柯文奇何 焱張懷力

（1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083;2.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都610056；3.中國(guó)石化涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限公司，重慶408014）

0 引言

頁(yè)巖氣井開(kāi)發(fā)至中后期，低壓井?dāng)?shù)量不斷增加，井口壓力過(guò)低無(wú)法有效進(jìn)入生產(chǎn)流程正常生產(chǎn)。針對(duì)井口低壓氣外輸困難問(wèn)題，通過(guò)管網(wǎng)優(yōu)化、高低壓分輸、增壓采氣［1］及井口噴射引流等工藝能有效降低井口回壓，保障氣井穩(wěn)定生產(chǎn)。四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田生產(chǎn)過(guò)程中，單井遞減差異及新鉆井條件下，存在同一平臺(tái)高低壓井同時(shí)存在情形。利用高壓氣井能量通過(guò)噴射引流工藝，帶動(dòng)低壓井生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)低壓氣井的正常外輸，為平輸壓氣井穩(wěn)產(chǎn)提供一種經(jīng)濟(jì)合理的方案。噴射引流器在印刷、燃?xì)?、制冷、天然氣調(diào)峰［2-5］等方面廣泛應(yīng)用。前人研究［6-12］發(fā)現(xiàn)引射器幾何參數(shù)，包括噴嘴結(jié)構(gòu)、噴喉距、喉管尺寸、喉管長(zhǎng)度、擴(kuò)壓腔角度等均對(duì)引射器引射效果產(chǎn)生影響。在氣井井口引射增壓過(guò)程中需盡可能利用能量保持較高的增壓效果和引射率。因此有必要對(duì)噴射引流工具參數(shù)針對(duì)性設(shè)計(jì)，并明確其使用范圍。

1 噴射引流工藝基本原理

引射器由引射流體入口、被引射流體入口、噴嘴、喉管、擴(kuò)散區(qū)等構(gòu)成。引射流體（高壓流體）進(jìn)入引射器后在噴嘴處勢(shì)能或熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，形成低壓區(qū)，在壓力差驅(qū)動(dòng)被引射介質(zhì)流向該區(qū)與工作流體混合，引射流體與被引射流體在噴嘴處進(jìn)行動(dòng)量交換，引射流體將動(dòng)能傳遞給被引射流體［13］。然后，混合流體進(jìn)入喉管，速度逐漸穩(wěn)定，再經(jīng)擴(kuò)散室流通面積擴(kuò)展速度降低，混合流體將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能或熱能，介質(zhì)壓力逐漸回升，達(dá)到介于引射流體壓力與被引射流體壓力間的值，進(jìn)而經(jīng)出口外輸。

圖1引射流體壓力變化對(duì)引射率的影響圖

2 引射器基本參數(shù)設(shè)計(jì)

噴射器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)，但其內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)復(fù)雜多變，其流動(dòng)過(guò)程的分析和計(jì)算方法并不完善，工具的設(shè)計(jì)方法較復(fù)雜。目前來(lái)說(shuō)，在噴射引流工具的設(shè)計(jì)方法方面，主要有以下3種常用方法：經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、經(jīng)典熱力學(xué)法和氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法通常是以實(shí)驗(yàn)、圖表和經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)，計(jì)算噴射引流工具各部分的尺寸，如根據(jù)進(jìn)入噴射工具的工作流體壓力、引射流體壓力、出口輸出壓力以及流體的流量、流速以及溫度等狀態(tài)參數(shù)，按工作流體的壓縮比（工作流體的壓力與引射流體壓力之比）和噴射工具的壓縮比（混合流體的壓力與引射流體壓力之比），由現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)或經(jīng)驗(yàn)圖版來(lái)計(jì)算噴射工具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

在工具設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用很多假設(shè)以簡(jiǎn)化熱力學(xué)模型：假設(shè)流動(dòng)為一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，入口處工作流體、引射流體以及噴射引流工具擴(kuò)壓室出口流體的速度可忽略不計(jì)等。同時(shí)，工具設(shè)計(jì)過(guò)程中通常以等壓混合理論為指導(dǎo)，并通過(guò)引入一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)采用索科洛夫引射器的設(shè)計(jì)方法［14］對(duì)引射器噴嘴尺寸、混合室尺寸、擴(kuò)散室長(zhǎng)度等主要部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其它部分按相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，確定引射器的基本參數(shù)（表1）。

表1噴射引流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 引射器影響因素研究及引射效果預(yù)測(cè)

在高低壓井口壓力不斷變化條件下，引射器效率［15-19］伴隨變化，明確引射器進(jìn)出口參數(shù)變化條件下的引射性能變化有利于工藝實(shí)施和調(diào)整。當(dāng)固定了噴射器時(shí)，模擬計(jì)算分析不同工況引射流體壓力、被引射流體壓力、擴(kuò)壓室出口回壓對(duì)噴射引流工具性能的影響，可明確工況參數(shù)對(duì)引射效率影響。

3.1 引射流體壓力變化對(duì)引射效果的影響

在噴射引流過(guò)程中，引射流體為噴射引流工藝提供能量來(lái)源。模擬在固定被引射流體壓力為4 MPa而出口混合流體回壓為5 MPa不變的情況下，引射率隨引射流體壓力變化情況的模擬結(jié)果表明，在相同的被引射壓力和出口回壓條件下，引射流體壓力增大的過(guò)程中，引射比隨著引射流體壓力的增大而不斷增大。當(dāng)引射流體壓力大于9 MPa時(shí)，引射率隨引射流體壓力降低而降低，當(dāng)引射流體壓力繼續(xù)降低時(shí)，引射率迅速降低或引射失效（圖2）。

