煤層氣井射流沖煤粉裝置沖擊深度的研究

劉 冰,綦耀光,張芬娜,杜繼蕓,孟尚志,朱洪迎,吳天寵,黃芳宇

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院,山東青島 266580;2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司,北京 100108)

煤層氣井射流沖煤粉裝置沖擊深度的研究

劉 冰1,綦耀光1,張芬娜1,杜繼蕓1,孟尚志2,朱洪迎1,吳天寵1,黃芳宇1

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院,山東青島 266580;2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司,北京 100108)

為確定煤層氣井射流沖煤粉裝置合理的結構和工作參數(shù),實現(xiàn)射流沖煤粉系統(tǒng)的優(yōu)化設計和有效運行,理論分析了沖煤粉裝置工作原理和煤粉顆粒運動過程,整個井底沖煤粉射流場可分為:自由射流區(qū)、射流沖擊區(qū)、漫流區(qū)、返流區(qū)、旋渦區(qū)和負壓吸附區(qū)6個區(qū)域,決定煤粉是旋轉上升的復雜運動狀態(tài)。開展均勻設計方法的沖煤粉實驗,運用二次多項式逐步回歸法得出回歸方程,揭示噴嘴結構參數(shù)、射流參數(shù)和煤粉特性對沖煤粉深度的互相耦合的影響關系。結果表明,對沖煤粉的深度影響程度的大小依次為:噴距、噴嘴直徑、噴嘴流量和煤粉直徑。進一步的單因素試驗詳細了解各影響因素對沖煤粉深度的影響,得出在要求不動管柱時沖煤粉深度達到500 mm的條件下,噴嘴流量不能低于15 m3/h,噴距應小于100 mm。

煤層氣井;射流;沖煤粉;沖擊深度;影響因素

煤層氣井排水采氣過程中,進入井筒的煤粉顆粒如果沒有被產出液攜帶至地面,而是沉積在套管底部填滿井底口袋將會堵塞產氣通道或是埋泵,阻礙煤層氣的正常產出[1]。根據生產現(xiàn)場的數(shù)據統(tǒng)計,煤粉問題已成為引起煤層氣井停產或產量降低的主要因素,井底煤粉難以排出已成為阻礙煤層氣大規(guī)模開發(fā)的關鍵問題之一[2－4]。

目前國內煤層氣生產現(xiàn)場主要采用撈砂泵撈煤粉的方式排除井底煤粉[5],但煤粉很容易懸浮于水中,難以確定煤粉是否全部撈出,而且反復地起下油管柱導致效率非常低;更嚴重的是,撈煤粉時壓井或放空的作業(yè)方式對煤儲層傷害極大,導致每進行一次撈煤粉作業(yè),煤層氣產量就下降一次。如果采用常規(guī)的水力沖煤粉的方式需要高壓水流直接經過套管,而煤層氣井低壓易漏失的特征,使得沖砂液體大量進入煤儲層,破壞煤層氣脆弱的產氣通道[6]。國外針對低壓漏失井開發(fā)了旋轉射流沖砂技術[7－8],該技術在井筒中產生局部壓降,能夠有效清除井底的沉砂以及局部的泥漿等雜質,但對于堅硬的砂橋沒有很好的效果,并且能夠產生較大的顆粒,無法排出井筒[9]。

針對煤層氣儲層低壓且易出煤粉的特征,利用射流泵的負壓吸附作用[10]和雙層同心管柱[11],設計了射流負壓沖煤粉裝置。采用沖擊能力更強的直線射流方式,整個作業(yè)過程能保持井底動液面基本穩(wěn)定,能夠在保護煤儲層的前提下快速高效地清除井底煤粉[12]。為確定合理的噴嘴結構參數(shù)以及流量、管柱下放速度等工藝參數(shù),實現(xiàn)射流沖煤粉系統(tǒng)的優(yōu)化設計和有效運行,在理論分析沖煤粉裝置工作原理和煤粉顆粒運動過程基礎上,采用均勻設計法對影響沖煤粉深度的相關參數(shù)進行實驗研究。運用二次多項式逐步回歸法得出回歸分析方程,得出沖煤粉深度與各因素之間的影響關系。

