射流渦流排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制與應(yīng)用

徐建寧，晏顯煒，邵 樂

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065)

·儀器設(shè)備研制、改進(jìn)、維護(hù)·

射流渦流排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制與應(yīng)用

徐建寧，晏顯煒，邵 樂

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065)

研制了新的排水采氣模擬高壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)，適用于研究低壓低產(chǎn)氣井的射流渦流排水采氣工藝和觀測(cè)井下油管、井底多相流體流動(dòng)狀態(tài)。分析了研究射流渦流排水采氣工藝的重要性，介紹了該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基本組成。為優(yōu)化排水采氣工具，設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列射流渦流及組合工具的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，舉例說明其可行性，使實(shí)驗(yàn)裝置提升為多功能、綜合性的教學(xué)、科研平臺(tái)。

排水采氣；射流泵；渦流工具；實(shí)驗(yàn)臺(tái)

在天然氣開采前期，氣井產(chǎn)量高、井底氣液速度大而井中液體的數(shù)量相對(duì)較少時(shí)，水將完全被氣流攜帶至地面。隨著氣藏壓力和天然氣流動(dòng)速度的逐步降低，致使氣藏總的產(chǎn)出水和凝析液不能隨天然氣流攜帶出井筒，滯留在井中。這種現(xiàn)象被稱為“氣井積液”，且在低壓低產(chǎn)氣井中尤為突出[1]。為了解決上述弊端，我們需要尋找新的開采工藝，適用于低壓低產(chǎn)氣井的排水采氣[2]。射流渦流工具在采氣的應(yīng)用上具有抗磨蝕能力強(qiáng)，過流部件壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，運(yùn)行平穩(wěn)，適用于輸送氣、液兩相混合流體工作的特點(diǎn)，但射流渦流工具的傳能效率低，還需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)及試驗(yàn)驗(yàn)證[3]。

為了探索合理利用地層能量進(jìn)行自噴式氣舉射流渦流排水采氣，實(shí)現(xiàn)低壓低產(chǎn)氣井的連續(xù)開采并提高開采效率，也為射流渦流在排水采氣中的應(yīng)用提供精確的數(shù)據(jù)支撐，為工具參數(shù)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，優(yōu)化工具設(shè)計(jì)[4-6]，我們開發(fā)設(shè)計(jì)了射流渦流排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在觀測(cè)井下油管和井底多相流體流動(dòng)狀態(tài)的同時(shí)，為教學(xué)和科研提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹

實(shí)驗(yàn)裝置主要由模擬管柱系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、氣液混合系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、射流泵與渦流器模型等組成[7-8]，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過調(diào)節(jié)供氣系統(tǒng)管路中的氣動(dòng)閥的開度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的氣體流量；通過調(diào)節(jié)出口氣動(dòng)閥開度(背壓閥)進(jìn)行氣體壓力控制；通過調(diào)節(jié)柱塞泵工作頻率控制供液系統(tǒng)的液體流量，液體壓力由系統(tǒng)工作壓力控制。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)試參數(shù)包括：氣體工作壓力與質(zhì)量流量、液體工作壓力與質(zhì)量流量，以及氣液混合后在工具入口處壓力、工具出口處壓力、管柱出口處壓力。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)基本參數(shù)：管柱系統(tǒng)最大工作壓力為6 MPa，氣體工作流量為5 m3/min，2 m3儲(chǔ)氣罐(壓力可達(dá)6 MPa)，液體工作流量最大為16 L/min。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 模擬管柱系統(tǒng)

模擬管柱系統(tǒng)主要用于模擬井下油管和井底的多相流體流動(dòng)狀態(tài)，透明材質(zhì)，主要包括管柱、容器、連接法蘭、連接短節(jié)及密封機(jī)構(gòu)。測(cè)試高度為10.5 m，內(nèi)徑為62 mm，可承受壓力為6 MPa。管柱底端連接一圓柱狀容器，帶有液位計(jì)量器，側(cè)面開有手孔，供射流或渦流工具安裝時(shí)使用。射流與渦流裝置是通過活接頭安裝在管串的底部，并懸掛在容器內(nèi)，通過在密封井筒中懸掛油管串來模擬流動(dòng)條件。為了消除流體出口效應(yīng)反饋回流動(dòng)循環(huán)中，在油管柱頂部設(shè)計(jì)安裝了一個(gè)Y型彎管。因此，當(dāng)流體流過油管柱后，采出的氣/水混合物溢流到回流管中。利用一個(gè)油嘴來控制井口壓力。當(dāng)流體流過井口油嘴后，殘留的氣/水混合物被引入一個(gè)分離管中，經(jīng)過分離后，氣體被直接排到大氣中。