圖2引射流體壓力變化對(duì)引射率的影響

3.2 被引射流體壓力變化對(duì)引射效果的影響

引射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了當(dāng)引射流體形成的流動(dòng)不足以引射被引射流體時(shí)，引射流體可能進(jìn)入被引射流體通道，導(dǎo)致高壓流體進(jìn)入低壓流體通道，直接導(dǎo)致低壓氣井停產(chǎn)。為明確在固定引射器結(jié)構(gòu)條件下不同被引射流體壓力條件下的工作情況。固定引射流體壓力為12 MPa而和出口混合流體回壓為5 MPa不變的情況下，模擬引射率隨引射流體壓力變化情況。模擬結(jié)果表明，在相同的引射壓力和出口回壓條件下，當(dāng)被引射壓力由5.2 MPa逐漸降低到3.2 MPa時(shí)，引射率隨著被引射流體壓力的降低而不斷降低。當(dāng)被引射流體壓力小于3.2 MPa時(shí)，引射率小于0，表明引射流體進(jìn)入被引射流體通道，引射失效（圖3）。

圖3被引射流體壓力變化對(duì)引射率的影響圖

3.3 出口壓力變化對(duì)引射效果的影響

在噴射引流工藝實(shí)施過(guò)程中，集氣管線(xiàn)積液、環(huán)境溫度變化等均可能導(dǎo)致集氣壓力變化，從而可能間接影響工藝效果。為了分析噴射工具出口壓力大小對(duì)性能的影響，在維持引射流體壓力和被引射流體壓力不變的情況下，模擬計(jì)算出不同的出口回壓下噴射工具的引射率的影響。模擬結(jié)果表明：隨著出口壓力的增加，引射率逐漸降低，二者基本成線(xiàn)性變化。當(dāng)出口壓力過(guò)高時(shí)，氣體在較高的回壓影響下會(huì)出現(xiàn)引射氣體回流的現(xiàn)象。因此，出口壓力過(guò)高將導(dǎo)致噴射引流工具不能正常工作，對(duì)噴射引流工具的工作性能有著重要的影響（圖4）。

圖4出口壓力變化對(duì)引射率的影響圖

綜上所述，在固定引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，引射流體壓力、被引射流體壓力及出口壓力均對(duì)引射效率產(chǎn)生顯著影響。同時(shí)在高低壓氣井引射工藝實(shí)施過(guò)程中，某一固定參數(shù)結(jié)構(gòu)引射器只能適應(yīng)于一定井口壓力的低壓氣井，當(dāng)其壓力低于臨界值時(shí)，引射失效導(dǎo)致低壓氣井停產(chǎn)。在實(shí)施噴射引流工藝時(shí)需合理選井，提高工藝適應(yīng)性。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析

4.1 試驗(yàn)井組基本情況

試驗(yàn)選取涪陵X號(hào)平臺(tái)上A井（低壓井）和B井（高壓井），采氣井口距離小于10 m。試驗(yàn)前，A井因井口壓力降低至與輸壓持平而產(chǎn)量降低，導(dǎo)致井筒積液，需間噴生產(chǎn)。其套壓約為8.5 MPa，輸壓為5.1 MPa。B井井口油壓為10.0 MPa，日產(chǎn)氣量為6×104～8×104m3，水氣比為0.5 m3／（104m3·d-1）。A井間開(kāi)生產(chǎn)至井口產(chǎn)量為0時(shí)，采用噴射引流工藝生產(chǎn)?；镜孛媪鞒淌疽鈭D見(jiàn)圖5。

圖5噴射裝置接入流程圖

4.2 試驗(yàn)效果分析

2018年4月，A井經(jīng)間噴生產(chǎn)至平輸壓，經(jīng)噴射引流流程生產(chǎn)，觀測(cè)A井井口油壓逐步由5.3 MPa降低至4.4 MPa，10分鐘趨于穩(wěn)定。經(jīng)超聲波流量計(jì)測(cè)量高壓井B井產(chǎn)量為4.8×104m3／d，混合產(chǎn)量穩(wěn)定在7.0×104～7.1×104m3／d。

試驗(yàn)前，單次間開(kāi)生產(chǎn)7～10 d，本次間開(kāi)至不能生產(chǎn)后，采用噴射引流工藝后生產(chǎn)23 d仍能正常生產(chǎn)，因井筒積液導(dǎo)致產(chǎn)量降低而放噴恢復(fù)。截止試驗(yàn)期內(nèi)，在輸壓為5.1 MPa條件下，將A井井口油壓降低至3.8 MPa以下時(shí)仍能有效引射，實(shí)現(xiàn)增壓1.3 MPa進(jìn)流程生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)降壓25%。試驗(yàn)過(guò)程中，B井井口壓力逐漸由11 MPa降低至9 MPa，對(duì)比分析引射率的變化（圖6），將理論模擬引射率和實(shí)際引射率進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)測(cè)得引射率和模擬引射率具有較好符合度。

圖6理論引射效率和實(shí)際情況對(duì)比圖

5 結(jié)論

1）噴射引流工藝能有效利用高壓氣井能量引射降低低壓氣井井口壓力，延長(zhǎng)氣井自噴攜液生產(chǎn)周期。

2）在固定工具參數(shù)條件下，模擬發(fā)現(xiàn)引射流體壓力、被引射流體壓力及混合出口壓力均對(duì)引射效率有顯著影響。因此在應(yīng)用過(guò)程中需合理優(yōu)選參數(shù)，提高噴射引流工藝適應(yīng)性。

3）在相同的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作參數(shù)下，高壓氣入口壓力越低，低壓氣越低，引射效率越低。

4）應(yīng)用過(guò)程有效降低井口油壓的工況條件下最大達(dá)到1.3 MPa，有利于低壓氣井的穩(wěn)定生產(chǎn)。