馬國(guó)光 李曉婷 張 峰 陶玉林 楊園園 董文浩

1西南石油大學(xué)2中國(guó)石油新疆油田分公司采氣一廠

渦流工具在氣田地面集輸上的應(yīng)用研究

馬國(guó)光1 李曉婷1 張 峰2 陶玉林2 楊園園2 董文浩1

1西南石油大學(xué)2中國(guó)石油新疆油田分公司采氣一廠

在氣田地面集輸?shù)臍庖夯燧敼に囍?，有些采氣管線積液嚴(yán)重，沿程壓降較大，無(wú)法正常集氣。為了解決這一問(wèn)題，提出將渦流工具用在氣液混輸工藝中的方法。通過(guò)對(duì)地面渦流工具的理論分析及利用FLUENT軟件進(jìn)行模擬，研究渦流工具在氣液集輸管道的適用性及影響因素。渦流工具在克拉美麗氣田的投產(chǎn)運(yùn)用表明：渦旋流流態(tài)可有效地排除管道內(nèi)積液，消除管道內(nèi)段塞流的出現(xiàn)，降低管道沿程壓降；渦流工具可將管道內(nèi)氣液紊流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闇u旋層流流態(tài)，通過(guò)切向速度產(chǎn)生的額外拖曳力降低管道臨界攜液速度，提高了氣體攜液能力；渦流工具不僅能在井下使用，也適用于氣田地面集輸管道。

渦流工具；集輸管線；壓降；應(yīng)用

目前渦流技術(shù)主要應(yīng)用于地下氣井排水采氣，改善氣井生產(chǎn)狀態(tài)、提高氣井采收率的生產(chǎn)優(yōu)化方向[1]，且在北美、澳大利亞數(shù)千口天然氣井、煤層氣井取得良好的效果。在國(guó)內(nèi)，克拉美麗氣田、青海氣田、蘇里格氣田[2]等很多大型的氣田都使用了井下渦流技術(shù)，在氣田地面管道集輸上尚無(wú)研究和運(yùn)用。通過(guò)利用FLUENT軟件對(duì)地面渦旋流工具進(jìn)行模擬和分析；確定了渦旋流的關(guān)鍵技術(shù)并且得到了最佳的起旋角度；通過(guò)對(duì)克拉美麗氣田DX1428井井口采氣管線的試驗(yàn)分析，完成地面渦流工具的試驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)，為降低地面集輸管道壓降問(wèn)題提供了新方法。

1 技術(shù)原理

地面渦流工具主要由導(dǎo)流口、螺旋葉片、內(nèi)實(shí)體柱和外殼四部分組成，螺旋葉片將外殼和實(shí)體柱間的空間分割為螺旋形空腔，以改變流體介質(zhì)的流動(dòng)通道和流態(tài)[3]。處于紊流狀態(tài)的單井來(lái)氣液兩相流經(jīng)過(guò)導(dǎo)流口進(jìn)入螺旋形空腔后被強(qiáng)制起旋形成渦流，氣液兩相流形成渦旋后，液體密度較大，因離心力的作用被高速旋至沿管壁流動(dòng)，天然氣通過(guò)管道的中心流動(dòng)，旋流中心位于管道中心，流場(chǎng)呈中心旋轉(zhuǎn)形式的穩(wěn)定渦旋結(jié)構(gòu)。地面渦流裝置原理圖如圖1所示。

在渦旋流狀態(tài)下，臨界攜液流速將低于普通流態(tài)下的臨界攜液流速。說(shuō)明產(chǎn)生的拖曳力可有效降低臨界攜液流速、提高氣體攜液的能力。渦旋流裝置的最小攜液流速與具體的攜液模型關(guān)系不大，其臨界攜液流速取決于渦旋流強(qiáng)度，具體來(lái)說(shuō)取決于螺旋角。

分層渦旋流態(tài)使得管道內(nèi)液相和氣相同時(shí)以渦流狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，消除了過(guò)去管道底部積液的情況，并且使得管道中心流體和邊緣流體速度差降低，減小了流體相互摩擦產(chǎn)生的剪切力和壓力損失，從而降低了管道的壓力損失[4]。

圖1 地面渦流技術(shù)原理圖

2 影響因素

管道內(nèi)輸送介質(zhì)的含液率、進(jìn)口速度和渦旋流工具螺旋角度對(duì)地面渦流工具影響較大，下面分別對(duì)這3個(gè)因素進(jìn)行分析。

2.1 含液率對(duì)管道壓降的影響

當(dāng)起旋角度為70°、進(jìn)口速度為2 m/s時(shí)，改變進(jìn)口流體的含液率，觀察含液率如何影響管道的壓降。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)壓降規(guī)律進(jìn)行分析，如圖2所示，隨著進(jìn)口含液率增大，管道壓降線性上升。

2.2 進(jìn)口速度對(duì)管道壓降的影響

當(dāng)起旋角度為70°、含液率為0.4時(shí)，改變進(jìn)口速度，觀察進(jìn)口速度對(duì)管道壓降的影響。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，并進(jìn)行壓降規(guī)律分析，如圖3所示，隨著進(jìn)口速度的逐漸增大，管道壓降逐漸增大，并且增大趨勢(shì)較為明顯。

