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        基于泡沫攜液實驗的壓降攜液量CFD 數(shù)值模擬

        2023-05-29 04:06:34汪國威曹光強廖銳全
        關(guān)鍵詞:排劑攜液流型

        汪國威 曹光強 李 楠 廖銳全

        (1. 中國石油天然氣集團(tuán)有限公司采油采氣重點實驗室長江大學(xué)分室,湖北 荊州 434023;2. 中國石油天然氣集團(tuán)有限公司氣舉試驗基地多相流研究室,湖北 武漢 430100;3. 長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100;4. 油氣鉆采工程湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430100;5. 中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

        0 引 言

        泡排作為一種能充分利用地層自身能量實現(xiàn)舉升,不需進(jìn)行修井作業(yè),設(shè)備配套簡單、易操作和投資費用低的排水采氣工藝,是有一定自噴能力的水淹井恢復(fù)自噴能力的可行措施[1‐2]。曹光強等[3]對高溫高壓下泡排劑性能進(jìn)行了研究,優(yōu)選得到了適用于高溫高壓下的泡排劑;劉洋、程金金等[4‐6]通過室內(nèi)模擬實驗對泡沫攜液的壓降進(jìn)行了研究,得到泡沫攜液的臨界攜泡流量;J.H.Zhu 等[7‐9]對CFD 網(wǎng)格獨立性進(jìn)行了研究,得到了高壓下的CFD 建模方法;成立等[10‐14]對CFD 中的RNG 湍流模型進(jìn)行了研究,得到RNG 湍流模型的實用性。綜上所述,現(xiàn)階段對泡沫攜液壓降攜液量的研究大多是室內(nèi)實驗,但在實際井筒工況溫度壓力下,試驗很難進(jìn)行,而通過CFD 模擬研究不僅可以模擬實際井筒溫度壓力工況下泡沫攜液過程,還能得到實際井筒條件下的流型、壓降、攜液量和相的分布等特性,對解釋、分析、揭示實驗現(xiàn)象和井筒條件下舉升關(guān)鍵參數(shù)如壓降、攜液量的變化規(guī)律更直觀。本文通過室內(nèi)模擬實驗,綜合壓降攜液量結(jié)果,對泡排劑濃度、多相流模型和紊流模型進(jìn)行優(yōu)選,設(shè)置合理邊界條件,對實驗條件下的泡沫攜液進(jìn)行模擬;基于該模型在實驗室條件下的運用,推廣到實際井筒條件下,得到實際井筒條件下泡沫排水采氣規(guī)律,對泡沫排水采氣在實際應(yīng)用中有一定指導(dǎo)作用,實現(xiàn)氣井的最優(yōu)生產(chǎn)。

        1 實驗設(shè)計

        1.1 實驗設(shè)備與內(nèi)容

        整個實驗在水平氣井動態(tài)模擬實驗平臺進(jìn)行(圖1),該平臺可模擬起泡劑起泡及泡排生產(chǎn)時的氣水泡三相流動,實驗時通過透明有機玻璃管觀察泡沫起泡以及各種流型,通過監(jiān)控設(shè)備測量管道中多相流體的流量、壓力、壓差和不同氣量下每秒氣體攜液能力等參數(shù)。選用常用起泡劑α‐烯基磺酸鈉作為本次實驗的起泡劑,用泡沫泵對井筒均勻進(jìn)泡,設(shè)置加注速度為1.5 L/h,氣速控制在0~80 m3/h,液速控制在0~0.6 m3/h,以保證室內(nèi)實驗過程中氣流攜液狀態(tài)。

        圖1 CFD模擬實驗流程示意Fig. 1 Schematic CFD simulation experiment process

        室內(nèi)模擬實驗:優(yōu)選最優(yōu)濃度泡排劑,記錄流型壓降攜液量的變化規(guī)律,用CFD 模擬軟件對實驗工況進(jìn)行模擬,對比流型、壓力和攜液量的變化是否吻合。

        1.1.1 井筒流型

        在保持一定液體流量條件下,隨著注入氣量的增加,通過肉眼觀察與高速攝像機拍攝相結(jié)合的方式,發(fā)現(xiàn)垂直管中主要存在泡沫段塞流和泡沫攪動流2 種流型(圖2)。

