（机械设计及理论专业论文）井下用喷嘴雾化排水采气的工艺研究.pdf

摘要 论文针对现今气田排水采气的实际需要，通过对井筒气液两相雾状流的流态分析、 雾化理论和喷嘴工作理论的研究，本文提出应用雾化喷嘴进行排水采气的方法，即将雾 化喷嘴放置井下一定深度，利用雾化喷嘴对液体良好的雾化效果对气井中气液两相流的 液相进行雾化，通过雾化使液体变成粒径更小的雾状液滴，充分利用气相携带液相的能 力将气液两相一起举升至地面井口，从而达到排水采气的目的。文章通过对各种雾化喷 嘴工作机理和气井生产的实际工作条件的研究，选用压力旋流雾化喷嘴做为雾化装置。 论文根据不同气井的生产状态即井下的气液比、应用井筒压力梯度的计算方法准确计算 出井下压力，并依次设计出相应的压力旋流雾化喷嘴，利用仿真软件f l u e n t 对雾化喷 嘴在井下工作的雾化效果进行了仿真研究，从理论上对雾化喷嘴在井下工作的可行性进 行了仿真计算验证，并且设计出一套雾化喷嘴井下坐封工具及喷嘴下入井下的流程工 艺。最后利用v i s u a lb a s i c 语言编制了方便现场使用，根据井况快速选取喷嘴的软件。 本论文所做的研究对今后排水采气工艺技术的研究具有重要的参考价值。 关键词：排水采气，压力旋流雾化喷嘴，雾化，颗粒直径 u n d e r g r o u n dd r a i n a g e w i t hg a sa t o m i z a t i o np r o c e s sr e s e a r c h l i h u ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iz e n g l i a n g a b s t r a c t p a p e r sf o rt o d a y sg a sf i e l d ，t h ea c t u a ln e e d s o ft h ed r a i n a g eo fg a s ，t h r o u g ht h ew e l l b o r e f l o wo fg a s - l i q u i dt w o p h a s em i s tf l o wp a t t e r na n a l y s i s ，t h ew o r ko fa t o m i z i n gn o z z l et h e o r y a n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h i sp a p e r p r e s e n t sa p p l i c a t i o no fs p r a yn o z z l em e t h o do fd r a i n a g eo f g a sw i l ls o o nb es p r a yn o z z l e sm u s tb ep l a c e dd e e pu n d e r g r o u n d ，u s i n gag o o ds p r a yn o z z l e a t o m i z a t i o no fl i q u i dg a si nt h eg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o we f f e c t so nt h el i q u i dt os p r a y t h r o u g ht h es p r a ys ot h a tt h el i q u i di n t os m a l l e rd r o p l e t ss i z e ，f u l lt h eu s eo fg a st oc a r r yt h e l i q u i dg a s l i q u i dt w o - p h a s ea l o n gw i t ht h ea b i l i t yt og i v er i s et os u r f a c ew e l l h e a dt o a c h i e v e t h ep u r p o s eo fg a sd r a i n a g e a r t i c l e sb yt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fv a r i o u ss p r a yn o z z l ea n d g a sp r o d u c t i o no ft h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h es t u d y , w eu s et h ep r e s s u r e s w i f t a t o m i z i n gn o z z l ea sa na t o m i z i n gd e v i c e p a p e r sw i l lb eb a s e do nt h ep r o d u c t i o ns t a t u so f d i f f e r e n tw e l l so ru n d e r g r