1 工作原理

圖1為射流負壓沖煤粉裝置的工作原理。射流負壓沖煤粉裝置采用雙層同心流道結構,可以避免高壓動力液體對井底的直接沖擊,有效地保護煤儲層[13]。內層管中有高壓腔室、噴嘴、負壓吸入腔室、喉管、擴散管以及供混合液返出地面的內管通道,外層管中有動力液的外管通道、外筒、混合液進口等。

圖1 射流負壓沖煤粉裝置工作原理Fig.1 Schematic of coal particle cleanout pump

射流負壓沖煤粉裝置的工作原理是:來自地面泵的高壓動力液由外管下行進入高壓腔室,一部分由下噴嘴射流沖擊井底沉積的煤粉使之充分流態(tài)化,形成攜帶煤粉的井底液。另一部分高壓動力液由上噴嘴高速噴出,在高壓噴嘴與喉管之間的吸入腔室處,動力液的總壓頭幾乎全部轉變?yōu)樗俣人^,使得周圍壓力降低形成負壓區(qū),在井底壓力與負壓區(qū)之間的壓差作用下,在吸入腔室周圍形成強烈的負壓吸附作用,抽吸攜帶煤粉的井底液體進入喉管,動力液和井底液在喉管內充分混合后,速度水頭降低,而壓力水頭得到回升。但此時混合液總水頭仍主要以速度水頭的形式存在,壓力水頭較低不足以將混合液舉升到地面?；旌弦哼M入擴散管后由于擴散管橫截面積逐漸增大,使得速度水頭進一步轉換為壓力水頭,從而能夠將混合液通過內管舉升到地面上來。隨著射流負壓沖煤粉裝置的逐漸下放,完成整個煤層氣井的沖煤粉工作。

通過對沖煤粉裝置工作原理的分析可知,要將井底沉積的煤粉順利沖起進入裝置內部流道并排出井筒,關鍵是要將目標深度煤粉沖起至射流泵的負壓吸附區(qū)域,即沖煤粉的深度問題。

2 沖煤粉理論分析

射流沖煤粉屬于有限空間淹沒射流,除入射流體和環(huán)境流體之間的摻混作用,還需要考慮井壁和井底的軸向和徑向壁面邊界條件。之前沖擊射流的研究主要集中在射流中心軸線的速度衰減變化[14－15]以及沖擊擋板的壓力分布[16]等方面,而對于射流沖擊井底邊界后的向上反射流動研究很少;在射流沖坑方面,對沖坑的形態(tài)研究較多而對于沖坑過程中的沙粒運動,尤其是沙粒上返運動研究較少[17－19]。

2.1 煤粉的運動分析

通過對透明模擬井筒沖煤粉實驗現(xiàn)象的觀察,把整個井底沖煤粉射流場細分為6個區(qū)域:自由射流區(qū)、射流沖擊區(qū)、漫流區(qū)、返流區(qū)、旋渦區(qū)和負壓吸附區(qū),如圖1所示。這6個流場區(qū)域共同構成的井底射流場決定著煤粉的運動狀態(tài)。

