衛(wèi)亞明，肖述琴，劉 鑫，段志勇，楊旭東

1.長慶油田公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018

2.長慶油田公司蘇里格南作業(yè)分公司，陜西西安 710021

3.長慶油田公司生產(chǎn)運(yùn)行處，陜西西安 710021

長慶氣田南部地處黃土高原，溝谷縱橫，山大溝深，地面管道起伏很大，管道低洼處容易形成積液，冬季容易凍堵。目前防止地面管道凍堵的方法主要是添加水合物抑制劑，但該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為了節(jié)能降耗，為氣田地面采氣管道排水提供新措施，研發(fā)了一種依靠氣井自身能量，可以輔助排除管道積液的地面管道渦流工具（以下簡稱渦流工具）。理論研究[1]及現(xiàn)場應(yīng)用表明：渦流工具可以有效提高采氣管道的攜液能力，降低管道輸壓，改善采氣管道凍堵問題，并為長慶氣田冬季供氣高峰期氣井穩(wěn)產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 地面采氣管道渦流輔助排液機(jī)理

地面采氣管道渦流技術(shù)是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)有效的輔助排液技術(shù)，其排液機(jī)理是基于改變流體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方式，使得管道內(nèi)原有以液滴流動(dòng)為主的紊流流態(tài)改變?yōu)橐砸耗ち鲃?dòng)為主的環(huán)狀流，大大減少了介質(zhì)之間的沖擊和摩擦做功，大大降低了管道的總體能耗，使得管道輸壓降低[2-7]。

渦流工具是該技術(shù)的核心（見圖1），利用Flu-ent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到出口截面液相分布、速度分布、速度矢量云圖如圖2所示。

結(jié)果表明：流體通過渦流工具之后，在該工具出口截面存在明顯的旋流流動(dòng)，同時(shí)螺旋運(yùn)動(dòng)形成氣核，即中心為氣體、邊緣為液體，說明渦流工具使得氣、液分離，并形成環(huán)狀流動(dòng)，可有效提高氣體的攜液能力，減少管內(nèi)出現(xiàn)積液和凍堵的問題。

圖1 渦流工具剖面示意

圖2 出口截面液相體積率分布、速度分布、速度矢量云圖

2 渦流工具參數(shù)優(yōu)化

地面采氣管道渦流輔助排液技術(shù)主要通過流體旋流所產(chǎn)生的離心力場，實(shí)現(xiàn)氣液分離的目的。誘發(fā)兩相旋流的螺旋紐帶是渦流工具的核心部件，為了確保渦流工具切實(shí)有效地發(fā)揮輔助排液采氣的作用，利用Fluent軟件開展了螺旋紐帶葉片的圈數(shù)、紐帶切入角、紐帶高度、寬度的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，最終確定了最佳渦流工具參數(shù)組合。

2.1 螺旋紐帶圈數(shù)

旋流數(shù)可以全面描述管內(nèi)的螺旋強(qiáng)度，圖3給出了不同螺旋圈數(shù)對旋流數(shù)的影響規(guī)律。隨著渦流工具出口平直段距離的增加，旋流數(shù)值迅速減??；當(dāng)螺旋圈數(shù)為2時(shí)，旋流數(shù)最大，旋流效果最佳。同時(shí)分析了不同螺旋圈數(shù)下的壓降情況，當(dāng)螺旋圈數(shù)為2時(shí)，壓降較大，但不同螺旋圈數(shù)的壓降相對初始壓力變化值很?。ㄒ姳?）。綜合考慮，螺旋圈數(shù)為2時(shí)，渦流工具的效果較好。

表1 進(jìn)、出口壓降

圖3 不同螺旋圈數(shù)對旋流數(shù)的影響

2.2 紐帶高度、寬度

紐帶螺旋圈數(shù)取1圈，保持紐帶寬度不變（14 mm），分別進(jìn)行紐帶高度為12、15、9 mm（初始高度）的模擬分析，研究不同紐帶高度對旋流數(shù)的影響規(guī)律，如圖4所示。

結(jié)果表明：隨著渦流工具出口平直段距離的增加，旋流數(shù)值迅速減小，螺旋紐帶高度為15mm時(shí)，其旋流效果好于其他兩個(gè)工況，且壓降最大，但不同紐帶高度的壓降相對初始壓力變化值較?。ㄒ姳?）。綜合考慮，紐帶高度為15mm時(shí)渦流工具的效果較好。

紐帶螺旋圈數(shù)取1圈，保持紐帶高度（12 mm）不變，分別進(jìn)行紐帶寬度為10、18、14 mm（初始寬度）的模擬分析，研究不同紐帶寬度對旋流數(shù)的影響規(guī)律，見圖5。

圖4 不同紐帶高度對旋流數(shù)的影響規(guī)律

表2 進(jìn)、出口壓降

圖5 不同紐帶寬度對旋流數(shù)的影響

結(jié)果表明：隨著出口平直段距離的增加，旋流數(shù)值迅速減小，相同紐帶高度，不同螺旋紐帶寬度的旋流數(shù)變化近乎相同；紐帶寬度為18 mm時(shí)壓降最大，但不同紐帶寬度壓降相對初始壓力變化值較小（見表3）?？紤]紐帶加工及強(qiáng)度，紐帶寬度取14 mm時(shí)渦流工具的效果較好。

