超音速霧化排水采氣研究

焦崢輝，劉建平，趙　穩(wěn)（西安石油大學(xué)，陜西西安　710065）

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超音速霧化排水采氣研究

焦崢輝，劉建平，趙穩(wěn)
（西安石油大學(xué)，陜西西安710065）

摘要：氣井排水采氣普遍受到井底積液的影響，特別是對于低產(chǎn)量井，清除井底積液已經(jīng)成為采氣行業(yè)的一大難題，因此急需開發(fā)出能適應(yīng)于低產(chǎn)量井的排水工藝及技術(shù)。本文針對現(xiàn)有的排水采氣技術(shù)進(jìn)行調(diào)研并做出總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出超音速霧化排水采氣方法；闡述了拉伐爾噴管產(chǎn)生超音速和高速破碎機(jī)理；最后進(jìn)行實(shí)驗研究，通過實(shí)驗可知霧化是一種可行的排水采氣方法，但是溫度對霧化效果的影響較大。

關(guān)鍵詞：超音速；霧化；排水采氣

在天然氣開采過程中，隨著開采時間的增加，氣井的壓力和產(chǎn)量均會有不同程度的降低，從而導(dǎo)致天然氣的攜液能力降低，致使氣藏中的產(chǎn)出水或凝析液不能隨天然氣流攜帶出地面，滯留在井底。這些液體在一段時間內(nèi)聚集于井底，形成液柱，對氣層造成額外的靜水回壓，氣井產(chǎn)量降低，逐漸變?yōu)殚g歇井，如果這種情況持續(xù)下去，井筒中聚集的液柱會將氣體壓死，導(dǎo)致氣井停產(chǎn)。因此，需要采取措施將井底積液舉升到地面，減小井底壓力，保證正常生產(chǎn)。

1　國內(nèi)外排水采氣技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)氣田現(xiàn)階段排水采氣工藝主要有下述幾種方法：優(yōu)選管柱排水采氣、泡沫排水采氣、氣舉排水采氣、柱塞氣舉排水采氣、機(jī)抽排水采氣、電動潛油泵排水采氣、射流泵排水采氣[1-3]。

針對氣井積液問題，國外也進(jìn)行了大量的理論研究與現(xiàn)場應(yīng)用研究，目前，國外氣田所采用的排水采氣工藝的方法主要有：天然氣連續(xù)循環(huán)采氣工藝、超聲波霧化技術(shù)、氣舉排水采氣、電潛泵倒置排水采氣、同心毛細(xì)管技術(shù)等等[4，5]。

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性導(dǎo)致各單井的生產(chǎn)條件各不相同，上面提到的各種排水采氣工藝及技術(shù)不能滿足所有單井的生產(chǎn)條件，所以隨著油氣田的開發(fā)，新的排水采氣工具、工藝及技術(shù)急待研發(fā)以適應(yīng)新的工作需要。近年來，國內(nèi)外石油科技工作者針對現(xiàn)有積液氣井排水采氣工藝的不足和缺陷，通過多年努力研制開發(fā)出了一系列新的工藝，如：超音速霧化排水采氣、氣體加速泵技術(shù)、單管球塞連續(xù)氣舉工藝、分體式柱塞氣舉等。

關(guān)于超音速霧化排水采氣技術(shù)在國外還沒有查到相關(guān)文獻(xiàn)，國內(nèi)在這方面的研究剛剛開始。2014年長慶油田在這方面做了初步的理論研究與實(shí)驗研究，此次研究基本思想是對常規(guī)節(jié)流器噴嘴進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，用相同氣嘴直徑的音速霧化節(jié)流器替換正常節(jié)流器。其主要研究內(nèi)容包括：音速噴管霧化原理、噴管內(nèi)超聲速流的數(shù)值模擬、霧化效果分析以及現(xiàn)場試驗。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗證明液體霧化后，氣液兩相混合物平均密度降低，氣井井筒內(nèi)壓力降損失降低，易于將液體排出，使得天然氣產(chǎn)量穩(wěn)定。這是非常有效的排水采氣新方法和新技術(shù)，特別適用于低產(chǎn)天然氣井的排水[6]。

2　霧化機(jī)理

實(shí)現(xiàn)超音速的核心部件是拉伐爾噴管，目前拉伐爾噴管普遍應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、火箭等設(shè)備上以實(shí)現(xiàn)超音速飛行，而霧化主要應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的燃油噴射方面，該技術(shù)可以把燃油霧化成幾十微米的細(xì)油滴，從而改善發(fā)動機(jī)的燃燒特性和排放特性，這兩方面的理論及技術(shù)在各自的領(lǐng)域都已經(jīng)很成熟（見圖1）。

