液兩相流的紊流流態(tài)改變?yōu)閷恿髁鲬B(tài)，降低氣井的最小臨界攜液流量，減小井筒摩阻損失和液體滑脫損失，增大井底生產(chǎn)壓差，提高氣井產(chǎn)氣量。由文獻［3］可知，渦流工具的排液效果與氣流速度、含水率這些工況因素以及工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)有著密不可分的關(guān)系。因此，有必要研究各因素對排液效果的影響，通過實際的、少數(shù)的、可行的試驗優(yōu)化各個因素及其最佳組合。正交試驗設(shè)計法對于因子多、周期長、有誤差的試驗問題是一種行之有效的方法，試驗可以同時進行，有利于縮短試驗周期，節(jié)約時間［4］。

1 渦流工具

1.1 結(jié)構(gòu)組成

渦流工具主要由打撈器、繞流器、導(dǎo)向腔、坐封器、接箍擋環(huán)6部分組成，如圖1所示。打撈器與繞流器是固接在一起的，繞流器與導(dǎo)向腔通過螺紋連接，導(dǎo)向腔與坐封器也是通過螺紋連接，接箍擋環(huán)套在坐封器的外壁上，可以沿著坐封器外壁上下滑動，通過坐封器下端的錐形臺階實現(xiàn)連接與限制，由接箍擋環(huán)下端的卡簧實現(xiàn)井下渦流工具的固定。

圖1 渦流工具結(jié)構(gòu)

井下渦流工具的核心部分是繞流器，由1個實心的圓柱體和表面上的螺旋帶組成。文中所述螺旋角、翼高是繞流器上螺旋帶的因素。

1.2 工作原理

井下渦流工具的基本原理是把井筒中的氣-液兩相流體介質(zhì)的運動方式，由原來的垂直向上的紊流流態(tài)改變?yōu)槌事菪隣钌仙臏u旋分層流。渦流流態(tài)這種運動形式可以看成是由1個旋轉(zhuǎn)的分速度和1個線性分速度的合成。旋轉(zhuǎn)分速度對流體產(chǎn)生離心力，由于液體相比于氣體密度大，它經(jīng)過離心力的作用沿著井筒壁形成一個向上運動的環(huán)膜流態(tài)，而氣體則在井筒中心部位向上運動；線性分速度將含液的氣體向上傳輸一段距離，利用動能克服介質(zhì)向下的重力，從而降低滑脫損失。如果工具的螺旋角度合適，則使兩相流體介質(zhì)的渦流流態(tài)保持和傳播很長的距離，大幅度提高氣體的攜液能力。

2 渦流排水采氣的正交試驗分析

2.1 影響因素水平的選擇

本文中的正交試驗以氣流速度、含水率、螺旋角、翼高、直徑5個主要因素進行研究，根據(jù)低產(chǎn)低壓氣井的井底工況以及渦流工具關(guān)鍵尺寸，每個因素取5個水平因子，如表1所示。

表1 正交試驗因素水平

2.2 正交試驗方案

在制定試驗計劃中，必須根據(jù)實際情況確定因素及因素的水平來設(shè)計正交試驗。本文選用標(biāo)準(zhǔn)的六因素、五因子的正交試驗表L25（56）制定試驗方案，如表2所示。表中第1～5列分別為氣流速度、含水率、螺旋角、直徑、翼高，第6列作為空白列，反應(yīng)試驗誤差的大小。

表2 試驗方案

2.3 試驗結(jié)果

正交試驗的結(jié)果如表3所示，本文中試驗數(shù)據(jù)由計算流體動力學(xué)（CFD）方法中FLUENT軟件［5-6］模擬而成，模擬了25組由標(biāo)準(zhǔn)試驗正交表得到的各個因素的組合試驗，模擬采用的試驗指標(biāo)是模擬管柱部分進出口持液率的差值。差值越小，試驗結(jié)果越好。

表3 正交試驗結(jié)果

3 正交試驗結(jié)果分析

3.1 渦流工具關(guān)鍵尺寸確定

利用綜合比較的直觀分析法對試驗得到數(shù)據(jù)直接分析，直觀上由1個因素不同水平對應(yīng)試驗指標(biāo)之間的差異（極差）可以看出1個因素對試驗結(jié)果影響的大小，如表4。由表4可知：渦流工具工作時井下工況對其排液效果影響特別大，尤其是含水率。對于氣流速度、含水率這2個影響特別大因素需進一步確定最優(yōu)的水平?？瞻琢械臉O差與其他3個因素的極差值相差不大，所以直接確定這3個因素的取值。