o u n dg a s - l i q u i dt h a nt h ed e s i g np r e s s u r eo ft h ec o r r e s p o n d i n gs w i r l a t o m i z i n gn o z z l e ，u s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，f l u e n ti nt h eu n d e r g r o u n dw o r ko nt h es p r a y n o z z l eo ft h es p r a ye f f e c to ft h es i m u l a t i o n ，f r o mt h et h e o r e t i c a lf o gn o z z l ei nt h eu n d e r g r o u n d w o r ko ft h ef e a s i b i l i t yo faf a k ep i nv e r i f i c a t i o n ，a n dd e s i g nas e to fs p r a yn o z z l e sp a c k e r d o w n h o l ef i s h i n gt o o la n dt h en o z z l ei n t ot h eh o l eo ft h ep r o c e s su n d e rt h ep r o c e s s f i n a l l y t h eu s eo fv i s u a lb a s i cl a n g u a g ed e v e l o p e dt of a c i l i t a t ef i e l du s e ，a c c o r d i n gt ow e l lc o n d i t i o n s q u i c k l ys e l e c tt h en o z z l es o f t w a r e t h i sp a p e rh a sd o n er e s e a r c ho nt h ef u t u r eo fg a sd r a i n a g e t e c h n o l o g yr e s e a r c hh a si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：d r a i n a g eg a s ，p r e s s u r es w i r la t o m i z e r ，a t o m i z a t i o n ，p a r t i c l ed i a m e t e r l l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：, o o 年厂月z 一日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者躲篮 指导教师签名：j 姿盘孥址 日期：& d 向年g 月z _ 日 日期：沙f 。年月乙日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 现今气井开采现状 第一章绪论 国内外气藏大多属于封闭性的弹性水驱气藏，在开采过程中井底都会出现不同程度 的积水。若不能及时将底层产出水排出井口，就会在井底聚积，增大井底回压、降低产气 量，严重时会造成气井水淹停产。积液长时间在井底存积还会对地层造成很大的污染和 伤害，严重影响气田的正常开发进度和生产，因此排水采气的工艺是气田正常生产的关 键。近年来随着国内气井的增多，气井的生产条件变的越来越复杂，根据不同气井的生 产工况选择适合本气井的生产方式和生产设备，变成气井正常生产、延长生产周期，实 现高效率产气的重要保证。如果采气方法和设备选择不适当将会直接影响气井的正常产 量。如果方法设备选择不当，会因为井下积水排出不及时，造成气井井下长时间积水影 响生产造成气井提早停产，带来极大的经济损失。如何解决气井井下产水及将其排出井 口，选择哪种合理的生产方式，如何合理的配备生产工具，减少地面辅助设备，达到既 节能又环保的进行采气生产，进一步提高采气效率，减少生产成本已成为气田开发系统 今后面临的重要课题。 现今国内各大气田在开采过程中遇到的最大问题就是在开采的中、后期产水气藏增 多导致生产成本增加，工作效率降低。从各大气田给出的现场资料分析得知井底积液的 来源有两种，一是地层中的游离水或烃类凝析液与气体一起渗流进入井筒，气井内部气 液流动的特性手动液体影响：二是地层中天然气和水混合物流入井筒，由于热量的损失 使井筒温度逐渐下降，从而出现凝析水。四川气田的生产情况显示截止1 9 9 4 年产水气藏 占已投入开发气藏的4 ，产水气藏的地质储量占总探明地质储量的7 6 4 ，产水气井占 目前实有气井数的4 0 7 ，其产气量占四川气田产气量的2 4 1 。近年来，产水气井所占 比例逐年上升，伴随气井积水的问题也越来越严重。大多数气井在正常生产时的井筒液 体流态为环雾流，液体以离散液滴的形式被气体携带出井口带到地面，此时气体被视为 连续相而液体为非连续相及离散相。