郭邦瑞，胡莉莉，王 彤

（西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

在對氣井進行開發(fā)的過程中，井底會出現(xiàn)產(chǎn)水現(xiàn)象，當?shù)貙铀驘N類解析液進入井筒，井中水的含量較小而天然氣的速度相對較大時，水便會以液滴的形式被攜帶到地面，導(dǎo)致天然氣的產(chǎn)出量降低，隨著天然氣的儲量不斷降低，井底壓力下降，井筒中的水便無法被攜帶到地面，就會在井底形成積液，導(dǎo)致氣井無法產(chǎn)出天然氣，此時，便需要對氣井采取排水采氣的相關(guān)措施［1－3］。本文主要討論射流泵排水采氣工藝，傳統(tǒng)的射流泵排水采氣采用水做為動力介質(zhì)，而采用天然氣做為動力介質(zhì)時，與液體介質(zhì)所采取的管柱排列有所區(qū)別，若氣體介質(zhì)與液體介質(zhì)采用相同的管柱排列，則氣動力射流泵無法達到所設(shè)計的效率，因此需根據(jù)氣體介質(zhì)的管柱排列來確定氣動力射流泵的相關(guān)參數(shù)［4－5］。

白雅婷等［6］通過Fluent對射流泵進行了數(shù)值模擬研究，得出了噴嘴距為d～2.0d時射流泵的效率較高，以及射流泵的性能與面積比有著很大的關(guān)系，當面積比為6.76時，射流泵的性能最佳。張?zhí)於Y等［7］對酸性氣田的射流泵排水采氣進行了模擬研究，得出了采用二級射流泵性能可達50%，且采用二級射流泵時比一級射流泵有著更好的排水采氣效果。邢曉光等［8］研究了智能分層射流泵排液技術(shù)，并進行了現(xiàn)場應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了排液成本降低而排液效率提高了的成果。

本文針對氣動力射流泵進行數(shù)值模擬研究，研究其在不同的工況參數(shù)以及不同的結(jié)構(gòu)尺寸下的排水采氣性能的變化規(guī)律。

1 氣動力射流泵排水采氣系統(tǒng)節(jié)點分析

節(jié)點分析主要用于分析氣動力射流泵排水采氣系統(tǒng)中的氣體介質(zhì)流動管柱尺寸氣井產(chǎn)量、氣體介質(zhì)注入量、油管尺寸、混合氣液排出管尺寸、壓縮機壓力等參數(shù)對整個排水采氣系統(tǒng)的影響，優(yōu)化排水采氣系統(tǒng)參數(shù)，確定氣動力射流泵氣體介質(zhì)入口速度及排出管速度。

在確定各個節(jié)點的參數(shù)時，需先假設(shè)氣井有多個不同的產(chǎn)量，針對每一個產(chǎn)量，可根據(jù)地層氣液流動狀態(tài)確定井底壓力，以此繪制流入曲線，再假設(shè)氣井有一系列的注氣量，針對每一個注氣量，確定其注氣點及注氣深度，以此確定氣井的井底流壓，繪制流出曲線，將流出曲線與流入曲線互相迭加，確定兩曲線交點處的壓力及產(chǎn)量，最后可根據(jù)數(shù)值模擬所確定的工況分別獲得氣動力射流泵的流入壓力及流出壓力。通過這種方法獲得的設(shè)定工況條件下的參數(shù)更加準確，可以建立出更加準確的氣動力射流泵物理模型，數(shù)值模擬時所設(shè)定的邊界條件也更加準確，使得模擬出的結(jié)果也更加具有可信度。圖1為系統(tǒng)節(jié)點分析圖。

圖1 系統(tǒng)節(jié)點分析

2 計算模型分析

氣動力射流泵物理模型主要包括：進氣管、吸液管、噴嘴、喉管、擴散管及混合氣液排出管，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)研究的氣井工況確定管柱的相關(guān)參數(shù)，抽取氣動力射流泵所在管柱的動力介質(zhì)及混合氣液流動區(qū)域在Solidworks中進行建模，本文中模擬管柱的相關(guān)參數(shù)為入口管柱：外徑48.3 mm、內(nèi)徑40.9 mm、橫截面積131 3.15 mm；出口管柱：外徑88.9 mm、內(nèi)徑76 mm、橫截面積270 2.84 mm；當量出口管柱內(nèi)徑58.68 mm、橫截面積270 3.02 mm。