        圖2 不同井筒流型實驗照片(從左往右注氣量逐漸增大)Fig. 2 Experiment photos (gas injection volume gradually increases from left to right)

        由圖2 可以看出,隨著注入氣量的增大,從左向右流型逐漸由泡沫段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)閿噭恿?,這是由于起泡劑在斜井段遇水后受氣流擾動影響形成含水泡沫,在氣流攜泡過程中,有一部分含水泡沫被氣體帶離井筒,但仍有一部分液相出現(xiàn)回落,直到與下一段正在隨著氣流爬升的含水泡沫段重合,然后重復(fù)同樣的現(xiàn)象,形成泡沫段塞流;隨著注氣量繼續(xù)增大,氣體所具有的能量逐漸增加,液塞不斷增大逐漸向攪動流轉(zhuǎn)變。

        1.1.2 井筒攜液量和壓降

        在斜井段注入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的泡排劑,使其與液柱充分混合,待混合均勻后開始注氣,分析壓降攜液量變化規(guī)律。由圖3 可以看出,泡排劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時,井筒壓降小帶液能力強,此時應(yīng)為泡排劑最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù);當(dāng)泡排劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)時,在井底積液與泡排劑接觸后,借助氣流的擾動,生成大量含水泡沫,進(jìn)入垂直段,產(chǎn)生二次發(fā)泡并在垂直段中部聚集,形成封堵層,使液體不能被帶出,形成高密度含水泡沫,導(dǎo)致井筒總壓降大且攜液量減??;當(dāng)泡排劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)時,氣流攪動下發(fā)泡數(shù)量少,導(dǎo)致井筒總壓降大且攜液能力弱。

        圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)泡排液的攜液量、壓降(液量0.2 m3/h、氣量60 m3/h)Fig. 3 Liquid carrying capacity and pressure drop of foam drainage with different mass fractions(liquid volume 0.2 m3/h, gas volume 60 m3/h)

        1.2 CFD模型建立

        1.2.1 物理模型建立

        根據(jù)實驗尺寸建立三維流道幾何模型(圖4(a)),高度H=13 m,水平段L=4.1 m,斜井段半徑R=2 m,初始液柱長度S=1.5 m 油管內(nèi)徑Di=60 mm、泡沫及氣相入口短接的內(nèi)徑Df、Ds均為30 mm。對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分(圖4(b)),并在近壁處設(shè)置邊界層網(wǎng)格,包含710 332 個六面體單元,滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。模型中第一層網(wǎng)格節(jié)點數(shù)小于28,位于湍流核心區(qū),有利于提高紊流模擬精度。選擇氣、液表觀流速均為實驗設(shè)定的工況條件進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬工質(zhì)為空氣和水。

        圖4 幾何模型和網(wǎng)格模型Fig. 4 Geometric model and grid model

        1.2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件優(yōu)選

        用黏度儀測得不同泡排劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的含水泡沫黏度,用密度測試儀測定密度,通過所測數(shù)據(jù)對CFD 數(shù)學(xué)模型及邊界條件進(jìn)行優(yōu)選。得到除了Mixture 模型[15‐16]外,其他多相流模型和紊流模型的模擬結(jié)果誤差均小于20%,模擬壓差的變化幅度均較小,如表1 所示,在斜井段起泡劑遇水后受氣流擾動會形成含水泡沫,到達(dá)垂直段后則以氣塞、氣芯形態(tài)存在,采用VOF 模型能夠較好模擬氣液界面。雖然Eulerian 模型[17‐18]精度同樣較高,但其方程較多,計算耗時長,因此選用VOF 模型模擬氣液多相流。選用VOF 模型與不同紊流模型組合,其中VOF+Reynolds Stress、VOF+k?ε和VOF+k?ω模型誤差較小,分別為10.39%、13.40%和1.16%,且Reynolds Stress 多用于高強度旋流條件,最終選用“VOF+k?ω”模型進(jìn)行泡沫多相管流模擬。

        表1 不同多相紊流模型計算結(jié)果Table 1 Calculation of different multiphase turbulence models

