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        地面采氣管道渦流輔助排液技術(shù)在長慶氣田的應(yīng)用

        2018-11-08 05:06:02衛(wèi)亞明肖述琴段志勇楊旭東
        石油工程建設(shè) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:圈數(shù)紐帶旋流

        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,但該方法費時費力。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)的運動方式,使得管道內(nèi)原有以液滴流動為主的紊流流態(tài)改變?yōu)橐砸耗ち鲃訛橹鞯沫h(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,同時螺旋運動形成氣核,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,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,旋流數(shù)最大,旋流效果最佳。同時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,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小(見表1)。綜合考慮,螺旋圈數(shù)為2時,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,其旋流效果好于其他兩個工況,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時壓降最大,但不同紐帶寬度壓降相對初始壓力變化值較?。ㄒ姳?)??紤]紐帶加工及強(qiáng)度,紐帶寬度取14 mm時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)狀流動的位置也隨之改變,也會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,對切入角度分別與水平軸負(fù)方向成0°、-30°、-45°、+30°、+60°(以逆時針方向為正,如圖6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,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,利用正交實驗設(shè)計方法對內(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)組合為實驗9,即切入角0°、紐帶高度15 mm、紐帶寬度14 mm。

        圖8 不同實驗組合旋流數(shù)衰減變化

        實驗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

        4.1 現(xiàn)場試驗

        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。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)以液滴流動為主的紊流流態(tài)改變?yōu)橐砸耗ち鲃訛橹鞯沫h(huán)狀流,螺旋流攜帶著管內(nèi)絕大部分液體沿管壁流動,而大量的氣體則沿螺旋體的中心流動輸送,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,旋流效果最好。

        (3)通過在G39-X井采氣管道安裝渦流工具,驗證了本文優(yōu)化設(shè)計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。

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