自由射流區(qū)自下噴嘴出口至井筒底部煤粉面附近,水射流與周圍液體開始產生摻混效應,射流剛離開噴嘴出口,周圍壁面對射流影響較小,其流動特性與自由射流相同。射流沖擊區(qū)位于井筒底部煤粉面中心附近,射流沖擊作用使得原本靜止的煤粉顆粒起動,形成攜帶煤粉的井底液,煤粉面不斷降低至最低位置。射流沖擊區(qū)軸向速度迅速衰減為0,其徑向速度逐漸增大,當射流速度發(fā)展為橫向流速為主即進入漫流區(qū),漫流速度隨徑向距離的增大緩慢增加到最大值又迅速降到0[20]。漫流層的橫向流動有助于推動煤粉離開井底,進入返流區(qū)[21]。返流區(qū)是射流沿井壁附近形成返流,流體在該區(qū)域的速度梯度并不是很大,是煤粉上返運動的主力區(qū)域。整個流場受到井底、井壁和工具的限制,射流與周圍的流體發(fā)生強烈地摻混,攜帶周圍流體一起運動,形成了明顯的旋渦區(qū)。煤粉的上升運動伴有較為強烈橫向運動,呈現(xiàn)出明顯的旋轉上升運動狀態(tài)[22]。煤粉繼續(xù)運動至上噴嘴附近的負壓吸附區(qū),依次進入喉管、擴散管以及返出內管排出井筒。

2.2 沖煤粉深度因素分析

井底的射流上返流動是一個復雜三維空間渦流問題,起動的煤粉在向上運動的同時伴有較為強烈橫向運動,呈現(xiàn)出明顯的旋轉上升運動狀態(tài),目前尚無精確的求解方法。對于實際的煤層氣井沖煤粉作業(yè)而言,關注的重點在于能否將目標深度的煤粉沖起至負壓吸附區(qū)繼而排至地面,即沖煤粉的深度問題。水射流沖煤粉是受噴嘴結構參數(shù)、射流參數(shù)和煤粉特性等因素綜合作用的復雜物理過程,這些因素可以具體為噴嘴流量、噴嘴直徑、噴距和煤粉直徑、密度等。在沖煤粉管柱不動的條件下,煤粉面下降的最大深度(沖煤粉深度)反映裝置沖煤粉能力的大小,故以此為考察對象。沖煤粉深度L可以用下列函數(shù)來表示,即

式中,Q為噴嘴流量;dj為噴嘴直徑;h為噴距(噴嘴出口端面至煤粉水平面的垂直距離);ds為煤粉直徑;ρl為水的密度;ρs為煤粉的密度;v為水的運動黏度。

煤層氣井底溫度和壓力等狀態(tài)比較穩(wěn)定,可以認為水流的運動黏度和密度以及煤粉顆粒密度為常數(shù)。于是式(1)可寫為

為得到式(2)比較精確的表達式,筆者采用實驗數(shù)據回歸分析的研究方法,通過均勻設計法試驗對諸多因素進行系統(tǒng)的試驗和分析研究,揭示各個因素綜合作用對沖煤粉深度的影響關系。

3 沖煤粉實驗

3.1 實驗裝置和材料

實驗采用的裝置如圖2所示,實驗裝置主要由水泵、水箱、閥門、沖煤粉裝置、模擬井筒、管路系統(tǒng)及壓力、流量等測試儀表組成。其中,數(shù)據采集處理系統(tǒng)能夠實時地采集壓力、流量傳感器發(fā)送的信息并存儲,方便了實驗數(shù)據的記錄和處理。采用ADAM－4100系列通用傳感器到計算機的便攜式接口模塊,具有8路不同且可獨立配置的差分通道,專為惡劣環(huán)境下的可靠操作而設計。可以獨立提供智能信號調理、模擬量I/O、數(shù)字量I/O和LED數(shù)據顯示。沖煤粉的返出液是煤粉和水的固液兩相流,因此該管路需要選用適合測量固液兩相流的傳感器儀表。選用上海光華儀表廠生產的LDG－/K型號高壓電磁流量傳感器,量程為2.5～50 m3/h,精度為0.5%。壓力傳感器選擇德國tecsis的P3276型號,量程為0～25 MPa,精度為0.25%。

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental equipments

室內實驗采用煤層氣現(xiàn)場15口井修井作業(yè)時撈出的煤粉,密度為1 490 kg/m3。使用標準篩選出5種粒徑大小不等的煤粉。記錄室內溫度為20℃,沖煤粉介質為經水箱過濾的清水,密度為998 kg/m3,運動黏度為1.01×10－6m2/s。