        分別設(shè)置進(jìn)氣速度入口和進(jìn)液速度入口為邊界,實驗條件下,液量設(shè)定0.2 m3/h,氣量設(shè)定為10~70 m3/h;實際井筒工況下設(shè)定溫度20~70 ℃,壓力設(shè)定為5~30 MPa,出口的邊界條件為自由出口,接觸的壁面均選用無滑移壁面,假設(shè)管道中液體開始計算前的高度為1.5 m,求解過程中選擇管道中流型穩(wěn)定發(fā)展段的截面,監(jiān)測壓力、出口液相質(zhì)量流量及氣液兩相流動狀態(tài)。

        2 實驗條件下CFD模擬

        2.1 流型

        實驗條件下,通過CFD 數(shù)值模擬,得到全井筒氣液、模型高度3.8 m(相圖下方箭頭位置)界面氣液和模型高度10.5 m(相圖上方箭頭位置)氣液分布,如圖5 所示(紅色代表液相,藍(lán)色代表氣相),從下到上液相體積分?jǐn)?shù)逐漸增加。

        圖5 CFD模擬流型分布Fig. 5 Flow regime distribution of CFD simulation

        在0.2 m3/h 的液量,當(dāng)氣量為30、50 m3/h 時,管內(nèi)呈現(xiàn)泡沫段塞流(圖5(a)—(b)),當(dāng)氣量為60 m3/h 時管內(nèi)呈現(xiàn)段塞到攪動過渡流(圖5(c)),當(dāng)氣量為70 m3/h 時,管內(nèi)呈現(xiàn)攪動流狀態(tài),并隨著氣量的增大,界面處藍(lán)色面積逐漸增大紅色面積逐漸減小,此時,管壁液膜持液率減小,液膜厚度逐漸變薄,與室內(nèi)模擬實驗結(jié)果相同(圖5(d))。說明數(shù)值模擬能夠較準(zhǔn)確地判斷氣液兩相在井筒的流動狀態(tài)。

        2.2 攜液量

        設(shè)置出口液相質(zhì)量流量檢測報表,將記錄每秒出口的質(zhì)量流量與實驗記錄的攜液量進(jìn)行對比(表2)。由表2 可以看出,CFD 模擬攜液量與實驗所測值較接近,CFD 模擬計算值整體偏大,但兩者偏差均在2%以內(nèi),說明CFD 數(shù)值模擬能夠較準(zhǔn)確預(yù)測氣井?dāng)y液量。

        表2 實驗與CFD模擬攜液量對比結(jié)果Table 2 Comparison results of liquid carrying capacity be‐tween experiment and CFD simulation

        圖6 為實驗與CFD 模擬攜液量變化情況,從圖6 可以看出,CFD 數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗測出的數(shù)據(jù)趨勢基本相同,均是隨著氣量增大攜液量逐漸增大,且氣量小于30 m3/h 時增幅較小,大于30 m3/h時增幅會變大。說明CFD 數(shù)值模擬的計算值能夠準(zhǔn)確預(yù)測氣井?dāng)y液量的變化。

        圖6 不同氣量的實驗與CFD模擬攜液量Fig. 6 Liquid carrying amount in experiment and CFD simulation of different gas flow amount

        2.3 壓降

        通過CFD 數(shù)值模擬,設(shè)置與室內(nèi)模擬實驗相同位置的壓力檢測報表,將記錄每秒各壓力點的壓力變化與室內(nèi)模擬實驗得到的壓力進(jìn)行對比(表3)。由表3 可以看出,與實驗所測壓差接近,CFD模擬計算值整體偏大,但兩者偏差均在1%以內(nèi)。

        表3 實驗與CFD模擬壓差對比結(jié)果Table 3 Comparison results of pressure difference between experiment and CFD simulation

        CFD 模擬監(jiān)測10.5 m 壓力變化和3.8 m 壓力變化兩者差值為井筒壓降,圖7 為實驗與CFD 模擬壓降變化情況,從圖7 可以看出,整體CFD 模擬計算值變化趨勢與實驗測出數(shù)據(jù)變化趨勢整體相同,也沒有較大的偏差點。說明CFD 數(shù)值模擬的計算值能夠較準(zhǔn)確預(yù)測氣井壓降的變化。

        圖7 不同氣量的實驗與CFD模擬壓降Fig. 7 Pressure drop in experiment and CFD simulation of different gas flow amount