当气相流速太低，不能提供足够的能量使井筒中的 液体连续排出井口时，液体将在重力的作用下与气体呈反方向流动并积存于井底，气井 中将存在积液。对于积液来源于凝析水的气井而言，由于天然气气流在向上运动时通常 在井筒上部达到露点，气相中的液体开始滞留在井筒上部的管壁上。当气井气体流量降 低到不能将液体带出井口的临界流量时，液体将回流至井底，井筒下部压力梯度急剧增 第一章绪论 高。从现场经验得知，很多气井的停产就是因为少量的井底积液。 解决气井积水的问题首先要对气藏的特点进行研究分析。四川气田的储层主要是由 碳酸盐岩组成，这类储集岩结构变化非常明显，主要由孔隙、洞穴、裂缝等储集空间和 各种组合的储集类型组成。其中，裂缝一孔隙型和裂缝一洞穴型是四川气田的主要储集类 型。封闭的弱弹性水驱气藏是四川气田的主要特点，储集层外围由没有储渗性的膏盐或 泥岩组成渗流屏障，与气藏外部的水区没有明显的联系，所以气藏附近的水量和水体弹 性能量是有限的。当气藏投入开发以后，首先在井底由于大裂缝的存在从而形成压降， 地层中的水受到压降的影响在压力的作用下沿高渗透裂缝流入气藏。在这种情况下，水 的渗入对气体并不是一种驱动力相反它的渗入分割了气藏并且封堵了气层。同时，由于 碳酸盐岩具有亲水性加上毛管压力的作用，主裂缝两侧的支缝网格和孔隙介质中逐渐有 水进入，慢慢的水将缝洞堵住使其中的气体难以排出形成死气区，从而大大地降低了气 藏的最终采集率。气井产水后，气流入井的渗流阻力和气液两相管流将消耗很大的能量。 井筒积液加大了对气层的回压，很大程度上限制了气井的生产能力。井筒积液量太多， 可使气井完全停喷，这种情况经常发生在大量产出地层水的低压井内，高压井中液体会 以段塞流形式出现。由于积水的影响逐渐加剧，气藏的采气效率下降单井产量迅速递减， 气井自喷能力减弱，逐渐变为间隙井，甚至井底严重积液而停产。有些深井井底有少量 积水的气水井，每天排水量不至u l o m 3 ，这种井况的气井危害更是严重常常发生“一口水 淹死一日井的现象，使开采难度大大增加并且增加了生产成本，所以排水采气工艺的 研究对气田的开采有着重要的实际意义。 1 2 国内外排水采气技术的发展现状 天然气气藏经过试采阶段、稳产阶段进入到后期开采阶段的过程中，部分气藏产量 会开始全面递减。在后期气藏的开采中出现一个突出的问题就是气井井底普遍产出少量 地层水( 底水量0 3 1 m 3 p d ) ，虽然积水量不大但是对天然气生产已经造成很大的影响， 特别是对低压低渗气藏，主要表现在井底出现积水后，由于井底压力低、气体流量导致油 管带水能力明显不足，地层水聚积在井筒内将周围的微细裂缝堵死影响气流的渗入，导 致采气量降低极快甚至“淹死”采气井并造成停产。为最大程度开采天然气气藏并且减 小对地层气藏的损害，国内外天然气生产者针对气井积水的实际生产情况并结合油气田 的开采方法，已经研究出很多种排水采气的方法并且得到推广和使用。图1 一l 列出了近年 来国内各气田主要应用的排水采气的方法。这里简单介绍一下各种工艺的特点，工艺的 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 具体工作原理请参考文献【3 3 1 。 国 内工 主艺 要方 排法 水 采 气 优选管柱排水采气 泡沫排水采气工艺 气举排水采气工艺 游梁式抽油排水采气工艺 电潜泵排水采气工艺 图卜1国内排水采气工艺介绍 f i g u r e1 - 1 d o m e s t i cd e w a t e r i n gg a sp r o d u c t i o nd e s c r i p t i o n ( 1 ) 优选管柱排水采气：是一种通过改变采气管柱直径，加快气流上升速度利用气 井自喷采气的方法，施工工艺简单只需根据气井产量的变化计算出合适的油管直径改变 油管，不需要人为地为它提供任何采气能量。 ( 2 ) 泡沫排水采气工艺：利用化学反应的原理向井内注入能够与水接触反应产生大 量泡沫的表面活性剂，大大降低井筒内液体表面的张力，通过化学反应把水转换成大量 低密度的含水泡沫，从而改变了井筒内气液流态，利用天然气流自身的上升动力将液体 带出井口，最终达到排水采气的目的【1 2 j 。 ( 3 ) 气举排水采气工艺：向井底注入高压气体用来补充地层能量增加井底压力，提 高气井自身的举升能力，达到排除井底积液、恢复气井的生产能力的目的。气举方式可 分为连续气举和间歇气举两种，对那些井底压力低和储量高的气井，通常采用连续气举； 对产能和井底压力较低的井，通常采用间歇气举或柱塞气举。 ( 4 ) 游梁式抽油排水采气工艺；这是一种利用机械能排水采气的助采工艺。此工艺 设备是在油梁式抽油机的基础上进行改装设计，方法成熟、投资少、不受高采出程度的 限制、可枯竭性采气，因此使用于气藏的中后期水淹气井和低压问歇井。 ( 5 ) 电潜泵排水采气工艺；将多级离心泵装置随油管一起下入井底的，利用离心泵 将水淹气井中的积液从井内迅速排出，降低对井底的回压，形成一定的生产压差，使水 第一章绪论 淹气井重新恢复生产的一种机械排水采气工艺。 