3.2 試驗方法

實驗旨在揭示噴嘴結構參數(shù)、射流參數(shù)和煤粉特性對沖煤粉深度的影響關系,是一個多因素綜合作用的復雜關系。因此本實驗采用適合多因素多水平的均勻設計方法,實驗點均勻分布不僅具有很好的代表性,而且實驗的次數(shù)比正交設計方法顯著減少。將噴嘴流量、噴嘴直徑、噴距和煤粉直徑4個因素的考察范圍平均分成6個水平,見表1。

表1 實驗因素水平Table 1 Chart of factors and levels

表2 實驗方案Table 2 Experimental scheme

4 實驗結果及分析

4.1 回歸分析

采用二次型回歸模型分析表3中的實驗結果數(shù)據,運用二次多項式逐步回歸法將各因素的各水平對沖煤粉深度進行回歸分析,求得回歸方程為

其相關系數(shù)R=0.999 9,F=6 581。F檢驗臨界值F0.99(4,1)=5 625,F＞F0.99(4,1),F檢驗通過,回歸方程可信。

表3 實驗結果Table 3 Experimental results

由回歸方程(3)可以看出,在考察范圍內,對水射流沖煤粉深度的影響程度大小依次為:噴距、噴嘴直徑、噴嘴流量和煤粉直徑。代表噴嘴射流特性的流量、噴嘴直徑與代表煤粉特性的直徑交互作用影響沖煤粉的效果,說明水射流沖煤粉是受多因素耦合作用的復雜運動。

4.2 影響因素分析

為確定沖煤粉作業(yè)合理的工藝參數(shù),進一步安排單因素實驗詳細了解噴嘴流量、噴嘴直徑、噴距和煤粉粒徑對沖煤粉深度的影響。

圖3為觀測到的透明模擬井筒沖煤粉過程,在噴嘴流量足夠大時,井筒流體在10 min內迅速由渾濁變?yōu)榍宄?井筒煤粉的濃度迅速減小,說明煤粉被快速地沖出井筒,如圖3(a)～(c)所示。噴嘴流量不足時,煤粉濃度垂向分布不同,煤粉濃度在裝置入口處明顯低于井底附近。煤粉在井底一定高度范圍內維持跳躍的運動狀態(tài),無法被攜帶出井筒,如圖3(d)所示。

圖3 沖煤粉實驗過程Fig.3 Process of coal particle cleanout experiment

圖4為噴嘴直徑分別為3,4,5 mm,噴距為100 mm,煤粉直徑為0.5 mm時,沖煤粉深度隨噴嘴流量的變化曲線。從圖4(a)可以看出,沖煤粉深度隨噴嘴流量的增大而增大,這是因為隨著噴嘴流量和流速的增大,水射流對井底的沖擊能力越強,煤粉顆粒沖起的高度就越高。在其他條件相同的情況下,噴嘴直徑越大,沖煤粉深度越大,3 mm噴嘴和4 mm噴嘴的沖煤粉深度均沒有達到500 mm。因此要想獲得較好的沖煤粉效果,應盡可能地選擇較大直徑的噴嘴和提高噴嘴的流量。為保證煤層氣井沖煤粉作業(yè)的快速有效,要求不動管柱的沖煤粉深度達到500 mm以上。井底煤粉直徑在0.5 mm以上的超過50%,因此應選擇直徑5 mm噴嘴,噴嘴流量不能低于15 m3/h。

