1、大庆石油地质与开发 Petroleum Geology Oilfield Development in Daqing2023 年 6 月 第 42 卷第 3 期June，2023Vol.42 No.3DOI：10.19597/J.ISSN.1000-3754.202202018基于泡沫携液实验的压降携液量CFD数值模拟汪国威1，2，3，4 曹光强5 李楠5 廖锐全1，2，3，4（1.中国石油天然气集团有限公司采油采气重点实验室长江大学分室，湖北 荆州434023；2.中国石油天然气集团有限公司气举试验基地多相流研究室，湖北 武汉430100；3.长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100；4
2、.油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北 武汉430100；5.中国石油勘探开发研究院，北京100083）摘要：为了研究流体动力学（CFD）方法对泡沫排水采气的可行性及在实际井筒中的流动规律，通过分析直井在不同质量分数泡排剂的流型、压降和携液量，得到最优泡排剂质量分数，基于室内实验模型建立相同的CFD物理模型，并对多相流模型（Eulerian模型、VOF模型和Mixture模型）和紊流模型（Reynolds Stress、k和k模型）进行优选得到最适合泡沫排水采气的数学模型，最后在实际井筒温度压力条件下进行CFD模拟得到流型压降携液量规律。结果表明：泡排剂质量分数为0.3%时携液效果最好；优选得到
3、的最优CFD数学模型为“VOF+k”，模拟结果与实验结果对比，压降、携液量误差均在10%以内；在实际井筒条件下，随着温度和压力增至40 和15 MPa，液、气量分别低于0.2 m3/h、30 m3/h时，流型转为弹状流，压降增加1.8倍，携液量减少0.72倍，泡排效果减弱。该计算方法计算简单、准确性高，可以为泡沫排水采气工艺技术的高效实施和方案优化提供理论指导。关键词：直井；泡沫；流型；压降；排液量；CFD数值模拟中图分类号：TE37 文献标识码：A 文章编号：1000-3754（2023）03-0083-07CFD numerical simulation of pressure drop
4、liquid carrying capacity based on foam carrying liquid experimentWANG Guowei1，2，3，4，CAO Guangqiang5，LI Nan5，LIAO Ruiquan1，2，3，4（1.CNPC Key Laboratory of Oil and Gas Production，Yangtze University，Jingzhou 434023，China；2.Laboratory of Multiphase Pipe Flow，Gas Lift Innovation Center，CNPC，Wuhan 430100，C
5、hina；3.School of Petroleum Engineering，Yangtze University，Wuhan 430100，China；4.Hubei Key Laboratory of Drilling and Production Engineering for Oil and Gas，Wuhan 430100，China；5.PetroChina Research Institute of Exploration and Development，Beijing 100083，China）Abstract：In order to study the feasibility
6、 of computational fluid dynamics（CFD）method for foam drainage gas recovery and the flow law in actual wellbore，the flow regime，pressure drop and liquid carrying capacity of vertical wells with different foam drainage agent mass fractions are analyzed to obtain optimal foam drainage agent mass fracti
7、on.The same CFD physical model is established based on lab experiment model，and multiphase flow models（Euler model，VOF model and Mixture model）and turbulence models（Reynolds Stress，k and k models）are optimized to obtain the most suitable mathematical model for foam drainage gas recovery.Finally，the
8、CFD simulation is carried out 收稿日期：2022-02-18 改回日期：2022-12-27基金项目：国家自然科学基金项目“多种通讯约束下网络化智能系统的性能分析与优化设计”（62173049）；“十三五”国家科技重大专项“致密油储层压后排采优化与压裂数据库软件研制”（2016ZX05046-004-003）。第一作者：汪国威，男，1996年生，在读硕士，从事多相管流及气井排水采气研究。E-mail：通信作者：廖锐全，男，1962年生，教授，从事采油、采气工艺技术和多相管流研究。E-mail：2023 年大庆石油地质与开发at actual wellbore te