近年来，国内外石油科技工作者又针对现有积液气井排水采气工艺在生产实际中出 现的不足和缺陷，通过多年努力研制开发出了一系列新型适用的排水采气工艺： ( 1 ) 井间互联井筒激动排液复产工艺技术：井间互联井筒激动排液复产工艺技术与 常规排出井筒积液工艺完全相反，该工艺是一种利用相临互联高压气井的天然气将积液 停产气井井筒内的积液暂时压回地层，降低井筒液柱回压，然后通过开井激动，提高气井 自喷携液能力，使气井快速排液复产的新技术。 ( 2 ) 同心毛细管技术：在油气井生产中，为了解决气井积液、油气井防腐、清除盐 垢和积蜡等问题，科研工作者开发出了同心毛细管技术，该系统由一个同心毛细管滚筒、 一台吊车和一套压井装置组成，它们组装在一辆拖车上。同心毛细管盘绕在滚筒上，化学 发泡剂通过同心毛细管从射孔段的单向阀注人井底与井筒积液作用，从而降低井底液柱 密度，使积液混合物被天然气流携带出井筒。 ( 3 ) 天然气连续循环技术：在应用柱塞举升技术时，如果油管中存在扼流装置，或者 气井出砂，那么柱塞举升便不能够正常工作；在应用速度管柱技术时，通常由于生产管柱 直径较小，会对井下工具作业造成困难。针对以上不足，科研人员开发了天然气连续循环 工艺。其主要特点是地面压缩机将气井本身产出的天然气连续不断回注入井中，由于连 续向环空注入高压天然气，从而提高了天然气的流速和携液能力。 1 3 雾化喷嘴的发展 喷嘴是一种广泛应用于工业领域、交通运输、农业生产以及人民日常生活的流体机 械，它最开始应用在燃烧装置上其主要作用是使燃料在燃烧室进行充分燃烧而释放出更 多的能量，在工业领域显示出很重要的作用。喷嘴按照工作介质的不同，大体分为液体 燃料喷嘴，空气雾化喷嘴以及固态燃烧装置的喷嘴【4 3 1 。根据结构和雾化原理的不同又分 为很多种类，图1 - 2 至1 - 7 列出各种不同喷嘴的结构示意图。 ( 1 ) 气泡雾化喷嘴：早在2 0 世纪8 0 年代初，就有人提出一种新型气动雾化喷嘴即气 泡雾化喷嘴，该喷嘴是将高压空气( 蒸汽) 注入到流动的液体中生成气泡，把气泡做为 雾化的动力，雾化过程中气泡的产生、运动及变形时时刻刻都是与液体相互作用的，直 到气泡和液体同时射出喷嘴，气泡破裂产生液雾。近年来国内一些科研机构对该种喷嘴 的雾化机理、雾化特性以及在高粘度燃油雾化器结构参数、工作参数等方面进行了深入 研究。目前重、渣油的气泡式喷嘴在工业炉上已经较为普遍采用1 2 0 | 。 4 中国i 油太学( 华东) 硬学位论文 图卜2 气泡式喷嘴 f i g u r e l - 2 b u b b l ej h 2 ) 直射式喷嘴：揖早的喷嘴结构并且足最早应用到液体雾化喷射方面的结构，其 结构十分简单如图13 所示，液体在高压的作用下经过一个小孔或多个有规则分布的小 孔喷射到气流中从而完成雾化的目的。该喷嘴最开始主要用于内燃机、火箭发动机及航 卒发动机加力燃烧室上。鹾娄型喷嘴雾化性能较其它类型喷嘴差，h 有在喷射孔直径大 小与液体流量相合适以及液体射流速度较高或对喷嘴外部周围空气的相对速度较大时 雾化效果才比较理想，所| 三【直身 式喷嘴比较适用于燃油量较小或气流速度较高的场合。 油 图1 3 直射式喷嘴结构示意图 f i g u r e1 - 3 s c h e m a t i cd i a g r a mc f d i r e e t - l y p en u z z l e ( 3 ) 离心式喷嘴：随着喷嘴雾化理论的发展，人们逐渐认识到液体在喷嘴内部的流动形 志对雾化效果有很大的影响。于是k e r t i n 在大量实验的基础l ，提 可以在喷嘴内放置 小段具有螺旋形状与喷嘴同轴并且能够转动的杆，目的是使液休在高压作用下进入喷 嘴内，液体与螺旋杆相接触作用后液体本身会因为杆的螺旋结构而做一种比较微小的螺 旋运动，结果大大改善了雾化效果。这只是离心式喷嘴最开始的结构模型，根据这一原 理后来又设计出很多种不同结构的离心式喷嘴。 壹 自一 第一章绪论 空气梭 乙一 ，j ，入l ； 飞- - 、 一 ， -：=1 ， 一i - 。m _ _ 。_ 。_ l、一疗，九? 一一 图1 - 4 离心式喷嘴结构示意图 f i g u r e1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fc e n t r i f u g a ln o z z l e ( 4 ) 气流式雾化喷嘴：气流式雾化喷嘴与气泡雾化喷嘴在原理上有些相似，主要利用液 体与气体介质之间在工作区域内互相之间的相互挤压、加速或剪切作用，从而加速液膜 的形成及破碎以达到更理想的雾化效果。现今常用的气流式雾化喷嘴主要包括外混式气 流喷嘴、y 型雾化喷嘴、内混世雾化喷嘴几种形式。他们具体结构如图卜5 、1 6 、卜7 所 示。对于气流式雾化喷嘴的研究开始于六十年代，开始人们主要研究垂直于气流中的液 体射流和在超音速气流中液滴、液体射流的雾化机理。随着工业生产中对燃料雾化质量 的提高科研工作者将上述理论应用到喷嘴的结构设计中，并做了大量的实验研究证明该 类型喷嘴具有很多突出的优点，在较低的油压下通过气相的压力作用可获得更好的雾化 效果，对于高粘度液体也有很好的雾化效果，并且通过对气相的流量和压力控制可以很 好的控制液体雾化程度，流量调节范围宽且能在宽广的燃油流量范围内给出良好的喷雾 质量。 