圖4 噴嘴流量和噴距對沖煤粉深度的影響Fig.4 Relationship between Q,h and L

圖4(b)為煤粉直徑分別為0.1,0.5,2.1 mm,噴嘴直徑為4 mm,噴嘴流量為20 m3/h時,沖煤粉深度隨噴距的變化曲線。從圖4(b)可以發(fā)現(xiàn),沖煤粉深度起先隨噴距的增大先急劇下降,待噴距增大到一定值后沖煤粉深度緩慢下降,這與文獻[14]中研究的沖擊擋板的壓力隨噴距的變化趨勢相符合。與噴嘴射流破巖存在最佳噴距不同,射流沖煤粉的噴距是越小越好。同時,煤粉顆粒的啟動速度和上升速度隨粒徑的增大而增大,將煤粉沖起到一定高度所需的射流速度就越大。在其他條件相同的條件下,煤粉直徑越大,沖煤粉深度就越小。因此在井底煤粉已經確定時,要獲得較好的沖煤粉效果,應盡可能將噴距控制在沖煤粉深度處于高值的合理范圍。在本實驗考察范圍內,為保證沖煤粉深度達到500 mm以上,噴距應小于100 mm。

5 結 論

(1)設計的沖煤粉裝置能夠有效地沖起井底沉積的煤粉,并通過負壓吸附進一步排出井筒,是一種能夠保護煤儲層的煤層氣井修井工藝。

(2)整個井底沖煤粉射流場分為:自由射流區(qū),射流沖擊區(qū),漫流區(qū),返流區(qū),旋渦區(qū)和負壓吸附區(qū)6個區(qū)域,決定煤粉呈現(xiàn)旋轉上升的運動狀態(tài)。

(3)采用均勻設計方法實驗,揭示噴嘴結構參數(shù)、射流參數(shù)和煤粉特性對沖煤粉深度的互相耦合的影響關系。對沖煤粉的深度影響程度的大小依次為:噴距、噴嘴直徑、噴嘴流量和煤粉直徑。

(4)為保證煤層氣井沖煤粉作業(yè)的快速有效,要求不動管柱的沖煤粉深度達到500 mm以上,應選擇直徑5 mm的噴嘴,噴嘴流量不能低于15 m3/h,噴距應小于100 mm。

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The impinging depth of coal particles cleanout jet device for coalbed methane well

LIU Bing1,QI Yao-guang1,ZHANG Fen-na1,DU Ji-yun1,MENG Shang-zhi2, ZHU Hong-ying1,WU Tian-chong1,HUANG Fang-yu1
(1.College of Electromechanical Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China;2.China United Coalbed Methane Company Limited,Beijing 100108,China)

In order to determine the reasonable structure and working parameters of coal particles cleanout jet device in coalbed methane wells,and realize the optimization design and efficient operation of coal particles cleanout jet system, theory analysis on the working principle of coal particles cleanout and motion process of coal particle was done.The bottom hole coal particles cleanout jet flow field can be divided into six areas:free jeting area,jet impinging area,radial flowing area,reflux area,vortex area and negative pressure suction area,which resulted in the spiral uprising motion state of coal particle.Coal particles cleanout experiments were designed by uniform design method,regression equation was found by quadratic polynomial stepwise regression method,the intercoupling influence relation of nozzle structure parameters,jet parameters and coal particle characters to impinging depth was revealed.The results show that the arrangement of these parameters is jet distance,nozzle diameter,nozzle flow rate,and coal particle diameter according to their effects on impinging depth.The influence of nozzle flow rate,nozzle diameter and jet distance on impinging depth was obtained in detail by further single factor experiment,and got the conclusion that on the condition that im-pinging depth reached 500 mm without moving the tubes,the nozzle flow rate can’t be lower than 15 m3/h,and the jet distance should be less than 100 mm.

coalbed methane well;jet;coal particle cleanout;impinging depth;influence factor

P618.11

A

0253－9993(2014)04－0713－06

劉 冰,綦耀光,張芬娜,等.煤層氣井射流沖煤粉裝置沖擊深度的研究[J].煤炭學報,2014,39(4):713－718.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1419

Liu Bing,Qi Yaoguang,Zhang Fenna,et al.The impinging depth of coal particles cleanout jet device for coalbed methane well[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):713－718.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1419

2013－09－30 責任編輯:韓晉平

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05062－004);國家自然科學基金資助項目(51174224);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金資助項目(13CX06078A)

劉 冰(1982—),男,山東青島人,博士研究生。Tel:0532－86983310,E－mail:liubing5195@163.com