随着开发过程的不断深入,我国部分天然气田进入中后期开采阶段,大量低产有水气井需要通过提高气体携液量来减少井底积液。涡流排水采气技术能够有效解决井底积液问题,是提高我国低产有水气井采收率和降低开采成本的重要途径。本文以气井井下涡流排水采气技术为应用背景,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)软件ANSYS对涡排井筒内的气液两相螺旋涡流特性进行了数值模拟计算,获得了井筒内螺旋涡流形成和发展过程中的流型转变、气液相分布、速度分布、压力分布特性,气液相界面行为,二次流特性及其演变规律,明确了贴壁环状液膜的形成机理。数值模拟计算结果表明:雾状流流经涡流工具后产生极强的旋流,气体旋流较弱以中心气核的形式快速向上流动,液体旋流较强以环状液膜的形式沿井壁向上螺旋流动,降低了气体临界携液流速和井筒内的流动压力,提高了携液能力。通过旋流流场分析发现:导流叶片内生成了结构不断变化的二次涡,在离心力作用下不均匀分布,并形成沿管壁周向不连续的液膜;流出导流叶片后二次涡衰减消失,气液两相流体螺旋向前流动,液膜开始沿圆管周向分布均匀。稳定后气相切向速度在管中心处较小,远离旋流中心区域较大,涡流中心与圆管中心不重合,有较小的偏心距。在此基础上,采用正交试验设计方法,通过数值模拟手段研究了九组不同的涡流工具的结构参数(螺旋导流板直径,导流叶片厚度,叶片螺距)对涡排井筒内气液两相螺旋涡流的衰减、压降的的影响规律,并对涡流工具结构尺寸进行了优化。优选出叶片螺距S=100mm,叶片厚度δ=8mm,中心柱直径d=38mm的工具结构,并通过旋流保持性和压降损失大小验证了优选的涡流工具性能较好。论文的研究成果揭示了气井井下涡流排水采气的旋流减阻助排机理,为我国涡流排水采气工艺设计和涡流工具结构优化提供技术支持和理论依据。