孫天禮，梁中紅，朱 國(guó)，鐘海全,王 宇,何同均

(1.中國(guó)石化西南油氣分公司 采氣二廠，四川 閬中 637455；2. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司 工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300;4.中國(guó)石油西南油氣田分公司 蜀南氣礦，四川 瀘州 646001)

在氣田開發(fā)過程中，隨著壓力和溫度的降低，井筒中常會(huì)滯留一些水或凝析液而形成“氣井積液”[1]，通常需采取排水采氣[2]措施才能恢復(fù)氣井生產(chǎn)。射流泵因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，成為積液氣井排液采氣的常用措施之一。雖然學(xué)者針對(duì)常規(guī)射流泵[3-8]開展了廣泛的研究，CO2氣井排液采氣工藝也在大慶油田開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并取得了成功，但對(duì)于二級(jí)射流泵及CO2作為動(dòng)力液的研究還未見報(bào)道。本文立足于一級(jí)射流泵的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了二級(jí)射流泵。通過與常規(guī)動(dòng)力液對(duì)比，提出采用CO2作為動(dòng)力液。通過Fluent軟件對(duì)一級(jí)和二級(jí)射流泵進(jìn)行水和超臨界CO2[9-11]數(shù)值模擬對(duì)比，優(yōu)化設(shè)計(jì)了最佳參數(shù)的二級(jí)射流泵。為產(chǎn)水氣田，尤其是酸性氣田排水采氣或油氣井酸化后工作液的返排提供了新的工藝方案。

1 動(dòng)力液的選擇

動(dòng)力液[12]的選擇對(duì)于射流泵排液采氣工藝技術(shù)尤為重要。合理的動(dòng)力液既可以降低能量損失，又可以降低動(dòng)力液的注入壓力和井筒壓力損失，還可以降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。通過對(duì)比天然氣、氮?dú)?、二氧化碳作為?dòng)力液的性能，二氧化碳易實(shí)現(xiàn)超臨界態(tài)，由井底流壓的計(jì)算可知，相同情況下注入二氧化碳得到的井底流壓最大，可以達(dá)到降低注入壓力的目的。

二氧化碳處于超臨界狀態(tài)時(shí)具有密度高、黏度低、與井液能量交換率高等優(yōu)點(diǎn)[13-15]。與常規(guī)的水做動(dòng)力液相比，注入二氧化碳可以降低井筒內(nèi)混合流體的密度，有利于舉升。混合流體在通過射流泵后，壓力不斷降低，二氧化碳由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)變[16]，相當(dāng)于氣舉舉升。因此，選擇二氧化碳作為動(dòng)力液可最大程度實(shí)現(xiàn)氣舉與射流泵的組合排液，尤其適合酸性氣田排水采氣，或油氣井酸化后工作液的返排。

2 二級(jí)射流泵模型

2.1 射流泵結(jié)構(gòu)

常規(guī)的單級(jí)射流泵在較低的吸入壓力條件下易產(chǎn)生氣蝕，同時(shí)會(huì)因射流作用易受到流體的磨損和沖擊，影響射流泵的排液量和壽命[17-18]。常規(guī)的井下雙級(jí)射流泵也只是將2個(gè)單級(jí)射流泵串聯(lián)而成，施工難度大，排液量雖有提高，但排液效率較低，且不能有效降低氣蝕現(xiàn)象。為了克服以上的不足，在一級(jí)射流泵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了一種新型二級(jí)射流泵，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—套管；2—油管；3—?jiǎng)恿σ喝肟冢?—一級(jí)噴嘴；5—一級(jí)混合室；6—一級(jí)喉管； 7—二級(jí)噴嘴；8—二級(jí)混合室；9—二級(jí)喉管；10—擴(kuò)散管；11—混合液出口；12—地層液入口；13—混合液排出通道；14—地層液通道；15—二級(jí)地層液通道；16—一級(jí)地層液通道。