油 图1 - 5 外混式气流喷嘴结构示意图 f i g u r e1 - 4o u t s i d et h em i x i n gj e tn o z z l es t r u c t u r ed i a g r a m 6 混台孔 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 - 6y 型喷嘴结构示意图 f i g u r e1 - 5y - t y p en o z z l es t r u c t u r ed i a g r a m 图卜7 内混式喷嘴 f i g u r e1 - 6w i t h i nt h em i x i n gn o z z l e ( 5 ) 超声雾化喷嘴：利用压电陶瓷或簧片哨产生超声波或机械超声，利用超声的空 化现象对液体进行雾化。超声雾化喷嘴具有雾化直径小，雾化均匀性好等优点，使其在 重、渣油等高黏度液体的雾化过程中逐步显示出优越性。但超声雾化机理较复杂，目前 大部分的研究仅限于有关实验现象的分析。实际应用中，主要基于经验公式以及具体不 同状况的实验曲线给出的结果与特性趋势来考虑问题。 研究喷嘴的方法主要有试验方法和数值方法【3 圳。冷态模拟试验方法是目前最主要 的试验方法，在冷态工况下采用水、空气等模拟介质进行试验，应用p d a 等光学仪器进 行喷雾测量，对喷嘴的流量特性、雾化特性及混合特性进行研究分析。在热试条件下的 喷嘴特性研究是通过透明窗对喷嘴下游燃烧流场实现可视观察，通过光学拍摄得到喷嘴 雾化过程图像及燃烧流场中的液滴运动和组份分布等信息。随着c f d 技术的发展，对雾 化过程进行数值仿真己成为一种重要的新兴研究方法。这种方法不仅缩短了实验时间减 7 第一章绪论 小了实验成本，而且通过仿真模拟的方法可以得到喷嘴在不同工作条件下工作特性参 数。在用数值模拟方法求解喷嘴流动问题时，关键问题是建立准确描述液体介质变形过 程、液体与气体作用过程、液体离散化为液滴的过程及液滴在空间运动过程的计算模型。 所采用的计算网格和计算模型是否合理也将直接影响计算的结果。经过众多学者的多年 研究，对喷嘴的工作过程、性能规律和初步的雾化规律已经有所掌握。 近年来喷嘴在石油钻采方面的应用非常广泛，主要应用喷嘴喷出液体的高压特性进 行物体表面处理，应用在钻头上可以进行压力冲击，辅助钻头的钻进【2 8 】。本课题的研究， 应用喷嘴的雾化特性，对气井生产中夹杂在天然气气流中的液体进行雾化处理，降低气 井生产的最小携液量保证低产含水气井的正常生产。 1 4 现今排水采气生产过程中存在的问题 在排水采气工艺中存在很多问题： ( 1 ) 机械式的排水采气工艺，在施工方面由于工艺繁琐工作量大，加大了生产成本， 并且井下空间有限不方便工具的正常使用。 ( 2 ) 化学式的排水采气工艺，需要对气井的井底凝析水进行化学分析，分析是否适合 此生产工艺，在地面还要配备成套的后处理净化设备，井下产生小范围的化学反应物对 气藏有一定的污染，对生产设备还有一定的腐蚀性。 ( 3 ) 在气井生产方式的选用方面，没有规范的标准。导致部分气井由于开始生产方式 或生产设备的选择不适当，造成气井产量低，井底积水不能够及时排出井口，严重的将 使得气井停产。 1 5 课题研究的主要内容 本课题将针对现今采气工程存在的问题，提出应用雾化喷嘴进行井下雾化排水采气 的方法，具体研究内容如下： ( 1 )井下雾化理论的研究即气井流态为雾状流时，液滴能够被气体携带出井口所 需雾化的液滴直径大小的计算方法； ( 2 ) 针对大牛气田某气井的实际生产资料，根据喷嘴设计理论设计出能同时满足 气井生产流量和雾化质量的压力旋流雾化喷嘴，满足：气井日产气量为0 5 1 5 万方， 日产水量为0 5 - 2 0 方的要求；喷嘴应用在气井井深为2 4 0 0 2 6 0 0 m ，井下压力为 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 8 一1 6 m p a ； ( 3 ) 通过仿真软件f l u e n t 对设计出的压力旋流喷嘴在给出的生产环境下的工作情 况进行仿真计算，研究经过喷嘴雾化后的液体雾化液滴直径大小的分布给出相应曲线 图；对仿真结果进行分析处理结合前边研究的雾化理论判断雾化喷嘴在井下对液体的雾 化程度能否达到我们所要求的雾化质量及达到雾化理论计算出的能够利用气流将液体 带出井口时液滴直径的大小。 ( 4 ) 在喷嘴结构设计理论和雾化理论的基础上，应用v b 编程语言开发一款能根据 工况智能选取喷嘴型号的软件； 9 第二章井下雾化理论的研究 第二章井下雾化理论的研究 现今投产中的气井都不同程度出现井底积水。对于存在底水或边水的气藏，在开采 过程中液气比将逐渐增高，如果不及时调整液气比或者井底积液不及时排除井口这样会 影响气井的正常生产，甚至将气井淹死导致停产，因此要正确地预测气井在不同程度含 液量下的举升能力，对气井的生产情况进行动态分析，根据气井的实际情况选择适合气 井的排水采气工艺具有重要的实际意义。本章将首先从产水气井井筒中气液流态进行分 析，利用流体力学的相关知识对气井中的液体流态进行分析，给出液滴在井筒中能够被 气体带出井口的最小液滴直径计算公式。 