圖2 氣動力射流泵結(jié)構(gòu)圖

氣動力射流泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：噴嘴直徑3 mm、噴嘴距6 mm、喉管直徑3.8 mm、喉管長度48 mm、擴散管角度6.05度、擴散管長度51 mm。

壓縮機將天然氣壓縮到一定壓力后將天然氣打入進氣管，高壓氣體進入射流泵，而后經(jīng)噴嘴形成高速射流，此時因高速氣體射流地形成使得吸液管的壓力遠低于井底壓力，產(chǎn)生抽吸的效應(yīng)，使得井底積液進入吸液管，而后與告訴天然氣一同進入喉管，進入喉管后兩者進行混合以及能量交換，此時混合氣液的速度降低壓能逐步升高，隨后進入擴散管進行進一步的混合以及能量交換，當壓能升高到一定程度時，混合氣液經(jīng)排出管到達地面［9－11］。

2.1 網(wǎng)格劃分

氣液兩相在氣動力射流泵內(nèi)部的流動狀態(tài)為有限空間射流，這種流動狀態(tài)比較復(fù)雜，因此在對氣動力射流泵進行仿真模擬時，需對氣動力射流泵的物理模型進行網(wǎng)格劃分，通過網(wǎng)格劃分，能夠得到在設(shè)定的工況條件下的更加準確合理的流場分布。

抽取射流泵內(nèi)部流場所在區(qū)域制成模型。使用Workbench Meshing對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用三面體，為確保網(wǎng)格的質(zhì)量需對網(wǎng)格的尺寸進行調(diào)整，在進行流場仿真之前對網(wǎng)格進行檢驗，檢驗完成之后在進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，對不同尺寸的網(wǎng)格進行仿真模擬，當結(jié)果幾乎不發(fā)生改變時，便可采用當前的網(wǎng)格尺寸進行仿真模擬，此時所得到的仿真結(jié)果相對準確，劃分結(jié)果圖如圖3所示。

圖3 氣動力射流泵網(wǎng)格劃分

將劃分的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中進行數(shù)值模擬，動力介質(zhì)選擇空氣，根據(jù)工況條件計算天然氣的密度，對動力介質(zhì)進行相應(yīng)的密度修改，吸入液選擇水。為了確保射流模擬的準確性，選用Realizable k－ε湍流模型，也可以更清楚地表現(xiàn)出流場的細節(jié)，算法采用Simplec，根據(jù)所要研究的工況確定各邊界條件［12，13］。

2.2 湍流模型

湍流是不規(guī)則、多尺度、有結(jié)構(gòu)的流動，其流動狀態(tài)一般是三維的、非定常的，在流動的過程中具有很強的擴散性和耗散性。從物理結(jié)構(gòu)上看，湍流是帶有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的渦疊合而成的流動，這些渦有著各種不同的尺度，且尺度的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機的。大尺度的渦會不斷的從主流獲得能量，小尺度的渦通過與大尺度的渦進行渦間作用來獲得能量。但由于流體具有粘性，因此在流動的過程中，小尺度的渦會不斷消失，這樣流體的機械能就會慢慢轉(zhuǎn)化為熱能。在能量轉(zhuǎn)化的同時，由于邊界、擾動及速度梯度的作用，流體中又會不斷產(chǎn)生新的渦，使得湍流運動得以繼續(xù)存在并得到發(fā)展和延續(xù)。標準的k－ε模型作為流場計算中的主要工具，有著適用范圍廣、經(jīng)濟、合理的精度等優(yōu)點。湍動能輸運方程是經(jīng)過精確的方程推導(dǎo)得到的，耗散率方程是通過物理推導(dǎo)，數(shù)學(xué)上模擬相似原型方程得到的［14，15］。