在第1級(jí)泵中，動(dòng)力液從第1級(jí)噴嘴噴出，與進(jìn)入第1級(jí)混合室的吸入液進(jìn)行混合，動(dòng)力液壓能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，混合液經(jīng)過第1級(jí)喉管作為第2級(jí)泵的動(dòng)力液從第2級(jí)噴嘴噴出， 與進(jìn)入第2級(jí)混合室的吸入液再次混合，動(dòng)力液壓能再次轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，在第2級(jí)喉管內(nèi)再次充分混合并進(jìn)行動(dòng)量交換，最后進(jìn)入擴(kuò)散管，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓能，以達(dá)到排出混合液的目的。這種新型二級(jí)射流泵有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 增大了吸入口壓力，降低流體的磨損和沖擊以及氣蝕的發(fā)生。

2) 增大了混合比，提高了排液能力。

3) 1次注入動(dòng)力液，能量2次循環(huán)利用，結(jié)構(gòu)緊湊，一體化程度高，操作簡(jiǎn)單，易于施工。

2.2 計(jì)算域網(wǎng)絡(luò)劃分

定義二級(jí)射流泵的尺寸比例為第1級(jí)泵(較小的一級(jí)泵)與第2級(jí)泵(較大的一級(jí)泵)的相應(yīng)尺寸的比例。設(shè)定二級(jí)射流泵的第2級(jí)泵結(jié)構(gòu)為一級(jí)射流泵的結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化第2級(jí)泵的結(jié)構(gòu)來對(duì)二級(jí)射流泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。利用Gambit軟件對(duì)一級(jí)射流泵和二級(jí)射流泵進(jìn)行建模，二維網(wǎng)格圖如圖3～4所示。

圖3 一級(jí)射流泵二維網(wǎng)格圖

圖4 二級(jí)射流泵二維網(wǎng)格圖

采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型與標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)法，模型求解器選擇壓力基、顯式、定常流。兩相流模型選擇混合物模型。流體材料選擇水和CO2，吸入液入口選擇水相，動(dòng)力液入口選擇CO2相。入口使用速度邊界，動(dòng)力液入口速度v1=150 m/s，吸入液入口速度v3=20 m/s，混合液出口使用壓力邊界，其壓力為12 MPa。壓力速度耦合求解方式選擇最普遍的SIMPLE法。

3 計(jì)算結(jié)果分析

在同一速度和壓力邊界條件下，建立對(duì)稱軸，分別對(duì)一級(jí)射流泵和二級(jí)射流泵做超臨界狀態(tài)的CO2和水的兩相流Fluent數(shù)值模擬分析，計(jì)算結(jié)果如表1，然后根據(jù)所得數(shù)據(jù)或者云圖對(duì)一級(jí)射流泵和二級(jí)射流泵的各重要指標(biāo)進(jìn)行比較和分析。

表1 計(jì)算結(jié)果

3.1 混合比

通常，射流泵的混合比[19-20]可取值0.1～0.8。混合比過低，吸入口較小，吸入壓力低，使得流體流動(dòng)不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致斷流現(xiàn)象?；旌媳萹是指吸入液入口體積流量與動(dòng)力液入口體積流量的比值，是評(píng)價(jià)射流泵性能的重要參數(shù)。由定義可得混合比的公式為：

(1)

式中：ρ1、ρ3分別為動(dòng)力液入口的動(dòng)力液密度、吸入液入口的吸入液密度，kg/m3。

由式(1)及表1可得：二級(jí)射流泵的混合比值為0.307 6，一級(jí)射流泵的混合比值為0.235 7； 二級(jí)射流泵的混合比值較一級(jí)射流泵的混合比值大。

兩相流流場(chǎng)數(shù)值模擬中，一級(jí)射流泵和二級(jí)射流泵密度云圖如圖5所示?？芍瑥幕旌鲜覅^(qū)域開始，二級(jí)射流泵的混合密度較小，混合程度更大，流體混合更充分，導(dǎo)致二級(jí)射流泵混合比增大，使得流量更穩(wěn)定，不易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。

圖5 密度云圖(kg/m3)

