在天然气井的生产中后期,井底积液问题会随着时间延长逐渐变得严重,需要及时采取恰当的排液采气工艺来辅助气井排液,否则将造成死井。我国近几年从国外引入在井底安装涡流工具的排液采气工艺辅助气井生产,相比与常规的排液采气工艺,该工具具有结构简单、成本低、无污染、不改变管柱结构等优点,并且在国内外气田均取得了较好的现场试验效果。对于涡流工具的机理研究目前国内大多借助CFD流体模拟软件对流场进行模拟分析,但仅停留在涡流工具处于单一雾状流来流的稳态模拟,忽略了气井井筒内流体的实际流动情况和流态分布,导致对涡流工具的机理认识不清,并且对涡流工具在井下的安装位置尚不明确。本文将以流体力学、气液两相管流为理论,使用Fluent软件对垂直管内各流态流体经过涡流工具后的分布规律进行研究,解释了涡流工具的作用机理,确定涡流工具的适用范围,并对涡流工具的结构参数进行优化,最后确定涡流工具在井下的安装位置,为气井现场使用涡流工具提供理论依据。本文使用Fluent瞬态模拟方法对流体处于段塞流、搅动流和环状流时经过涡流工具前后的流场进行分析,结果表明,涡流工具的作用机理是对流体进行能量转化,将部分静压转化为动压,动压的增量用于提供流体切向速度,并且流体经过涡流工具后截面持液率降低,气体的携液能力提高。相比于段塞流和环状流,涡流工具在搅动流下使用效果最佳。在涡流工具的辅助下,可以降低27%的临界携液速度。根据目前涡流工具结构参数的取值范围,借助Fluent软件对涡流工具的螺旋角、槽宽和槽深进行结构参数优化,结果显示,当螺旋角为55°、槽深10mm、槽宽45mm时,流体经过涡流工具后消耗能量少、气液分离效果好且气体的携液能力强。针对某气田的3 口气井,选择液膜模型对气井积液进行判断,并根据气井的生产数据借助Pipesim软件对井筒内不同深度下流体的特性参数进行模拟计算,并结合Owen垂直管内气液两相流流态图对井筒流态进行分析,从而确定3 口气井对涡流工具的适用性以及涡流工具在井下的安装位置。