雒佛庶 管爭榮 趙堯 陸建康

摘要：針對在煤層氣開發(fā)中各區(qū)塊都沒有考慮井況參數(shù)不同、區(qū)塊地層能量不同就直接并輸導(dǎo)致氣井產(chǎn)量減少問題，提出了采用無干擾并網(wǎng)集輸技術(shù)，利用高壓井能量輸送低壓井，并建立了一套無干擾并網(wǎng)集輸裝置的設(shè)計方法。介紹了無干擾并網(wǎng)集輸裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)，確定了以無干擾并網(wǎng)集輸裝置的噴射系數(shù)作為設(shè)計指標(biāo)和計算依據(jù)，給出了計算無干擾并網(wǎng)集輸裝置結(jié)構(gòu)尺寸的公式，通過該方法設(shè)計了無干擾并網(wǎng)集輸裝置。采用Fluent數(shù)值模擬方法對無干擾并網(wǎng)集輸裝置進行流場仿真，通過仿真模擬，揭示了裝置內(nèi)部的流動規(guī)律，驗證了利用無干擾并網(wǎng)集輸裝置將低壓井從0.14 MPa增壓至0.19 MPa，實現(xiàn)利用高壓井帶動低壓井增壓輸送目的。仿真結(jié)果表明，當(dāng)噴嘴直徑在42-46 mm時，為噴嘴直徑最佳參數(shù)范圍;當(dāng)喉管直徑在54-56 mm時，為喉管直徑最佳參數(shù)范圍。

關(guān)鍵詞：煤層氣井;無干擾;并網(wǎng)集輸裝置

中圖分類號：TE375

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022）02-0078-04

0 引言

在煤層氣開發(fā)中，由于煤層氣埋藏深度淺、儲量豐度低、地層能量有限等原因，使得煤層氣井井底壓力低、單井產(chǎn)量低，進而給地面集輸帶來了輸送能量不足的問題，因此常需要加壓輸送。煤層氣田并網(wǎng)輸送的最基本單元是兩口井并網(wǎng)，若兩口井壓力、流量不同時，高壓高產(chǎn)井就會對低壓低產(chǎn)井形成較大的回壓，抑制了低壓井的產(chǎn)能，甚至壓死或倒灌[1]。一方面，多井并網(wǎng)后，壓力高、產(chǎn)量高的井會對壓力低、產(chǎn)量低的井造成很大的井口回壓，導(dǎo)致低壓井產(chǎn)量更低，甚者可能會使有些井并網(wǎng)后根本就沒有產(chǎn)量;另一方面，多井并網(wǎng)后，對于壓差較大的井，高壓高產(chǎn)井的一部分流量會倒灌進低壓低產(chǎn)井，嚴(yán)重影響了作業(yè)區(qū)的總產(chǎn)量，對氣田生產(chǎn)開發(fā)帶來很大的經(jīng)濟損失。氣站并網(wǎng)同樣會出現(xiàn)類似現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)狀，開展了無干擾并網(wǎng)集技術(shù)研究。

無干擾并網(wǎng)集輸裝置就是將高壓井的能量用作低壓井的動力，攜帶低壓井的流量，讓其可以按照自身的壓力流量正常進入輸氣管線。也就是說在并網(wǎng)點要形成一個讓低壓井流量匯人的環(huán)境，和高壓井流量混合后，吸收能量共同輸出。煤層氣井無干擾并網(wǎng)集輸工藝，如圖1所示。在不直接消耗機械能的情況下，提高流體的壓力，實現(xiàn)低壓氣井正常穩(wěn)定生產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)成本，為煤層氣井井間并網(wǎng)提供了一種新思路。

1 煤層氣井無干擾并網(wǎng)集輸裝置工作原理

煤層氣井無干擾并網(wǎng)集輸裝置T作原理是高壓煤層氣在噴嘴中加速形成超音速射流，而低壓煤層氣則由于與高壓煤層氣間的剪切作用被卷吸至吸收室，在喉管段形成低于低壓氣人口壓力的低壓區(qū)，低壓煤層氣在壓差作用下被吸吸人混合段與高速流動的煤層氣混合，形成具有一定速度的混合氣流，混合氣流從喉管段出來進入擴散段，壓力將繼續(xù)升高，在擴散管段出口處，混合氣流的壓力高于進入接收室時低壓煤層氣的壓力，從而實現(xiàn)了增壓效果。采用該裝置可充分利用高壓氣井的壓力能發(fā)揮低壓氣井的產(chǎn)能[2]。該裝置主體部分主要由高壓氣體入口段、低壓氣體入口段、工作噴嘴、喉管段、擴散管段等組成，如圖2所示。