9、mperature and pressure to obtain the law of flow regime pressure drop and liquid volume.The results show that foaming agent with mass fraction of 0.3%has the best liquid carrying effect.The optimal CFD mathematical model is“VOF+k”.Comparison between simulation and experiment results shows the errors
10、 of pressure drop and liquid carrying capacity both less than 10%.Under actual wellbore conditions，with temperature and pressure increase to 40 and 15 MPa，and liquid and gas volume are lower than 0.2 m3/h and 30 m3/h respectively，flow regime turns to slug flow，pressure drop increases by 1.8 times，li
11、quid carrying capacity decreases by 0.72 times，and foaming drainage effect is weakened.The calculation method is simple and accurate，and provides theoretical guidance for efficient implementation and optimization of foam drainage gas recovery technique.Key words：vertical well；foam；flow regime；pressu
12、re drop；drainage amount；CFD numerical simulation0引言泡排作为一种能充分利用地层自身能量实现举升，不需进行修井作业，设备配套简单、易操作和投资费用低的排水采气工艺，是有一定自喷能力的水淹井恢复自喷能力的可行措施12。曹光强等3对高温高压下泡排剂性能进行了研究，优选得到了适用于高温高压下的泡排剂；刘洋、程金金等46通过室内模拟实验对泡沫携液的压降进行了研究，得到泡沫携液的临界携泡流量；J.H.Zhu 等79对CFD 网格独立性进行了研究，得到了高压下的CFD 建模方法；成立等1014对 CFD 中的 RNG 湍流模型进行了研究，得到 RNG 湍流模
13、型的实用性。综上所述，现阶段对泡沫携液压降携液量的研究大多是室内实验，但在实际井筒工况温度压力下，试验很难进行，而通过 CFD 模拟研究不仅可以模拟实际井筒温度压力工况下泡沫携液过程，还能得到实际井筒条件下的流型、压降、携液量和相的分布等特性，对解释、分析、揭示实验现象和井筒条件下举升关键参数如压降、携液量的变化规律更直观。本文通过室内模拟实验，综合压降携液量结果，对泡排剂浓度、多相流模型和紊流模型进行优选，设置合理边界条件，对实验条件下的泡沫携液进行模拟；基于该模型在实验室条件下的运用，推广到实际井筒条件下，得到实际井筒条件下泡沫排水采气规律，对泡沫排水采气在实际应用中有一定指导作用，实现气
14、井的最优生产。1实验设计1.1实验设备与内容整个实验在水平气井动态模拟实验平台进行（图 1），该平台可模拟起泡剂起泡及泡排生产时的气水泡三相流动，实验时通过透明有机玻璃管观察泡沫起泡以及各种流型，通过监控设备测量管道中多相流体的流量、压力、压差和不同气量下每秒气体携液能力等参数。选用常用起泡剂 烯基磺酸钠作为本次实验的起泡剂，用泡沫泵对井筒均匀进泡，设置加注速度为 1.5 L/h，气速控制在 080 m3/h，液速控制在 00.6 m3/h，以保证室内实验过程中气流携液状态。室内模拟实验：优选最优浓度泡排剂，记录流型压降携液量的变化规律，用 CFD 模拟软件对实验工况进行模拟，对比流型、压力和
15、携液量的变化是否吻合。1.1.1井筒流型在保持一定液体流量条件下，随着注入气量的增加，通过肉眼观察与高速摄像机拍摄相结合的方式，发现垂直管中主要存在泡沫段塞流和泡沫搅动流2种流型（图2）。由图2可以看出，随着注入气量的增大，从左向右流型逐渐由泡沫段塞流转变为搅动流，这是由于起泡剂在斜井段遇水后受气流扰动影响形成含水泡沫，在气流携泡过程中，有一部分含水泡沫被气图1CFD模拟实验流程示意Fig.1 Schematic CFD simulation experiment process84第 42 卷 第 3 期汪国威 等：基于泡沫携液实验的压降携液量CFD数值模拟体带离井筒，但仍有一部分液相出现回
16、落，直到与下一段正在随着气流爬升的含水泡沫段重合，然后重复同样的现象，形成泡沫段塞流；随着注气量继续增大，气体所具有的能量逐渐增加，液塞不断增大逐渐向搅动流转变。1.1.2井筒携液量和压降在斜井段注入不同质量分数的泡排剂，使其与液柱充分混合，待混合均匀后开始注气，分析压降携液量变化规律。由图3可以看出，泡排剂质量分数为 0.3%时，井筒压降小带液能力强，此时应为泡排剂最优质量分数；当泡排剂质量分数高于最优质量分数时，在井底积液与泡排剂接触后，借助气流的扰动，生成大量含水泡沫，进入垂直段，产生二次发泡并在垂直段中部聚集，形成封堵层，使液体不能被带出，形成高密度含水泡沫，导致井筒总压降大且携液量减小；当泡排剂质量分数低于最优质量分数时，气流搅动下发泡数量少，导致井筒总压降大且携液能力弱。1.2CFD模型建立1.2.1物理模型建立根据实验尺寸建立三维流道几何模型（图 4（a），高度 H=13 m，水平段 L=4.1 m，斜井段半径 R=2 m，初始液柱长度 S=1.5 m 油管内径 Di=60 mm、泡沫及气相入口短接的内径 Df、Ds均为30 mm。对模型进行结构化网格划分（图4（b），并