        3 實際井筒條件下CFD 模擬分析與預(yù)測

        本文采用該模型對實際井筒工況下的泡排模擬進(jìn)行分析與預(yù)測。

        模擬溫度為20 和70 ℃,壓力為15 和30 MPa,液量為0.2 m3/h,氣量為50 m3/h。

        3.1 井筒流型

        模擬流型如圖8 所示(紅色代表液相,藍(lán)色代表氣相)。由圖8 可以看出,實際井筒工況條件下,液量為0.2 m3/h、氣量為50 m3/h 時,井筒呈長氣柱彈狀流,且隨著溫度壓力的增大流型變化不明顯,與實驗條件相比,管內(nèi)液相組分增多。這是由于隨著井筒壓力溫度的升高,井筒中泡沫破裂,大部分變成液相充滿管內(nèi),少部分蒸發(fā)成為水蒸氣,隨著溫度壓力繼續(xù)升高,少部分氣相在高壓下慢慢液化并溶解于水中,因此呈現(xiàn)出管內(nèi)液量增多的現(xiàn)象。

        圖8 CFD模擬流型分布(液量0.2 m3/h、氣量50 m3/h)Fig. 8 Flow regime distribution of CFD simulation(liquid volume 0.2 m3/h, gas volume 50 m3/h)

        3.2 攜液量

        與實驗條件相同,設(shè)定出口液相質(zhì)量流量報表,將記錄每秒出口的質(zhì)量流量變化與室內(nèi)模擬實驗得到的攜液量進(jìn)行對比(表4)。

        表4 室內(nèi)實驗結(jié)果與實際井筒模擬結(jié)果對比Table 4 Comparison between laboratory experiment results and actual wellbore simulation results

        由表4 可以看出,當(dāng)溫度和壓力升高時,攜液量較實驗條件下減少0.72 倍(40 ℃,15 MPa),且隨著溫度、壓力的繼續(xù)增大,攜液量值趨于穩(wěn)定,這是因為實際井筒工況下泡沫的表面張力減小,井筒泡沫破裂,氣井?dāng)y液能力減弱。在實際井筒工況下,井筒液相組分明顯增大,此時井筒持液率增大,且隨著溫度壓力的升高,液相組分最終趨于穩(wěn)定(圖8);當(dāng)氣量一定時,實際井筒工況下氣體流速變小,氣體舉升越來越困難,因此攜液量減??;隨著溫度、壓力增大,氣井?dāng)y液能力減弱。

        3.3 壓降

        與實驗條件一樣,取3.8 m 處和10.5 m 處界面設(shè)定壓力檢測報表,將記錄每秒各壓力點的壓力變化與室內(nèi)模擬實驗得到的壓力變化進(jìn)行比對(表5)。

        表5 室內(nèi)實驗結(jié)果與實際井筒模擬結(jié)果對比Table 5 Comparison between experiment results and simulation results

        由表5 可以看出,當(dāng)溫度和壓力升高時,壓降較實驗條件下增大,增大為實驗條件下的1.8 倍(40 ℃,15 MPa),且隨著溫度、壓力的繼續(xù)增大,井筒壓降值趨于穩(wěn)定;這是因為當(dāng)溫度壓力增大時,井筒中泡沫破裂,泡沫密度增大,液相黏度增大,泡沫重位壓降變大,液相在高壓下液化成液相,此時天然氣黏度增大,泡沫和管壁以及泡沫和氣相之間摩阻壓降增大,相較于實驗條件下泡沫組分和天然氣組分重位壓降增大,因此呈現(xiàn)出總壓降增大的趨勢。

        4 結(jié) 論

        (1)不同泡排劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0~0.5%)的室內(nèi)模擬實驗表明,泡排劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%為最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù),此時井筒壓降最小,且壓降波動小,井筒排液效果最好。

        (2) 通過對比室內(nèi)模擬實驗結(jié)果,優(yōu)選“VOF+k?ω”模型為井筒泡沫排水采氣的CFD 模擬最優(yōu)數(shù)學(xué)模型,壓降攜液量誤差均在10%以內(nèi),且流型一致時壓降攜液量的變化趨勢基本相同。

        (3)采用“VOF+k?ω”模型對實際井筒工況進(jìn)行模擬研究,隨著溫壓增至40 ℃、15 MPa,液、氣量分別低于0.2 m3/h、50 m3/h 時,流型轉(zhuǎn)為彈狀流,壓降增加1.8 倍,攜液量減少0.72 倍,泡排效果減弱。

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