表3 進(jìn)、出口壓降

2.3 切入角

紐帶切入角度不同，從入口管垂直向下的兩相流體開始水平環(huán)狀流動(dòng)的位置也隨之改變，也會(huì)對兩相流體的總能量產(chǎn)生不同的影響，甚至可能影響各相流體的分布，進(jìn)而會(huì)影響渦流工具的總體效果。

當(dāng)紐帶圈數(shù)為2圈、高度15 mm、寬度14 mm時(shí)，對切入角度分別與水平軸負(fù)方向成0°、-30°、-45°、+30°、+60°（以逆時(shí)針方向?yàn)檎鐖D6所示）的工況進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖7。不同紐帶切入角進(jìn)、出口靜壓力變化結(jié)果見表4。

圖6 紐帶切入角分別為0°、-30°、+60°示意

圖7 不同紐帶切入角旋流數(shù)衰減變化情況

表4 不同紐帶切入角進(jìn)、出口靜壓力變化

結(jié)果表明：不同切入角度的旋流數(shù)變化趨勢相同，且進(jìn)出口壓降差異很小。在螺旋段出口，旋流數(shù)存在差異，隨著流體在平直段流動(dòng)，旋流數(shù)差別逐漸減小，正切入角（包括0°切入角）總體性能明顯好于負(fù)切入角，且0°切入角工況性能較高些。因此，采用0°切入角。

3 內(nèi)徑為60 mm管道渦流工具優(yōu)化

根據(jù)渦流工具參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對內(nèi)徑60 mm管道的渦流工具進(jìn)行優(yōu)化。

工況：工作壓力為8.62 MPa，出口管半徑為30 mm；模型網(wǎng)格數(shù)在65萬左右；湍流模型采用k-ε RNG模型，混合相模型采用mixture模型。對比模擬結(jié)果，主要考慮不同參數(shù)下旋流數(shù)的變化（見圖8），可知最佳參數(shù)組合為實(shí)驗(yàn)9，即切入角0°、紐帶高度15 mm、紐帶寬度14 mm。

圖8 不同實(shí)驗(yàn)組合旋流數(shù)衰減變化

實(shí)驗(yàn)9的不同截面混合相速度分布云圖見圖9（x為出口平直段）、不同截面液相體積率分布云圖見圖10。

從圖9可以看出，沿著直管段混合相速度逐漸衰減，壁面處速度最小，速度較大區(qū)域成環(huán)狀分布，截面中心區(qū)域速度較小；從圖10可以看出，液相主要分布在靠近壁面的位置，為環(huán)狀流，旋流效果明顯。

圖9 不同截面混合相速度分布云圖/（m·s-1）

圖10 不同截面液相體積率分布云圖

4 渦流工具現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)渦流工具優(yōu)化結(jié)果，在G39-X井開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。該井地面管道規(guī)格為D 76 mm×8 mm×9.3 km，管道最大高程差140 m，管道有兩處明顯U形位置，分別位于距井口3.0 km和7.6 km處。管道于2012年12月14日投產(chǎn)，配產(chǎn)10萬m3/d，日均產(chǎn)氣量12.689萬m3/d，日均產(chǎn)水量20.35m3/d。由于產(chǎn)水及地面管道高低起伏大，生產(chǎn)過程中單井進(jìn)站地面管道積液。為降低管道壓降，掃除積液，減緩氣井凍堵，保證氣井平穩(wěn)生產(chǎn)，2016年10月24日在采氣管道U形位置低點(diǎn)處安裝渦流工具，如圖11所示。

圖11 渦流工具安裝位置示意

采用渦流工具之后，氣井日平均產(chǎn)氣量達(dá)到8.0萬m3/d，日平均產(chǎn)水量為20 m3/d左右，且攜液效果良好；同時(shí)管道輸壓降低，從投放渦流工具前的4.0 MPa降到投放后的3.0 MPa左右，見G39-X井生產(chǎn)曲線如圖12所示。

圖12 G39-X井生產(chǎn)曲線

4.2 效果分析

根據(jù)渦流工具旋流數(shù)衰減理論，可以計(jì)算該井采氣管道安裝渦流工具后的旋流數(shù)衰減情況，如圖13所示。該井采氣管道采用渦流工具后有效螺旋距離達(dá)100 m以上，可以克服高度差對渦流工具帶來的不利影響，這與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果較一致。因此，該井采用渦流工具可以有效提高氣井的攜液量，進(jìn)而改善管道凍堵問題。

圖13 不同含液率下螺旋流衰減系數(shù)的變化

5 結(jié)論

（1）地面采氣管道渦流輔助排液技術(shù)將管道內(nèi)以液滴流動(dòng)為主的紊流流態(tài)改變?yōu)橐砸耗ち鲃?dòng)為主的環(huán)狀流，螺旋流攜帶著管內(nèi)絕大部分液體沿管壁流動(dòng)，而大量的氣體則沿螺旋體的中心流動(dòng)輸送，降低了管道的總體能耗。

（2）利用數(shù)字模擬和正交試驗(yàn)方法對渦流工具的參數(shù)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定了內(nèi)徑為60 mm管道的渦流工具最佳參數(shù)組合，即切入角0°、紐帶高度15 mm、紐帶寬度14 mm時(shí)，旋流效果最好。

（3）通過在G39-X井采氣管道安裝渦流工具，驗(yàn)證了本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的渦流工具可以有效地提高氣井?dāng)y液能力，降低管道輸送壓力，改善氣井凍堵問題。