2 煤層氣井無干擾并網(wǎng)集輸裝置設(shè)計

2.1 煤層氣井無干擾并網(wǎng)集輸裝置噴射系數(shù)的計算

噴射系數(shù)是表征無干擾并網(wǎng)裝置的主要性能指標(biāo)之一[3]。從無干擾并網(wǎng)裝置的動量守恒關(guān)系出發(fā)，可得到噴射系數(shù)的計算式為：

式中：u為噴射系數(shù);CP為高壓氣進口質(zhì)量流量，kg/s;GH為低壓氣進口質(zhì)量流量，kg/s。

2.2 煤層氣井無干擾并網(wǎng)集輸裝置幾何尺寸的計算

2.2.1 工作噴嘴設(shè)計計算

（1）確定工作噴嘴外形

若Ⅱ*PH/PP，出口速度為超音速，選擇縮放的拉伐爾噴管。

2.3 煤層氣井無干擾并網(wǎng)集輸裝置設(shè)計計算

煤層氣為混合氣體，主要成分為甲烷，因此以甲烷的性質(zhì)代替煤層氣進行計算，甲烷在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓20℃時，密度p=0.668 kg/m3。甲烷絕熱指數(shù)k=1.31。根據(jù)上述設(shè)計方法[4-5]，在設(shè)計工況參數(shù)（P P=0.24 MPa，Tp=36.9℃，PH=0.14 MPa，TH=20℃，Pc=0.19 MPa）下計算出煤層氣井無干擾并網(wǎng)集輸裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，如表l所示。煤層氣井無干擾并網(wǎng)集輸裝置的噴射系數(shù)u=0.43。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 無干擾并網(wǎng)裝置的模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)上述計算結(jié)果，采用CFD軟件Fluent對無干擾并網(wǎng)裝置內(nèi)部流場進行了模擬計算，驗證其計算的合理性;為了簡化計算本文采用二維模型[6-7]，對模型采用四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，最終的網(wǎng)格數(shù)為11 724，如圖3所示。

3.2 模擬結(jié)果及分析

采用上述的二維結(jié)構(gòu)模型，選用基于壓力的隱式求解器，湍流模型采用k-epsilon模型。無干擾并網(wǎng)裝置內(nèi)的工作介質(zhì)選用甲烷氣，其邊界條件設(shè)為一個壓力出口和兩個壓力人口[8-10]。對所建立的CFD模型進行模擬計算[11-12]，計算得到的結(jié)果如圖4-6所示。

無干擾并網(wǎng)裝置的速度、壓力云圖，如圖4-5所示。由圖可知，高壓井的煤層氣經(jīng)過噴嘴后，速度急劇升高，而壓力迅速降低，并在噴嘴出口加速形成超音速射流，而低壓煤層氣則由于與高壓煤層氣間的剪切作用被卷吸至吸收室，在吸收室形成低于低壓氣入口壓力的低壓區(qū)，低壓煤層氣在壓差作用下被吸人喉管段與高速流動的煤層氣混合，形成具有一定速度的混合氣流，混合氣流從喉管段出來進入擴散段，混合流體的速度漸漸均衡，由動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?，壓力將繼續(xù)升高，在擴散管段出口處，混合氣流的壓力高于進入接收室時低壓煤層氣的壓力，從而實現(xiàn)了增壓效果。

高壓煤層氣井入口0.24 MPa，低壓煤層氣井入口0.14 MPa，低壓煤層氣進入喉管與高壓煤層氣混合后由無干擾并網(wǎng)裝置出口流出。無干擾并網(wǎng)裝置沿軸向壓力變化如圖6所示。

由圖6可知，設(shè)計的無干擾并網(wǎng)裝置在數(shù)值模擬計算中在軸線Om位置為高壓煤層氣井人口，此位置的入口壓力為0.23 MPa，軸線0.4 m位置處為混合室的位置，在此位置高壓煤層氣井的壓力經(jīng)過噴嘴后壓力降低，此時能將低壓井煤層氣（0.14 MPa）吸入，并經(jīng)由喉管段混合及擴散器增壓，出口壓力平均值可達(dá)到0.19 MPa，能滿足現(xiàn)場低壓氣井增壓需要。通過仿真計算無干擾裝置的噴射系數(shù)為0.42，這與設(shè)計的噴射系數(shù)0.43，誤差為2.4%，符合設(shè)計要求，這也驗證了設(shè)計結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 無干擾并網(wǎng)集輸裝置結(jié)構(gòu)對噴射系數(shù)影響