圖1　拉伐爾噴管結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1可以看出拉伐爾管由收縮段、喉管和擴(kuò)張段三部分組成。根據(jù)速度隨通道截面積的變化關(guān)系式可知：

（1）亞聲速氣流（Ma<1），此時dA與dv異號，即通道截面積沿程減小，速度將沿程增大；通道截面積沿程增大，速度將沿程減小。

（2）超聲速氣流（Ma>1），此時dA與dv同號，即通道截面積沿程減小，速度將沿程減?。煌ǖ澜孛娣e沿程增大，速度將沿程增大。

（3）聲速氣流（Ma=1），此時dA=0，說明聲速只能在管道的最大或最小斷面處。經(jīng)分析知音速流動只可能出現(xiàn)在最小斷面處。

由上面的討論可知，要想得到超聲速氣流，必須使亞聲速氣流先經(jīng)過收縮噴管加速，使其在最小斷面處達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀伲俳?jīng)擴(kuò)張管道繼續(xù)加速，才能得到超音速氣流[7]。

圖2　高速油滴破碎機(jī)理圖

高速油滴破碎機(jī)理圖（見圖2），油滴從與氣流垂直的方向進(jìn)入高速氣流，球形油滴在垂直方向氣流的作用下變成扁平形，然后在Rayleigh-Taylor（RT）不穩(wěn)定表面波作用下加速油滴扁平化，并分裂出一些大尺寸碎片，然后在更短波長的Kelvin-Helmboltz（KH）不穩(wěn)定表面波作用下把大尺度碎片割成絲狀，然后生產(chǎn)更細(xì)的油滴[8]。

3　實(shí)驗研究

該工藝的基本思想是利用拉伐爾噴管的加速性能將天然氣加速到音速或者超音速，一方面是利用高速氣體對進(jìn)入噴管出口處的液體進(jìn)行剪切，將液體破碎成小水珠；另一方面是由于噴管出口處的壓力降低甚至成為負(fù)壓，加之井底的溫度較高，使液體汽化。在這兩種方法的配合下液體被霧化或汽化，被霧化的液滴直徑小于平衡態(tài)時的臨界液滴直徑，天然氣依靠自身動能就可以將液滴帶出井口，如果被汽化，則和天然氣均勻混合而排出井口。該技術(shù)目前處于可行性研究階段，做了大量霧化試驗，試驗照片（見圖3）

圖3　超音速霧化效果圖

3.1試驗數(shù)據(jù)（見表1）

3.2實(shí)驗過程及結(jié)論

第一次試驗，把霧化器安裝在油管下端，開始階段完全霧化，水霧從油管上端噴出，隨著時間的推移，油管上端有水珠噴出且水珠逐漸增大，試驗進(jìn)行到10 min時油管下端和霧化器連接處有水流出，停止試驗，經(jīng)測量水箱水量減少了0.6 kg，從油管內(nèi)流出0.4 kg，則從油管上端排出0.2 kg。分析第一次試驗的結(jié)果，可能是由于噴嘴直徑大，霧化后的水珠直徑較大，接觸油管之后更容易凝結(jié)，所以更換較小直徑的噴嘴進(jìn)行試驗，把第一級噴嘴由原來的3.1 mm更換為2.1 mm，把第二級噴嘴由原來的4.5 mm更換為3.1 mm，其他條件不變進(jìn)行試驗，此次試驗不連接油管直接測量霧化量，霧化效果較差。隨后進(jìn)行第三次試驗，此次試驗以霧化效果為目標(biāo)，暫時不考慮霧化量，實(shí)施方案是降低泵入霧化器液體的流量，通過降低泵入壓力實(shí)現(xiàn)，壓力由原來的0.3 MPa降低到0.2 MPa，不連接油管進(jìn)行試驗，霧化效果良好。于是進(jìn)行第四次試驗，把霧化器連接在油管上試驗，試驗到1 min時有水從油管下端流出，試驗停止。

經(jīng)過多次試驗證明，完全霧化時將霧化器接入油管下端試驗，水霧會在油管壁上凝結(jié)，然后沿著油管流下來。經(jīng)分析可知，水霧凝結(jié)的主要原因是試驗環(huán)境溫度較低，當(dāng)時實(shí)驗的環(huán)境溫度為6℃～8℃，且由于油管為金屬材料，散熱較快，霧化后的水汽由于接觸油管后內(nèi)能突然降低而凝結(jié)。