1.2 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)主要是用來提供恒定流速的氣體，并且流速和流量可調(diào)，由空氣壓縮機(jī)、氣體緩沖罐、干燥器、隔離器、預(yù)熱器、氣體流量計(jì)等部分組成?？諝鈮嚎s機(jī)主要用于提供多相流體中的氣體，工作壓力為6 MPa，能夠保證穩(wěn)定恒壓工作。氣體緩沖罐主要用于氣體流量的穩(wěn)定，附有壓力檢測(cè)、安全閥、溫度檢測(cè)裝置。干燥器可將輸送的氣體進(jìn)行干燥，保證其不含水分。隔離器主要用于氣體進(jìn)入混合器前與液體流體隔離，防止混合器中的流體進(jìn)入氣流路。預(yù)熱器可將氣體加熱到設(shè)定溫度。

1.3 供液系統(tǒng)

供液系統(tǒng)主要是用來提供恒定流速的液體，并且流速和流量可調(diào)，包括儲(chǔ)水罐、水泵、液體流量計(jì)、預(yù)熱器、閥門等設(shè)備。儲(chǔ)水罐主要用于水泵前的水貯存。預(yù)熱器可將液體加熱到設(shè)定溫度，模擬井底水溫。水泵帶有變頻控制器，可通過控制其轉(zhuǎn)速來控制流量，并帶有電接點(diǎn)壓力表和安全閥雙重保護(hù)，確保系統(tǒng)的安全。

1.4 氣液混合系統(tǒng)

氣液混合方式有兩種：(1)在混合器中均勻混合后，通入管底容器，再進(jìn)入管柱；(2)將氣體和液體分別通入容器中混合，進(jìn)入管柱。混合器是氣體和液體的混合處，工作壓力6 MPa，容積2 L。

1.5 氣液分離系統(tǒng)

氣液分離系統(tǒng)主要用于井筒出口端混合相流體的分離，由氣液分離器、背壓閥、氣體流量計(jì)等組成。氣液分離罐用于將氣體流體和液體流體分離，采用不銹鋼材質(zhì)制作而成，帶有液位控制器，保持液位恒定，使分離罐壓力可穩(wěn)定在設(shè)定值，保證模擬管柱出口壓力恒定。上端設(shè)計(jì)有不銹鋼插管，連接背壓閥和流量計(jì)，用于氣體的排出；下端設(shè)計(jì)有液相出口和排空裝置，可對(duì)系統(tǒng)的液體進(jìn)行排出。

1.6 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示、記錄、存儲(chǔ)系統(tǒng)中的壓力、溫度、差壓、流量等參數(shù)。

1.7 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

可通過壓力傳感器、氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)等采集壓力、流量信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的鏈接。智能氣動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥控制氣體流量、液體流量及管柱出口背壓情況。液體流量也可通過變頻器調(diào)節(jié)柱塞泵工作頻率來實(shí)現(xiàn)。壓力傳感器測(cè)試氣、液及氣液混合壓力。質(zhì)量流量傳感器測(cè)試氣體、液體流量。

1.8 安全保護(hù)系統(tǒng)

該裝置配有安全閥及電接點(diǎn)壓力表雙重保護(hù)系統(tǒng)，保證裝置的安全可靠。

1.9 實(shí)驗(yàn)實(shí)物模型

渦流器與射流泵實(shí)驗(yàn)實(shí)物如圖2所示。

圖2 射流渦流實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可根據(jù)要求進(jìn)行工況調(diào)節(jié)，模擬不同工況下的多相流流動(dòng)狀態(tài)，也可完成對(duì)不同工具或工具組合的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇不同工況下最合適的工具或組合，為優(yōu)化工具設(shè)計(jì)提供精確數(shù)據(jù)和理論支持。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀表分別如圖3和圖4所示。

1)模擬井下油管和井底多相流體流動(dòng)狀態(tài)，為教學(xué)觀測(cè)和科研提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2)模擬管柱中載入同一射流或渦流工具在不同生產(chǎn)參數(shù)(流速、氣液比等)條件下的流態(tài)變化及攜液情況，測(cè)試工具的流量比和壓力比等數(shù)據(jù)，用于分析工具的適應(yīng)性。