4.1 噴嘴直徑對無干擾裝置噴射系數(shù)影響

為了研究噴嘴直徑對無干擾并網(wǎng)裝置性能的影響，已有文獻表明，噴嘴直徑對無干擾并網(wǎng)裝置內(nèi)部的速度、壓力都有一定的影響。本節(jié)針對不同噴嘴直徑的無干擾并網(wǎng)裝置進行模擬，探究噴嘴直徑不同時無干擾并網(wǎng)裝置內(nèi)部流場的最優(yōu)解。

圖7所示為7種不同噴嘴直徑的無干擾并網(wǎng)裝置在設(shè)計工況下的速度分布云圖，具體噴嘴直徑尺寸依次為r 36 mm、38 mm、40 mm、42 mm、46 mm、48 mm、50 mm，通過不同的噴嘴直徑來探究噴嘴直徑對內(nèi)部速度場和溫度場的影響，分析是否產(chǎn)生回流對無干擾并網(wǎng)裝置性能進行分析，找出最佳參數(shù)。當(dāng)噴嘴直徑42 mm、46 mm時混合室入口處無回流;噴嘴直徑48 mm時混合室入口處有少量回流;噴嘴直徑49 mm時混合室人口處有較多回流;噴嘴直徑36 mm、38 mm時混合室入口處有較明顯的大量回流。

如圖8所示，噴嘴直徑過大和過小都會使得噴射系數(shù)降低，混合室入口處產(chǎn)生回流，當(dāng)噴嘴直徑42 mm、46 mm時混合室入口處無回流，可以確定無干擾并網(wǎng)裝置噴嘴直徑存在一個最佳范圍，當(dāng)噴嘴直徑在42-46 mm時，為噴嘴直徑最佳參數(shù)。

4.2 喉管直徑對無干擾裝置噴射系數(shù)影響

為了研究喉管直徑對無干擾并網(wǎng)裝置性能的影響，本節(jié)針對不同喉管直徑的無干擾并網(wǎng)裝置進行模擬，探究喉管直徑不同時無干擾并網(wǎng)裝置內(nèi)部流場的最優(yōu)解。

圖9所示為7種不同喉管直徑的無干擾并網(wǎng)裝置在設(shè)計工況下的速度分布云圖，具體喉管直徑尺寸依次為r 48 mm、50 mm、52 mm、54 mm、56 mm、58 mm、60 mm，通過不同的喉管直徑來探究噴嘴直徑對內(nèi)部速度場影響，分析是否產(chǎn)生回流對無干擾并網(wǎng)裝置性能進行分析，找出最佳參數(shù)。由圖9可知，當(dāng)喉管直徑54 mm、56 mm時混合室入口處無回流;喉管直徑52 mm時混合室人口處有少量回流;喉管直徑50 mm、48 mm時混合室入口處有較多回流;喉管直徑58 mm、60 mm時混合室入口處有較明顯的大量回流。

如圖10所示，喉管直徑過大和過小都會使噴射系數(shù)降低，混合室入口處產(chǎn)生回流，當(dāng)喉管直徑54 mm、56 mm時混合室入口處無回流，可以確定無干擾并網(wǎng)裝置喉管直徑存在一個最佳范圍，當(dāng)喉管直徑在54-56 mm時，為喉管直徑最佳參數(shù)。

5 結(jié)束語

本文采用理論與仿真相結(jié)合的方法，提出了無干擾并網(wǎng)集輸工藝，建立了無干擾并網(wǎng)集輸裝置的設(shè)計理論，并根據(jù)某氣田現(xiàn)場工況參數(shù)，設(shè)計了無干擾并網(wǎng)集輸裝置，以及采用無干擾并網(wǎng)集輸裝置來解決煤層氣井井間并網(wǎng)集輸?shù)母倪M措施。

本文通過數(shù)值模擬方法，采用Fluent分析了裝置內(nèi)部的流動規(guī)律，并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。仿真試驗驗證了干擾并網(wǎng)集輸裝置將低壓井從0.14 MPa增壓至0.19 MPa，實現(xiàn)利用高壓井帶動低壓井增壓輸送目的。根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)噴嘴直徑在42 - 46 mm時，為噴嘴直徑最佳參數(shù)范圍;當(dāng)喉管直徑在54 - 56 mm時，為喉管直徑最佳參數(shù)范圍。

最后針對無干擾并網(wǎng)裝置在煤層氣井井間并網(wǎng)集輸?shù)姆抡婧蛯嵺`，證明使用無干擾并網(wǎng)集輸裝置，利用高壓井能量輸送低壓井煤層氣的工藝方案是可行的。

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