水龙卷涡旋排水采气装置及方法与流程

本发明涉及石油工程领域，具体涉及水龙卷涡旋排水采气装置及方法。

背景技术：

当气藏压力逐渐降低以后，气体流速也逐渐降低，当天然气能量不足以将液体携带出去时，液体逐渐凝结团聚在重力作用下逐渐回流至井底形成积液。井底积液一旦产生，气体在井底运移过程中的滑脱损失使得气体能量在井底就消耗了许多，如此往复，井底积液段高度越来越大最终将气井压死。因此对于气井来说，要想尽可能增大产气量和稳产时间，应该及时将井底积液带出井底。传统的排水采气方式包括：泡沫排水采气工艺、气举排水采气工艺、电潜泵排水采气、水力喷射泵排水采气工艺、速度管柱排水采气工艺。美国能源部在2004年，针对排水采气问题研发出涡流工具，该工具安装在生产管柱当中能够使得气液两相分离，把井筒中流体的紊流流态转变成螺旋上升的环状膜形流动，在生产前期安装此工具可以大幅减小气体在运移过程中的能量损耗，从而携带出更多的液体流出井口。但是上述这些排水采气工艺要么代价比较昂贵，要么需要停产重复施工，这样就无疑增大了油田的支出，不利于经济开采。而随着气藏能量下降，气体流速降低井底积液段已经损耗了大量的能量时，安装涡流工具也只是亡羊补牢，其气液分离的有效作用距离随着涡流工具上方液体回流产生积液后越来越短，使得该工具的效果越来越差。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供水龙卷涡旋排水采气装置及方法，本发明是一种绿色高效的排水采气装置以及排水采气方法，利用本发明提供的装置和方法可能够大幅提高气井排液能力，提高气井的产气能力。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

水龙卷涡旋排水采气装置，包括加速部和入流部，加速部为横截面逐渐增大的回转体，入流部为空心圆柱，入流部的一端与加速部的大端连接，入流部沿其周向在侧壁均匀开设有若干个流体入口，流体入口与入流部的内腔连通，入流部的内壁在每个流体入口的两侧均设置有导向叶片，入流部在导向叶片与入流部连接部的外切线与导向叶片的夹角为锐角；所有导向叶片在入流部内腔中的倾斜方向相同；入流部的另一端中心开设有流体出口。

所有导向叶片在入流部内腔中的倾斜角度相同、导向叶片的高度与入流部内腔的高度相同。

流体出口的半径a与入流部内腔高度h满足以下条件：

每个流体入口两侧的导向叶片中，靠近入流部轴线的导向叶片与流体出口所在圆柱面恰好相交，长度为l1，另一导向叶片的长度为l2，则l1与l2满足如下关系：

6.5cm≤l2≤0.0l1。

入流部在导向叶片与入流部连接部的外切线与导向叶片的夹角为45°。

导向叶片的厚度为2mm，每个流体入口两侧的导向叶片之间的距离为2.5cm。

加速部的形状为圆台形或圆锥形。

加速部采用母线为光滑曲线的圆台结构。

加速部的小端面直径为10cm，大端面直径为20cm，高度为40cm。

入流部的端部在流体出口同轴连接有连接管。

水龙卷涡旋排水采气方法，包括如下步骤：

s1，将水龙卷涡旋排水采气装置安装固定在生产管柱的末端，生产管柱的末端与流体出口相连；

s2，将安装有水龙卷涡旋排水采气装置的生产管柱下入井底，将套管与生产管柱之间的环形空间封堵，入流部与套管之间形成环形空间；

s3，开井投产。

开井投产后，气液混合物沿套管上升过程中，气液混合物流动到加速部与套管之间的部位时，气液混合物的流速得到增强并进入入流部与套管之间形成环形空间，之后从流体入口进入，接着经导向叶片导流，气液混合物旋转形成涡旋，接着以生产管柱为流动通道，气液混合物在入流部内腔经诱导旋射，最终流入生产管柱，在生产管柱中形成水龙卷，生产井井底附近的液体能够始终旋射辐聚在水龙卷风场外圈，气体靠近管柱中心旋射上升，此时气液混合物中的气液两相处于分离状态。