2 1 两相管流特性参数 流体力学的基本方程也同样适用于油、气、水多相流动，在应用流体力学解决采油 和采气工程技术问题时，我们一般将油水两种流体都看做是液相主要考虑到气液两相间 的相互作用。描述两相管流的数学模型要比单相管流复杂得多为了更加准确的描述井下 气液两相管流的运动状态，我们在研究气液两相流流动规律和计算方法时首先要介绍一 下与两相流相关的特定参数和专业术语。现对工程常用的气液两相流动的特性参数介绍 如下。 2 1 1 质量流量、体积流量和体积含液率 我们将流体在单位时间内流过管子横截面的质量称为质量流量，总的质量流量为管 体中两不同相的质量流量之和，即【4 6 】 4 7 】 g = g l + g g( 2 1 ) g m _ 气液混合物质量流量，k g s g 。，g 广液相、气相质量流量，k g s 我们将流体在单位时间内流过管子截面的气液混合物的总体积称为气液两相体积 流量，即 q = q l + q c ( 2 - 2 ) 式中q 。一气液两相体积流量，m 3 s q 。，q 广一液相、气相体积流量，m 3 s 。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 体积含液率五表示管流截面上液相体积与气液混合物总体积的比值，又称无滑脱持 液率，即 五，：丝：望墨 ( 2 3 ) q mql + q g 有时，也用体积含气率( 无滑脱持气率) ，即 砧：1 一九= 堑一 ( 2 4 ) g + g g 式中 砧体积含气率 2 1 2 气相速度、液相速度、折算速度及两相混合物速度 假设a g 和a 分别表示气相和液相占流通管管路的横截面积，根据流体力学定义即 气相速度：2 鼍( m s ) ( 2 - 5 ) 液相速度：吃2 石q l ( m s ) ( 2 6 ) 上述公式中表达的两相速度实际上是指气液两相在各自所占流通面积上的局部速 度的平均值，常称为气、液相的真实速度。因为如，a 工测量起来不方便，所以吼， 也很难计算。 为了方便研究计算，我们使用表观速度即假设管道中流动时单相液体，管道的界面 完全被某一项占据，这时的流速即 气相表观速度：。= 等( m s ) ( 2 _ 7 ) 液相表观速度：u 乩= 等( m s ) ( 2 - 8 ) 由公式看出，各相自身的表观速度一定小于各相的真实速度，即 u 跖 ，u 皿 u l 我们定义气液两相混合物总体积的流量与管路的横截面积之比为两相混合物速度， 即 第二章井下雾化理论的研究 由表观速度的定义可知 = 半 d m2o s g + u 盟 ( 2 - 9 ) 虽然混合物速度u 。和表观速度都是实际上并不存在的，我们引入这些参数只是为 两相流的计算和数据处理提供方便。 2 1 3 持液率 持液率h l ( h o l d u pl i q u i d ) 表示在管路中气液两相混合物在流动过程中，单位体 积的液体所占单位管段体积的大小，即 h l - - 笔器馨= 鲁 由上式可见，日，的实际意义是指管道内两相流体在某一横截面上，液相的面积占 整个截面比例，又称为截面含液率、真实含液率。 持气率日g ( 又称空隙率、真实含气率、截面含气率或气相存容比) 为 h g = 1 一吼= 鲁 ( 2 _ 1 0 ) 若h l = 0 ，表示单相气流； 若0 h 上 1 ，表示气液两相流； 若h l = 1 ，表示单向流液流。 日，是表示气液混合物密度特性的重要参数，一般采用实验和因次分析的方法确定， 以便描述复杂的相间滑脱现象，即液相的滞留效应。 2 1 4 气液混合物的密度和流动密度 在管道流通轴向方向上取很小的流段l ，此流段中气液两相混合物的密度定义为 此微小流段中两相的质量与体积之比，即 p ： ) m2 p 譬( 1 - h l ) a 瓦a 西l + p l h l a a l ( 2 - 11p 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 两相混合物密度为 p 。= p l h l + 依( 1 一日l ) 单位之间内流过截面的两相混合物的质量与体积之比称为气液混合物流动密度，也称无 活脱混合物密度，即 几：鱼、 故 服= p l 九+ 熊( 1 一九) ( 2 1 2 ) 在气液两相管流中，由于密度不同会产生气相脱离液相的相对流动现象，即滑脱现 象。滑脱现象将使气液混合物密度增大，从而增大举升混合物的所消耗的能量。因滑脱 而产生的附加压力损失称为滑脱损失。通常用存在滑脱时混合物的密度与不考虑滑脱时 的混合物流动密度之差来表示单位管段的滑脱损失，即 a p = p m p 。s 2 2 垂直两相管流流型的研究 气一液两相流的流动规律在两相流的四种类型( 气一液、气一固、液一液以及液一 固) 中是最复杂的，在含水气井中，由于气相具有高度的可压缩特性，所以气液两相流 中存在气液所占比例时时变化的界面。这种两相时时变化的界面在流动过程中形成不同 流动结构形式的现象，我们将这种变化形式称之为两相流流动型态，简称流态或流型。 不同流态的气液混合物有着自己的流动规律。在垂直管道中气液两相混合物向上流动 时，主要的典型流型有以下几种，如图2 - 1 所示。 