表4 極差分析

對各個因素的每個水平取5次試驗結(jié)果的平均值作圖，如圖2～4所示。由圖2可見：進出口持液率的差值隨著螺旋角的增大逐漸增大，過了45°以后又逐漸減小，取值為55°差值最小，所以螺旋角的最優(yōu)取值為55°。由圖3可見：進出口持液率的差值隨著直徑的增大逐漸減小，從0.040 m以后，差值又逐漸增大，所以繞流器的直徑最優(yōu)值為0.040 m。由圖4可見：進出口持液率的差值隨著翼高的增大先減小后增大，過了0.002 m以后先減小后增大，0.001 5 m時差值最小，所以螺旋線的翼高最優(yōu)取值為0.001 5 m。

3.2 渦流工況影響因素的確定

圖2 螺旋角變化時持液率差值

圖3 直徑變化時持液率差值

圖4 翼高變化時持液率差值

由直觀分析法得到氣流速度、含水率這2個因素對渦流工具的排液效果影響特別顯著，為了進一步區(qū)分因子水平變化所引起的試驗結(jié)果之間的差異與誤差的波動所引起的試驗結(jié)果的差異，本文利用方差分析法確定氣流速度、含水率的最佳取值，如表5。

表5 方差分析

因素氣流速度、含水率的自由度fA＝fB＝4，SΔ誤的自由度fΔ誤＝16，查α＝0.01，α＝0.05和α＝ 0.1的F分布表，F(xiàn)0.01（4，16）＝4.77，F(xiàn)0.05（4，16）＝3.01，F(xiàn)0.1（4，16）＝2.33。由表5可知：氣流速度、含水率2個因素對試驗結(jié)果有高度顯著的影響。

對各個因素的每個水平取5次試驗結(jié)果的平均值作圖，如圖5～6所示。由圖5可見：進出口持液率的差值隨著氣流速度增大逐漸減小，過了1 m／s以后又逐漸增大，所以氣流速度的最優(yōu)值為1 m／s。由圖6可見：進出口持液率的差值隨著含水率增大逐漸增大，所以含水率的最優(yōu)取值為0.000 5。

圖5 氣流速度變化時的持液率差值

圖6 含水率變化時的持液率差值

4 結(jié)論

1） 正交試驗用于渦流工具的排水采氣的效果檢驗是可行的。

2） 通過極差分析法得出渦流工具關(guān)鍵尺寸的取值；而方差分析法進一步確定出井底工況因素對試驗指標(biāo)影響的顯著性。由于F0.01（4，16）＜FA，說明該因子水平的改變對試驗結(jié)果有高度顯著的影響；由于F0.01（4，16）＜FB，說明該因子水平的改變對試驗結(jié)果有高度顯著的影響。

3） 綜合極差分析法與方差分析法的結(jié)果，最終確定各個因素的最佳組合為：氣流速度1 m／s；含水率0.000 5；螺旋線的螺旋角55°；繞流器直徑0.040 m；螺旋線翼高0.001 5 m。

［1］ Meher Surendra，Gioia Falcone，and Catalin Teodoriu，Invenstigation of Swirl Flows Applied to the Oil and Gas Industry［J］.paper SPE 115938 presented at the 2008 SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in Denver，Colorado，USA，21-24 September 2008.

［2］ 姚展華，楊姝蔚，胡書博，等.低滲透油氣井排液技術(shù)綜述［J］.石油礦場機械，2013，42（4）：78-82.

［3］ 馮翠菊，王春生，張黌.天然氣井下渦流工具排液效果影響因素分析［J］.石油機械，2013，41（1）：78-81.

［4］ 《正交試驗設(shè)計法》編寫組.正交試驗設(shè)計法［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1979.

［5］ 朱紅鈞，林云華，謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真實用教程［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［6］ 許敏.水力旋流器內(nèi)部流場數(shù)值模擬及分離性能分析［J］.石油礦場機械，2012，41（3）：21-24.

Based on Orthogonal Experiment Analysis of Factors Affecting Vortex Drainage Gas

Vortex tool drainage gas recovery is a new type of drainage gas recovery technology，the research of different working condition and tool parameters affect the performance of vortex tool work in gas well is of great importance in practical application.According to the practical application effect，five factors were studied，each factor takes five levels，the analysis of the effect of drainage effect，standard of six factors were chosen，five factors orthogonal experiment table L25（56）has established 25 group test，the differences between each factors and various levels of test index were analyzed.According to the result of orthogonal experiment，to the best combination between various factors were got，which has a guiding significance for optimization design of vortex tool.

vortex tool；tool parameter；orthogonal experiment

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.013

1001-3482（2014）11-0052-05①

2014-05-22

徐建寧（1963-），男，浙江平陽人，教授，主要從事采油機械設(shè)計及機械采油工作行為分析方面的研究及教學(xué)工作，E-mail：jnxu＠xsyu.edu.cn。