将安装有水龙卷涡旋排水采气装置的生产管柱下入井底后，加速部距离生产井射孔孔眼或者裸眼段的高度为1.5m-2m。

本发明具有如下有益效果：

本发明水龙卷涡旋排水采气装置的加速部为横截面逐渐增大的回转体，入流部的一端与加速部的大端连接，入流部沿其周向在侧壁均匀开设有若干个流体入口，入流部的另一端中心开设有流体出口，入流部沿其周向在侧壁均匀开设有若干个流体入口，流体入口与入流部的内腔连通，入流部的内壁在每个流体入口的两侧均设置有导向叶片，入流部在导向叶片与入流部连接部的外切线与导向叶片的夹角为锐角；所有导向叶片在入流部内腔中的倾斜方向相同；在使用时，将生产管柱的末端与流体出口相连；将安装有水龙卷涡旋排水采气装置的生产管柱下入井底，将套管与生产管柱之间的环形空间封堵，入流部与套管之间形成环形空间；由于加速部为横截面逐渐增大的回转体，因此，气液混合物流动到加速部与套管之间的部位时，其流速能够通过变截面的空腔铸件增强；气液混合物从流体入口进入入流部内腔时，能够经导向叶片导流后旋转形成涡旋，形成漩涡的气液混合物能够再从流体出口流出，形成漩涡的气液混合物中，液体能够始终旋射辐聚在水龙卷风场外圈，气体在水龙卷风场中心旋射上升，此时气液混合物中的气液两相处于分离状态。综上所述，本发明的水龙卷涡旋排水采气装置能够大幅提高气井排液能力，提高气井的产气能力。

进一步的，加速部采用母线为光滑曲线的圆台结构，使用时，生产井附近储层中的气液混合物从加速部的侧面流向加速部，由于加速部采用母线为光滑曲线的圆台结构，因此能够及时将气液混合物平缓倒流，实现对气液混合物的加速以及减缓气液混合物对侧面的腐蚀。

进一步的，入流部的端部在流体出口同轴连接有连接管，通过连接管能够方便的与生产管柱连接。

本发明水龙卷涡旋排水采气方法在进行时，将水龙卷涡旋排水采气装置安装固定在生产管柱的末端，生产管柱的末端与流体出口相连；将安装有水龙卷涡旋排水采气装置的生产管柱下入井底，将套管与生产管柱之间的环形空间封堵，入流部与套管之间形成环形空间；之后直接开井投产即可，由上述本发明水龙卷涡旋排水采气装置的有益效果可知，本发明的水龙卷涡旋排水采气方法能够有效将气液混合物中的气液两相进行分离，气井排液能力大幅提高，气井的产气能力也相应提高。在生产前期：水龙卷其底部极强的抽吸作用，加上风场的气液分离能力大大减小了能量损耗，使得气体能够及时携带更多的流体流出井口，延缓了井底积液的产生。在生产后期：水龙卷风场使得气液分离始终处于涡旋状态，大大减小原本气体通过积液段的能量损耗，尽可能减弱了积液对气井采气的影响，增强气井产气能力。水龙卷涡旋排水采气装置在生产前安装在井底生产管柱的末端，生产过程中不需要关井施工，大大节约了油田现场的人力物力消耗，而且完全不影响和泡沫排水采气工艺、涡流工具等其他排水采气工艺结合使用。比较泡沫排水采气工艺、电潜泵排水采气工艺等其他传统的排水采气工艺，水龙卷涡旋排水采气工艺生产前就安装完毕，整个生产过程完全自动，不需要其他能源，其成本十分低廉，经济效益好，不仅避免了关井施工带来的经济负担，而且节约了其他传统排水采气工艺消耗的化工品和器材。