3.2 壓力分布

一級(jí)射流泵和二級(jí)射流泵的壓力分布如圖6所示。由圖6可知，二級(jí)射流泵的低壓范圍要比一級(jí)射流泵的大得多。一級(jí)射流泵只有1次噴射過程，整個(gè)過程的壓力變化單一，動(dòng)力液和吸入液在低壓區(qū)吸入室混合后，在喉管中的低壓區(qū)范圍比二級(jí)射流泵兩級(jí)喉管的低壓區(qū)范圍大，表明一級(jí)射流泵的混合液在喉管中的壓力恢復(fù)速度較慢，時(shí)間較長(zhǎng)。

圖6 壓力分布(Pa)

如果射流泵排出口采用自由流動(dòng)邊界條件，通過數(shù)值模擬計(jì)算，二級(jí)射流泵排出壓力較大。排出壓力越大，井液被排出地面越容易，排液能力越強(qiáng)，因此二級(jí)射流泵比一級(jí)射流泵的排液潛力更大。

由一級(jí)射流泵和二級(jí)射流泵的壓力沿對(duì)稱軸變化曲線(如圖7)可知：二級(jí)射流泵經(jīng)過噴嘴噴射流體的降壓增速過程后，降到的最低壓力比一級(jí)射流泵降到的最低壓力要高；二級(jí)射流泵兩次噴射過程中降到的最低壓力基本相等。一級(jí)射流泵動(dòng)力液入口壓力高于二級(jí)射流泵的入口壓力；在二級(jí)射流泵的第2級(jí)喉管中的壓力均大于一級(jí)射流泵的喉管壓力。

圖7 壓力沿對(duì)稱軸變化

3.3 速度分布

一級(jí)射流泵和二級(jí)射流泵的速度分布如圖8所示。

圖8 速度分布(m/s)

由圖8可知，高速工作液進(jìn)入吸入室后，一級(jí)射流泵和二級(jí)射流泵的噴嘴出口均有明顯加速的現(xiàn)象，但是二級(jí)射流泵有著單級(jí)泵不可比擬的2次加速過程，區(qū)別在于二級(jí)射流泵多了1個(gè)加速第1級(jí)吸入液的過程。

二級(jí)射流泵的混合流體通過噴嘴噴出并降壓增速后，達(dá)到的最大速度比一級(jí)射流泵?。灰患?jí)射流泵喉管混合液速度的下降率遠(yuǎn)大于二級(jí)射流泵；在擴(kuò)散管中，二級(jí)射流泵的速度下降大，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能的效率更高。

3.4 效率分析

按不同尺寸的二級(jí)射流泵確定二級(jí)射流泵尺寸比，并根據(jù)射流泵效率定義[6]計(jì)算不同尺寸二級(jí)射流泵效率，得到二級(jí)射流泵尺寸比與效率的關(guān)系如圖9所示。

圖9 二級(jí)射流泵尺寸比與效率關(guān)系

由圖 9可知，隨著尺寸比例的增大，二級(jí)射流泵效率先增大后減小。當(dāng)尺寸比在0.56～0.64 時(shí)，效率處于較高值，此結(jié)構(gòu)組合為最佳，其效率可達(dá)50%。

4 結(jié)論

1) 基于常規(guī)射流泵的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了新型二級(jí)射流泵。通過Fluent數(shù)值模擬，對(duì)二級(jí)射流泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與效率計(jì)算。二級(jí)射流泵尺寸比在0.56～0.64時(shí)，其效率較高，可達(dá)50%。

2) 通過天然氣、氮?dú)?、二氧化碳性能的?duì)比，利用二氧化碳處于超臨界狀態(tài)時(shí)具有密度高、黏度低、與井液能量交換率高的優(yōu)點(diǎn)，提出用二氧化碳代替常規(guī)動(dòng)力液的方案。

3) 通過對(duì)一級(jí)射流泵和二級(jí)射流泵做水和超臨界CO2的兩相流數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：二級(jí)射流泵的混合比大于一級(jí)射流泵，流體混合更充分，流量更穩(wěn)定，不易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象；二級(jí)射流泵的排液動(dòng)力更大，二級(jí)射流泵的兩級(jí)噴嘴之間的速度得到提升，且有利于提高排出效率。