表1　試驗數(shù)據(jù)

4　總結(jié)

從國內(nèi)外眾多的排水采氣技術(shù)中可以看到：各種技術(shù)各有長處，針對不同氣井的工作條件采用不同的排液方法。也可以看到大多數(shù)的研究都是按著這樣的方向去努力；就是降低天然氣和水的混合物密度，增加天然氣在通道內(nèi)流速，使得天然氣在流動過程中依靠自身能量就能夠攜帶出水來。按照這個方向去研究氣井排水采氣問題，可以研究出適合單井氣井排液的最佳方法和技術(shù)。

拉伐爾噴管普遍應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、火箭等設(shè)備上以實(shí)現(xiàn)超音速飛行，而霧化主要應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的燃油噴射方面，該技術(shù)可以把燃油霧化成幾十微米的細(xì)油滴，從而改善發(fā)動機(jī)的燃燒特性和排放特性，這兩方面的理論及技術(shù)在各自的領(lǐng)域都已經(jīng)很成熟。只要借鑒成熟的技術(shù)再結(jié)合氣井生產(chǎn)的實(shí)際情況就可以做出一個符合實(shí)際生產(chǎn)的霧化排水采氣裝置。

參考文獻(xiàn)：

［1］春蘭，魏文興.國內(nèi)外排水采氣工藝現(xiàn)狀［J］.吐哈油氣，2004，（3）:255-261.

［2］周際永，伊向藝，盧淵.國內(nèi)外排水采氣工藝綜述［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2005，36（S1）：44-46.

［3］張書平，白曉弘，樊蓮蓮，等.低壓低產(chǎn)氣井排水采氣工藝技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（4）:106-109.

［4］黃艷，佘朝毅，鐘曉瑜，等.國外排水采氣工藝技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.鉆采工藝，2005，28（4）:57-60.

［5］何橋松，陳婕，李蔣軍，等.國外排水采氣新工藝綜述［J］.內(nèi)江科技，2012，（4）:54+65.

［6］曹朋亮，等.音速霧化節(jié)流器排水技術(shù)探討［C］.第十屆寧夏青年科學(xué)家論壇石化專題論壇，2014.

［7］嚴(yán)敬.工程流體力學(xué)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2007：232-233.

［8］蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001：427.

華北石化公用工程運(yùn)行部解決聚丙烯原料含水難題

3月2日，華北石化公用工程運(yùn)行部組織管理和技術(shù)人員對新改造的丙烯預(yù)精制固堿塔脫水效果進(jìn)行了初步評價。評價結(jié)果認(rèn)為，經(jīng)過兩周的運(yùn)行，聚丙烯原料預(yù)精制固堿脫水系統(tǒng)效果良好。

華北石化聚丙烯裝置于2015年11月復(fù)產(chǎn)以來，受原料質(zhì)量等因素影響，存在聚合反應(yīng)弱、劑耗能耗增多的問題。聚合反應(yīng)弱導(dǎo)致了大量聚丙烯細(xì)粉的產(chǎn)生，易造成回收單元下料不暢等不良后果，嚴(yán)重時可能造成裝置停工。由于原料質(zhì)量差，裝置復(fù)產(chǎn)后一直無法進(jìn)行聚丙烯專用料的生產(chǎn)。

針對這一問題，公用工程運(yùn)行部組織力量開展了專項技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)過仔細(xì)調(diào)研和論證，提出了將預(yù)精制脫硫反應(yīng)器D0203A中的脫硫劑更換成固堿的技術(shù)改造方案，在增強(qiáng)丙烯脫水效果的同時脫除丙烯原料中的二氧化碳、硫化物等物質(zhì)，從而達(dá)到改善原料質(zhì)量、增加裝置耐水沖擊能力的目的。運(yùn)行部2016年1月開始組織D0203A卸劑，換裝11.4 t固堿，同時結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行了改造。目前，聚丙烯成品加工性能正在進(jìn)一步評價，裝置已于2月底順利進(jìn)行專用料LI28F的轉(zhuǎn)產(chǎn)工作，下一步準(zhǔn)備試產(chǎn)華北石化公司專利產(chǎn)品CPP膜料HB-01M。

（摘自中國石油報第6545期）

*收稿日期：2016－01-11

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.014

中圖分類號：TE375

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）03-0054-03