附图说明

图1为本发明水龙卷涡旋排水采气装置安装于井底后的工作示意图；

图2为本发明水龙卷涡旋排水采气装置入流部的横截面结构示意图；

图3为本发明水龙卷涡旋排水采气装置入流部的立体结构示意图(未显示入流部的底部)；

图4为本发明水龙卷涡旋排水采气装置内部结构图(未显示入流部流体出口一端)；

图5为本发明水龙卷涡旋排水采气装置整体结构图；

图6为本发明水龙卷涡旋排水采气装置整体结构透视图；

图7为本发明入流部部件之间的位置关系图。

图中，1-套管，2-坐封器，3-上产管柱，3-对流区，5-入流区，6-加速区，7-流体入口，8-导向叶片，9-导流室，10-加速部，11-入流部，12-端板，13-流体出口，14-连接管，15-导向叶片a，16-导向叶片b。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步做出具体的阐述，但本发明不限于以下所列举的实施例。

参照图1～图7，本发明水龙卷涡旋排水采气装置包括加速部10和入流部11，加速部10为横截面逐渐增大的回转体，入流部11为空心圆柱，入流部11的一端与加速部10的大端连接，入流部11沿其周向在侧壁均匀开设有若干个流体入口7，流体入口7与入流部11的内腔连通，入流部11的内壁在每个流体入口7的两侧均设置有导向叶片8，入流部11在导向叶片8与入流部11连接部的外切线与导向叶片8的夹角为锐角；所有导向叶片8在入流部11内腔中的倾斜方向相同；入流部11的另一端中心开设有流体出口13。

作为本发明优选的实施方案，所有导向叶片8在入流部11内腔中的倾斜角度相同、导向叶片8的高度与入流部11内腔的高度相同。

参照图2和图7，本发明入流部11在导向叶片8与入流部11连接部的外切线与导向叶片8的夹角θ为45°；导向叶片8的厚度为2mm，每个流体入口7两侧的导向叶片8之间的距离为2.5cm。

作为本发明优选的实施方案，加速部10的形状为圆台形或圆锥形，可采用实心结构或者有底面的空心结构。

参照图1、图4和图5，作为本发明优选的实施方案，加速部10采用母线为光滑曲线的圆台结构。

作为本发明优选的实施方案，加速部10的小端面直径为10cm，大端面直径为20cm，高度为40cm。

作为本发明优选的实施方案，入流部11的端部在流体出口13同轴连接有连接管14。

本发明水龙卷涡旋排水采气方法，采用上述装置，包括如下步骤：

s1，将水龙卷涡旋排水采气装置安装固定在生产管柱3的末端，生产管柱3的末端与流体出口13相连；

s2，将安装有水龙卷涡旋排水采气装置的生产管柱3下入井底，利用封隔器将套管1与生产管柱1之间的环形空间封堵，入流部11与套管1之间形成环形空间；

s3，开井投产。

开井投产后，气液混合物沿套管1上升过程中，气液混合物流动到加速部10与套管1之间的部位时，气液混合物的流速得到增强并进入入流部11与套管1之间形成环形空间，之后从流体入口7进入，接着经导向叶片8导流，气液混合物旋转形成涡旋，接着以生产管柱3为流动通道，气液混合物在入流部11内腔经诱导旋射，最终流入生产管柱3，在生产管柱3中形成水龙卷，生产井井底附近的液体能够始终旋射辐聚在水龙卷风场外圈，气体靠近管柱中心旋射上升，此时气液混合物中的气液两相处于分离状态。

将安装有水龙卷涡旋排水采气装置的生产管柱3下入井底后，加速部10距离生产井射孔孔眼或者裸眼段的高度为1.5m-2m。

本发明水龙卷涡旋排水采气方法中，生产管柱3的直径与流体出口7的直径相同，根据生产管柱3的直径，设计本发明水龙卷涡旋排水采气装置中的入流部11内腔高度h、导向叶片的长度。