圖2 含液率對(duì)管道壓降的影響

2.3 螺旋角度分析

設(shè)定進(jìn)口流速為2 m/s，含液率為0.4，針對(duì)不同起旋角度的地面渦旋流裝置進(jìn)出口及內(nèi)部速度分布、出口氣液兩相體積分布、進(jìn)出口壓降、出口切向速度、出口軸向速度、出口渦量進(jìn)行分析，如圖4～圖8，從而得到地面渦旋流裝置的最優(yōu)起旋角度。

圖3 進(jìn)口速度對(duì)管道壓降的影響

從圖4可以看出，隨著起旋角度的變化，出口處氣液兩相分布情況差異顯著，起旋角度為45°時(shí)，產(chǎn)生的氣液兩相分離情形最明顯；從圖5～圖8可以看出在起旋角度為45°時(shí)，地面渦旋流裝置進(jìn)、出口壓降最小，出口截面切向速度最大，出口截面軸向速度最大，出口截面渦量值最大。因此認(rèn)為，45°的起旋角度為地面渦旋流裝置的最優(yōu)起旋角度。

圖4 不同起旋角度下出口截面的氣相體積分布云圖

圖5 進(jìn)出口壓降規(guī)律

圖6 出口截面渦量的影響

圖7 出口截面切向速度的影響

圖8 出口截面軸向速度的影響

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

克拉美麗氣田[5]由于氣田管線起伏大、單井產(chǎn)液量高等，導(dǎo)致單井采氣管線集輸壓降較大（平均0.4 MPa/km，部分氣井達(dá)到0.5～1.0 MPa/km），氣田過(guò)早地進(jìn)入增壓開采階段，并且采氣管線頻繁發(fā)生積液凍堵現(xiàn)象，給單井尤其是長(zhǎng)距離氣井正常生產(chǎn)帶來(lái)困難。選擇克拉美麗氣田的DX1428氣井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3.1 DX1428井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

DX1428井是2011年在DX14井區(qū)部署的一口開發(fā)井，采用加熱防凍工藝，單井氣液在井口加熱節(jié)流后，經(jīng)采氣管線氣液混輸送至集氣站，管線沿程起伏較大，該井氣液比大，單位壓降大，DX1428井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

此次試驗(yàn)在DX1428井安裝兩套地面渦流工具，螺旋角選擇最優(yōu)起旋角度為45°。在井場(chǎng)外輸管線埋地部分（距離入地部分0.5 m處）安裝第1套地面渦流工具，在采氣管線距離井口1 km處安裝第2套地面渦流工具。

表1 DX1428井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2014年9月1號(hào)渦流工具在DX1428運(yùn)行，將DX1428井安裝渦流裝置前、后運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化見圖9。

從圖9可以看出，安裝地面渦流裝置前，DX1428井管線壓降為0.53 MPa/km；安裝地面渦流裝置后，DX1428井管線壓降為0.41 MPa/km，壓降減小0.12 MPa/km，減小比例為22.6%。在地面渦流工具投運(yùn)后前三天產(chǎn)液量明顯增加，這是由于采用渦流工具后，將管道內(nèi)部的積液攜帶了出來(lái)。因此，地面渦流工具有效地降低了管道沿程壓降，并提高了管道攜液能力。

圖9 安裝前后生產(chǎn)參數(shù)變化規(guī)律

4 結(jié)論

地面渦流工具將管道內(nèi)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方式由軸線運(yùn)動(dòng)改變成渦旋流方式，它是一種降低管線沿程壓降、減少管線積液的新方法，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

（1）渦旋流流態(tài)可有效地排除管道內(nèi)積液，消除管道內(nèi)段塞流的出現(xiàn)，降低了管道沿程壓降。

（2）渦流工具可將管道內(nèi)氣液紊流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闇u旋流態(tài)，通過(guò)切向速度產(chǎn)生的額外拖曳力降低了管道臨界攜液速度，提高了氣體攜液能力。

（3）渦流工具不僅能在井下使用，也適用于氣田地面集輸管道，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，可有效地解決管道壓降問(wèn)題。

[1]楊濤，余淑明，楊樺，等．氣井渦流排水采氣新技術(shù)及其應(yīng)用[J]．天然氣工業(yè)，2012（8）：63-66.

[2]張春，金大權(quán)，王晉，等．蘇里格氣田井下渦流排水采氣工藝研究[J]．天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2012（5）：45-48.

[3]魏航信，職黎光，吳偉．基于旋流機(jī)理的排水采氣技術(shù)研究進(jìn)展[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2014（7）：71-73.

[4]賴燕，景元，陳甲新，等．地面渦流工具應(yīng)用效果評(píng)價(jià)[J]．石油化工應(yīng)用，2014，（5）：107-109.

[5]鄭賢英．克拉美麗氣田地面處理工藝的改進(jìn)與優(yōu)化[D]．成都：西南石油大學(xué)，2012.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.018

馬國(guó)光：西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院副教授，博士，主要從事天然氣集輸與處理和LNG技術(shù)的教學(xué)及研究工作。

2015-03-31

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