湍動能k方程：

湍流動量耗散ε方程：

式中：k、ε分別為湍動能、湍流耗散率；μi、μj分別為沿i、j方向的速度分量；xk為沿k方向的坐標分量；μ、μt、v分別為動力黏度系數(shù)、紊流黏度系數(shù)、運動黏度系數(shù)；G為湍流動能；r為流場半徑；Γ為廣義擴散系數(shù)。

3 條件參數(shù)設(shè)置

3.1 邊界條件

射流泵模型有兩個進口，即一個動力氣介質(zhì)入口和一個引射液的吸入口。進口邊界條件為動力氣入口和吸入液入口的軸向進口速度u，縱向速度v，取動力液入口斷面和吸入口斷面的平均流速。射流泵有一個出口，射流泵的出口邊界條件取出口壓力邊界。中心邊界條件應(yīng)滿足對稱性，即在中心邊界線處：

壁面采用無滑移邊界條件，壁面附近采用邊界層理論。

3.2求解器設(shè)置與求解

采用三維雙精度求解器，采用耦合求解法，算法采用隱式算法，三維，定常流動，采用絕對速度。設(shè)置湍流模型（Define－Modles－Viscous Model）模型采用二階方程的k－epsilon，且使用標準k－ε模型參數(shù)。設(shè)置求解控制器（solve－controls－solution），選擇連續(xù)性方程，湍流方程，并采用軟件系統(tǒng)默認的計算系數(shù)。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)射流泵排水采氣系統(tǒng)實際工況條件，在地面動力泵確定后，氣體介質(zhì)壓力基本保持不變，因此對氣動力射流泵排水采氣效果有顯著影響的變量條件只有吸入液流量以及氣動力射流泵下入深度，對此分別取吸入液流量為50 m3／d及25 m3／d、出口壓力45 MPa及35 MPa，在氣體介質(zhì)7 500不變的條件下進行仿真研究，研究在這兩個變量條件下對氣動力射流泵排水采氣效率的影響規(guī)律。

（1）噴嘴3喉管3.8動力氣7 500 m3／d吸入流量50 m3／d出口壓力45 MPa條件下，動力氣速度場分布圖如圖4所示，靜壓力場分布圖如圖5所示。

圖4 動力氣速度場分布圖

圖5 靜壓力場分布圖

（2）噴嘴3喉管3.8動力氣7 500 m3／d吸入流量50 m3／d出口壓力35 MPa條件下，動力氣速度場分布圖如圖6所示，靜壓力場分布圖如圖7所示。

圖6 動力氣速度場分布圖

圖7 靜壓力場分布圖

（3）噴嘴3喉管3.8動力氣7 500 m3／d吸入流量25 m3／d出口壓力35 MPa條件下，動力氣速度場分布圖如圖8所示，靜壓力場分布圖如圖9所示。

圖8 動力氣速度場分布圖

圖9 靜壓力場分布圖

3.4 結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果表明：在動力氣流量7 500 m3／d、出口壓力35 MPa不變的情況下，吸入流量從50 m3／d降至25 m3／d過程中，動力氣壓力從36.91 MPa降至36.75 MPa，下降了0.16 MPa；在動力氣流量7 500 m3／d、吸入流量從50 m3／d不變的情況下，改變出口壓力，動力氣壓力從46.91 MPa降至36.91 MPa，下降了10 MPa。

4 結(jié)束語

（1）在動力氣流量，吸入液流量不變的條件下，反排壓力降低時，動力氣壓力也會隨之降低，壓力下降幅度在10 MPa左右。

（2）在相同動力氣流量，出口壓力不變的條件下，吸入液流量降低時，動力氣壓力也會隨之降低，壓力下降幅度在0.16 MPa左右。

（3）在相同的動力氣流量下，改變吸入液流量與返排壓力這兩個變量參數(shù)時，返排壓力對動力氣壓力的影響最大，吸入液流量對動力氣壓力的影響較小。