本发明将安装有水龙卷涡旋排水采气装置的生产管柱3下入井底后，加速部10与套管1之间形成加速区6、入流部11与套管1之间形成环状的入流区5、入流部11之上的生产管柱3中形成对流区4。在加速区6处，气液混合物在加速部10与套管1之间的环空向上流动，由于加速部10由下至上体积逐渐增大，环空体积逐渐减小，因此气液混合物流速得到增强进入入流区5；在入流区5，入流部11为空心圆柱体，具有6个导流室9，导流室9为同一个流体入口7两侧的两个导向叶之间的腔室，气液混合物流体加速后进入导流室9，经导向叶片导流，气液混合物流体旋转形成涡旋；对流区5以生产管柱3为流动通道，气液混合物在入流区5经诱导旋射，最终流入生产管柱3，在生产管柱3中形成水龙卷。

本发明优选的方案中，为了保证在生产管柱3中产生的是单涡的水龙卷，必须根据生产管柱3尺寸优选设计导向叶片的长度和入流区圆柱体的高度，设生产管柱的半径为a(与流体入口的半径相同)，则参照图7，本发明流体出口13(图7中虚线表示的圆)的半径a与入流部11内腔高度h满足以下条件：

每个流体入口7两侧的导向叶片中，靠近入流部11轴线的导向叶片与流体出口13所在圆柱面恰好相交，长度为l1，另一导向叶片的长度为l2，则l1与l2满足如下关系：

6.5cm≤l2≤0.0l1。

本发明优选的方案中，将水龙卷涡旋排水采气装置安装固定在生产管柱3的末端时，采用焊接方式连接，采用的焊接方法为二氧化碳气体保护焊。

本发明的原理是：本发明提供的装置和排水采气方法结合利用了水龙卷风场强大的气液分离能力和极强的抽吸能力的风场特性。在井底气液混合物通过水龙卷发生装置形成涡旋，从而在靠近井底的生产管柱中形成水龙卷，那么井底附近的液体会始终旋射辐聚在水龙卷风场外圈，而气体则靠近管柱中心旋射上升，此时气液基本处于分离状态，大大减少了气体在积液段运移过程中的滑脱损失，很大程度上减少了气体通过井底积液段的能量损耗；并且水龙卷极强的底部抽吸能力使得井底积液源源不断的往上抽吸，保证气井不会被越来越多的井底积液压井停产，在生产中后期配合涡流工具还可以进一步提高气井的排液能力。

实施例1

长庆油田枣湾区b12井，油管直径为62mm，预计产气量10000m³/d,产液量7m³/d,井深1300m。

根据油管直径优选设计水龙卷涡旋排水采气装置的尺寸，选择入流区高度为12cm，外径是10cm，导向叶片长度为8.5cm，厚度为2mm。加速区的小端面直径为10cm，大端面直径为20cm，高度为40cm。采用气体保护焊将整个装置焊接在生产管柱末端，下入井底后利用膨胀式封隔器封隔生产管柱和套管之间的环形空间。完成完井作业后投产。表1为临井和b12井产液量的对比，可以看出利用本发明提供的装置和排水采气方法显著提高了气井的排液能力。

表1

实施例2

苏格里气田c2井，油管直径为10.48mm，预计产气量2500m³/d,产液量4m³/d,井深12800m。

根据油管直径优选设计水龙卷涡旋排水采气装置的尺寸，选择入流区高度为20cm，外径是10cm，导向叶片长度为6.5cm，厚度为2mm。加速区的小端面直径为10cm，大端面直径为20cm，高度为40cm。采用气体保护焊将整个装置焊接在生产管柱末端，下入井底后利用膨胀式封隔器封隔生产管柱和套管之间的环形空间。完成完井作业后投产。表1为临井和从c2井产液量的对比，可以看出利用本发明提供的装置和排水采气方法显著提高了气井的排液能力。

表2

综上，本发明利用水龙卷风场超强的气液分离能力和抽吸能力设计出可以在井底生产管柱当中生成小型水龙卷的装置，利用该装置进行排水采气不仅可以使得气液分离大大减小了气体运移过程中产生的滑脱损失，而且其风场特有的抽吸能力使得井底积液源源不断的抽吸出井底，大大延长了气井的稳产时间，提高了气井的排液能力。