第二章井下雾化理论的研究 l _ _ ! j 。孔 。， j j 0 厉 一， ” ： 、及： ( 匐 包状流 国) 段塞流：( c ) 过渡流 ( d ) 雾状流 图2 - 1四种典型井筒流态 f i g u r e2 - 1 f o u rk i n d so ft y p i c a lf l o wp a t t e r n ss h a f t ( 1 ) 泡状流 在含气率较低的气液两相混合物中，气相将以的小气泡的形式分散在液相中，小气 泡大多数都在油管中间部分，管壁附近的气泡不多，气泡的形状都类似小球形，如图 2 1 ( a ) 所示。气泡的上升速度比液体流速大，混合物整体的平均流速比较低。泡状流 的特点是：气相所占的体积少定义气相为离散相，液体所占的体积大定义液相是连续相： 气体所占整个混合物体积的大小主要影响混合物的密度，对摩阻的影响不大。 ( 2 ) 段塞流 气液两相混合物向上流动的过程中，随着高度的升高压力逐渐降低，气体的体积将 会慢慢变大并且不断的膨胀，含气率随之增加。在此过程中小气泡之间通过相互碰撞会 聚合形成较大的气泡，气泡的直径将慢慢接近于流通管道的管径。当气泡占据了管子大 部分流通面积的时候，在管道流动空间内将会形成一段液一段气的断层结构。气体段塞 形似活塞，气相中也会携带有少量的液相颗粒。在两个气相段塞流之间，是混有小气泡 慢慢向上流动的液体段塞流，如图2 1 ( b ) 所示。这种段塞气泡举升液的过程就像一个 活塞在向上推进液体一样。在段塞向上运动的同时，段塞气泡与管壁缝隙之间存在液体 层，液相与气象之间的相对运动的现象称为液体回落。虽然存在液体回落，但在这种流 型下气液两相间的相对运动比泡状流要小的很多，滑脱也小。段塞流是两相流中举升效 率最高的流型。 ( 3 ) 过渡流( 搅动流) 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 气液两相流在井筒中连续上升的过程中，液相从连续相变化成分散相，气相从分散 相变化成连续相，气体连续地向上流动利用自身的液体曳力携带液体举升到一定高度， 然后液体在自身重力的作用下而下落、聚集，然后又被气体举升，如图2 1 ( c ) 所示。 我们将这种往复式的、复杂的液体运动称之为过渡流，同时也称之为搅动流。 ( 4 ) 雾状流 当管路中气液两相流中含气率更大时，气相便会以气柱的形态在管路中流动，液体 则沿着管壁行成一个流动的液环，这时管壁将覆着一层液体，气相在向上运动的过程中 将与液体之间发生摩擦粘带作用，在此作用下液体将会以小液滴的形态分布在气柱中 间，如图2 1 ( d ) 所示。我们将这种流态称为雾状流。在这种状态下，气相的携液能力 最强，本研究就是利用这种流态的特性对含水气井的积水问题进行研究和解决。 2 3 气井携液临界流量 气井井底刚开始出现少量积液时井筒内的液体可以被气体利用自身的上升力带出 井筒，气井还能正常生产，这时气井气流的最低流速称为气井携液临界流速，对应的气 体流量称为气井携液临界流量。当井筒内气体的实际流速小于临界流速时，气流就不能 将井内液体利用自身的上升力带出井1 ：3 。某口气井的临界流量和临界流速的准确计算对 预测气井产有很大的指导意义，t u r n e r 、h u b b a r d 和d u k l e r 对此问题进行了大量的研究 并且提出了确定气井携液临界流速和临界流量的两种物理模型，即液膜模型和液滴模 型。液膜模型主要针对液膜在管壁上的上升运动而进行的分析计算，计算过程比较复杂。 液滴模型描述了在气流中一t l , 以离散相运动的液滴。这两种模型在实际中是存在的，而且 气流中离散分布的液滴和管壁上的液膜两种液相形态之间会不断相互作用、相互转换， 液膜在下降过程中与气象产生相互作用后最终会破碎成液滴。t u r n e r 等人通过大量的实 验和现场资料的收集对这两个模型的准确性进行了检验计算，发现液滴模型的计算结果 更加符合实际情况。 液滴模型的假设条件是利用气体自身的上升力量将气井积液带出井口时气体对液 体的曳力大于或者等于液滴的重力。利用气体对液滴的曳力公式和液滴的重力公式，可 以确定气井携液临界流速，即气体对液滴的曳力等于液滴的沉降重力。 气体对液滴的曳力f 为： f = 4 d 2 c a 譬& 沿 第二章井下雾化理论的研究 式中 “。气井携液临界速度，m s ： d 最大液滴直径，m ； 巴曳力系数，0 4 4 ； 岛液体的密度，k g m 3 ： 依气体的密度，k g m 3 ； 根据气体对液滴的曳力f 等于液滴的沉降重力g ，得气井携液临界速度为： ：悝鱼二创5 ( 2 - 1 5 )2 1 1 历：j 式( 2 - 1 5 ) 表明，液滴直径越大，要使液滴向上运动的气流速度也就越高。根据此 公式可以看出，反过来如果能够确定最大液滴直径，就可以计算处使所有液滴向上运动 的气流临界速度。 气流的惯性力和液体表面张力对液滴直径的大小有很大的影响。气流对液体表面的 惯性力可以使液体破碎成小液滴，而液体的表面张力可以使液滴聚集，韦伯数综合考虑 了这些力之间的影响。当韦伯数超过2 0 蛩j 3 0 的临界值时，液滴将会在气流惯性力的作用 下破碎。