3)模擬不同的射流或渦流工具參數(shù)(射流泵：噴嘴、喉道、擴(kuò)散管等；渦流器：螺旋體直徑、螺旋角、翼寬、翼高等)時(shí)，在同一生產(chǎn)參數(shù)(流速、氣液比等)的流態(tài)變化及攜液情況，測(cè)量工具的臨界攜液流量、排液能力及加載工具前后管柱內(nèi)的壓力降等數(shù)據(jù)，驗(yàn)證并完善射流或渦流優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)射流或渦流工具參數(shù)。

4)結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)射流渦流組合工具排水采氣工藝進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試此工藝的可行性，并根據(jù)模擬的不同工況，選擇最優(yōu)組合。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀表圖

3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

根據(jù)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選擇一組射流泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，旨在獲得射流泵的基本特性曲線，以便為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供依據(jù)，同時(shí)，也驗(yàn)證已設(shè)計(jì)射流泵的性能好壞，便于進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)動(dòng)力液流量控制閥，改變動(dòng)力液流量大小(同時(shí)改變流量)獲得不同的流量比，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。吸入液為自由引射狀態(tài)，且在模擬管柱內(nèi)存在一定的背壓值情況下，測(cè)量吸入液流量與壓力。

共進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)，包括Φ2、Φ3、Φ4、Φ5、Φ6、Φ7 mm單噴嘴射流泵和Φ2、Φ2.5、Φ3 mm雙噴嘴射流泵等9種尺寸的射流泵。表1為雙噴嘴射流泵Φ2.5 mm的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)9組不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以得出結(jié)論:Φ2、Φ3、Φ4、Φ5 mm單噴嘴射流泵和Φ2 mm雙噴嘴射流泵在實(shí)驗(yàn)過程中不能進(jìn)行自由引射液體。其主要原因?yàn)椋?dāng)噴嘴過流面積較小時(shí)，節(jié)流壓差較大，且氣體在喉嘴距管處發(fā)生逸散堵塞液體通道。雙噴嘴射流泵隨著噴嘴直徑的加大，其能夠引射液體所需要的動(dòng)力氣壓力降低，且存在最低引射壓力值，當(dāng)動(dòng)力氣壓力低于0.7 MPa時(shí)，不能夠引射液體；單噴嘴射流泵隨著噴嘴直徑的加大，其能夠引射液體所需要的動(dòng)力氣壓力降低，且隨噴嘴直徑增加，最低引射壓力降低。同時(shí)，能夠引射液體的射流泵噴嘴直徑主要受氣體流量的影響，即動(dòng)力氣能夠引射液體隨著壓力的升高，所需要的質(zhì)量流量增加，而體積流量基本保持不變。

表1 Φ2.5 mm雙噴嘴射流泵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由此可見，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)在模擬排水采氣工況和測(cè)試工具時(shí)，方式多樣，種類靈活，為優(yōu)化工具設(shè)計(jì)提供了很好的幫助和理論支持。

4 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制和實(shí)際應(yīng)用可知，該裝置改善了石油類高校排水采氣模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和科研環(huán)境，填補(bǔ)了低壓低產(chǎn)氣井模擬實(shí)驗(yàn)裝置的空白，與低壓低產(chǎn)氣井排水采氣實(shí)際應(yīng)用的工況更加接近，達(dá)到了教學(xué)和科研結(jié)合的研發(fā)目的。隨著各種實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的不斷完善，可開發(fā)出更多適用于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，更好地服務(wù)于各項(xiàng)研究。

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Development and Application of Jet and Vortex Tool DrainageSimulation Experimental Platform

XU Jianning, YAN Xianwei, SHAO Le

(College of Mechanical Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

A new kind of high-pressure drainage simulation experiment platform is developed for research low-voltage and low-yielding wells jet vortex drainage technologies and observation down hole tubing, down hole multiphase fluid flow condition. Analysis of the importance of research jet vortex drainage technologies, introduces the basic components of the experiment platform. In addition, in order to optimize drainage tools, a series of experiments of jet, vortex and their portfolio tools are designed and developed, and illustrate its feasibility. The experimental platform is developed to be a multifunction and integrated experimental, teaching and scientific research platform.

drainage; jet pump; vortex tool; experiment platform

2014-09-24；修改日期: 2014-10-15

徐建寧(1963-)，男，碩士，教授，主要從事石油機(jī)械的研究及教學(xué)工作。

TE377;G482

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.066