喷嘴液滴直径由下式确定 n w e ：, u c 2 r p g d ：3 0 ( 2 1 6 ) 式中仃气水界面张力，n m 。 由式( 2 - 1 5 ) 求出d ，并带入式( 2 - 1 6 ) ，则临界流速变为 铲3 ， 掣r 治忉 由气体压力与流速的关系可知，压力越低则气体带出液体所需的临界流速越大。因 此，低压气井所要求的临界流速大，而产气速度又较低，所以更易积液。 气井携液临界流量为： 观5 ： 1 0 4 等 ( 2 _ 1 8 ) 1 6 ，月，12( l 膨g p b 驴 万一6 = g 为 g 力重 降 沉的滴液 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中q c , 气井携液临界流量，1 0 4 m 3 d ； a 油管面积，m 2 ； 卜压力，m p a ： h 品度，k ； z 气体偏差系数。 在实际应用t u m e r l 临界流速和临界流量的过程中，发现当许多气井的产气量低于 t u r n e r 模型计算出的临界产量时，气井仍然保持正常生产状态，这说明t u r n e r 模型的计算 还是纯在一定的误差。为了进一步准确预测气井的产能和生产能力得到相对准确的临界 流速和产量计算公式是很必要的。我国研究气田开采的工作人员以多年的实际生产经验 为基础将t u r n e r 计算出的临界流速和产量计算公式乘以1 3 ，这样来确定实际气井的临 界流速和产量【1 2 】。s t e v e 根据从气田收集的数据，认为没有必要在t u r n e r 导出的临界流速 和产量公式再加上2 0 的修正系数。但是由s t e v e 的公式计算出的临界流速和产量仍比 气井所需的临界流速和产量高出许多。 m i nl i 从理论上得出在高速气流携带运动的液滴在高速气流作用下，在液滴的前后 存在一定的压差，在这一压差的作用下液滴的形状会由球形变形成一椭球体。m i nli 提 出自己的携液模型并且充分考虑了被高速气流携带液滴变形这一因素，通过大量的现场 试验和理论研究推导出了新的计算气井连续排液临界流速和产量计算公式，公式计算出 的结果只有t u r n e r 公式计算出的气井携液临界流速和产量的3 8 。但这同人们的一般 认识相吻合，符合产液井的实际情况。表2 - 1 是m i nl i 携液模型与t u r n e r 携液模型比较 【6 8 】。 表2 - 1 两种携液模型计算 t a b l e2 - 1t w ok i n d so fp o r t a b l el i q u i dm o d e lc a l c u l a t i o n 本设计中采用m i nl i 携液模型，使得计算结果更准确适合现场的使用。 1 7 第二章井下雾化理论的研究 2 4 雾化液滴尺寸的研究 本文将利用雾化喷嘴对天然气流中含有的液体进行雾化处理，使液体变成直径更小 的小液滴，这样便可以充分利用气井自身的能量，无需外加能量，通过气体自身的上升 携带能力将井内液体带出井口，防止井底积液。为了实现这种想法，首先需要对气井的 产能进行深入分析，然后根据气井情况配备适合这口井的雾化喷嘴，喷嘴的作用是将液 体雾化后的液滴达到气井携带液滴出井口的最小液滴。这需要根据井况进行计算得出雾 化液滴的最大直径。下面我们对液滴直径的计算方法进行讨论研究。 2 4 1 液滴被带出井口的边界条件研究 一般情况下气体向上流动，在气体与颗粒都处于运动的情况下，如果只考虑颗粒对 气体作相对运动，那么就可以不去注意气流的速度。 设：v 1 液滴在气体中的速度，或称为沉降速度； v 2 气体的上升流速。 当v l v 2 ，则颗粒将以v 1 v 2 的速度向下沉降。 当一球形颗粒在垂直方向上的气流中沉降时，将受到三个力的作用。 ( 1 ) 颗粒本身的质量力为m ，计算公式为： m = 等d 3 p ， ( 2 - 1 9 ) 式中d 颗粒的直径，m ： n 颗粒的密度，堙珑3 ( 2 )气体给与的阻力为f ，计算式为： 肚孝三d 2 p g 等 协2 。， 式中f 水利阻力系数，无因次； 以操作条件下的气体密度，堙册3 ； w 颗粒在气体中的沉降速度，m s ； 广重力加速度，m s 2 ； ( 3 ) 颗粒的浮力为t ，计算式为： 1 8 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 丁= 詈d 3 & d 颗粒的直径，m ； 聪操作条件下的气体密度，k g l r n 3 根据以上假设条件，当颗粒在气流中做匀速运动时，有 把式( 2 7 ) 、式( 2 - 8 ) 、式( 2 。9 ) 带入式( 2 1 0 ) 并整理， 或一个颗粒在分离器中沉降速度的一般表达式为 畔掣 0 - 5 w 一液滴颗粒的沉降速度，m s ； d 颗粒的直径，m ； ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 得到在重力作用下液滴 ( 2 2 3 ) 凡操作条件下的气体密度，堙聊3 岛颗粒( 液滴) 的密度，堙朋3 广重力加速度，m s 2 f 水力阻力系数，它是雷诺系数的函数。 水力阻力系数的大小在不同的流态区域内是不一样的，所以在不同流态时液滴的沉 降