酸性氣田CO2二級射流泵排水采氣工藝模擬研究

孫天禮，梁中紅，朱 國，鐘海全,王 宇,何同均

(1.中國石化西南油氣分公司 采氣二廠，四川 閬中 637455；2. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；3.中國石油西南油氣田分公司 工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300;4.中國石油西南油氣田分公司 蜀南氣礦，四川 瀘州 646001)

在氣田開發(fā)過程中，隨著壓力和溫度的降低，井筒中常會滯留一些水或凝析液而形成“氣井積液”[1]，通常需采取排水采氣[2]措施才能恢復(fù)氣井生產(chǎn)。射流泵因為結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高、維護方便等優(yōu)點，成為積液氣井排液采氣的常用措施之一。雖然學(xué)者針對常規(guī)射流泵[3-8]開展了廣泛的研究，CO2氣井排液采氣工藝也在大慶油田開展了現(xiàn)場實驗，并取得了成功，但對于二級射流泵及CO2作為動力液的研究還未見報道。本文立足于一級射流泵的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了二級射流泵。通過與常規(guī)動力液對比，提出采用CO2作為動力液。通過Fluent軟件對一級和二級射流泵進行水和超臨界CO2[9-11]數(shù)值模擬對比，優(yōu)化設(shè)計了最佳參數(shù)的二級射流泵。為產(chǎn)水氣田，尤其是酸性氣田排水采氣或油氣井酸化后工作液的返排提供了新的工藝方案。

1 動力液的選擇

動力液[12]的選擇對于射流泵排液采氣工藝技術(shù)尤為重要。合理的動力液既可以降低能量損失，又可以降低動力液的注入壓力和井筒壓力損失，還可以降低成本，提高經(jīng)濟效益。通過對比天然氣、氮氣、二氧化碳作為動力液的性能，二氧化碳易實現(xiàn)超臨界態(tài)，由井底流壓的計算可知，相同情況下注入二氧化碳得到的井底流壓最大，可以達到降低注入壓力的目的。

二氧化碳處于超臨界狀態(tài)時具有密度高、黏度低、與井液能量交換率高等優(yōu)點[13-15]。與常規(guī)的水做動力液相比，注入二氧化碳可以降低井筒內(nèi)混合流體的密度，有利于舉升。混合流體在通過射流泵后，壓力不斷降低，二氧化碳由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)變[16]，相當于氣舉舉升。因此，選擇二氧化碳作為動力液可最大程度實現(xiàn)氣舉與射流泵的組合排液，尤其適合酸性氣田排水采氣，或油氣井酸化后工作液的返排。

2 二級射流泵模型

2.1 射流泵結(jié)構(gòu)

常規(guī)的單級射流泵在較低的吸入壓力條件下易產(chǎn)生氣蝕，同時會因射流作用易受到流體的磨損和沖擊，影響射流泵的排液量和壽命[17-18]。常規(guī)的井下雙級射流泵也只是將2個單級射流泵串聯(lián)而成，施工難度大，排液量雖有提高，但排液效率較低，且不能有效降低氣蝕現(xiàn)象。為了克服以上的不足，在一級射流泵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了一種新型二級射流泵，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—套管；2—油管；3—動力液入口；4—一級噴嘴；5—一級混合室；6—一級喉管； 7—二級噴嘴；8—二級混合室；9—二級喉管；10—擴散管；11—混合液出口；12—地層液入口；13—混合液排出通道；14—地層液通道；15—二級地層液通道；16—一級地層液通道。

在第1級泵中，動力液從第1級噴嘴噴出，與進入第1級混合室的吸入液進行混合，動力液壓能轉(zhuǎn)換成動能，混合液經(jīng)過第1級喉管作為第2級泵的動力液從第2級噴嘴噴出， 與進入第2級混合室的吸入液再次混合，動力液壓能再次轉(zhuǎn)換成動能，在第2級喉管內(nèi)再次充分混合并進行動量交換，最后進入擴散管，將動能轉(zhuǎn)變成壓能，以達到排出混合液的目的。這種新型二級射流泵有以下優(yōu)點：

1) 增大了吸入口壓力，降低流體的磨損和沖擊以及氣蝕的發(fā)生。

2) 增大了混合比，提高了排液能力。

3) 1次注入動力液，能量2次循環(huán)利用，結(jié)構(gòu)緊湊，一體化程度高，操作簡單，易于施工。

2.2 計算域網(wǎng)絡(luò)劃分

定義二級射流泵的尺寸比例為第1級泵(較小的一級泵)與第2級泵(較大的一級泵)的相應(yīng)尺寸的比例。設(shè)定二級射流泵的第2級泵結(jié)構(gòu)為一級射流泵的結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化第2級泵的結(jié)構(gòu)來對二級射流泵的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。利用Gambit軟件對一級射流泵和二級射流泵進行建模，二維網(wǎng)格圖如圖3～4所示。

圖3 一級射流泵二維網(wǎng)格圖

圖4 二級射流泵二維網(wǎng)格圖

采用標準的k-ε湍流模型與標準的函數(shù)法，模型求解器選擇壓力基、顯式、定常流。兩相流模型選擇混合物模型。流體材料選擇水和CO2，吸入液入口選擇水相，動力液入口選擇CO2相。入口使用速度邊界，動力液入口速度v1=150 m/s，吸入液入口速度v3=20 m/s，混合液出口使用壓力邊界，其壓力為12 MPa。壓力速度耦合求解方式選擇最普遍的SIMPLE法。

3 計算結(jié)果分析

在同一速度和壓力邊界條件下，建立對稱軸，分別對一級射流泵和二級射流泵做超臨界狀態(tài)的CO2和水的兩相流Fluent數(shù)值模擬分析，計算結(jié)果如表1，然后根據(jù)所得數(shù)據(jù)或者云圖對一級射流泵和二級射流泵的各重要指標進行比較和分析。

表1 計算結(jié)果

3.1 混合比

通常，射流泵的混合比[19-20]可取值0.1～0.8?；旌媳冗^低，吸入口較小，吸入壓力低，使得流體流動不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致斷流現(xiàn)象。混合比q是指吸入液入口體積流量與動力液入口體積流量的比值，是評價射流泵性能的重要參數(shù)。由定義可得混合比的公式為：

(1)

式中：ρ1、ρ3分別為動力液入口的動力液密度、吸入液入口的吸入液密度，kg/m3。

由式(1)及表1可得：二級射流泵的混合比值為0.307 6，一級射流泵的混合比值為0.235 7； 二級射流泵的混合比值較一級射流泵的混合比值大。

兩相流流場數(shù)值模擬中，一級射流泵和二級射流泵密度云圖如圖5所示。可知，從混合室區(qū)域開始，二級射流泵的混合密度較小，混合程度更大，流體混合更充分，導(dǎo)致二級射流泵混合比增大，使得流量更穩(wěn)定，不易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。

圖5 密度云圖(kg/m3)

3.2 壓力分布

一級射流泵和二級射流泵的壓力分布如圖6所示。由圖6可知，二級射流泵的低壓范圍要比一級射流泵的大得多。一級射流泵只有1次噴射過程，整個過程的壓力變化單一，動力液和吸入液在低壓區(qū)吸入室混合后，在喉管中的低壓區(qū)范圍比二級射流泵兩級喉管的低壓區(qū)范圍大，表明一級射流泵的混合液在喉管中的壓力恢復(fù)速度較慢，時間較長。

圖6 壓力分布(Pa)

如果射流泵排出口采用自由流動邊界條件，通過數(shù)值模擬計算，二級射流泵排出壓力較大。排出壓力越大，井液被排出地面越容易，排液能力越強，因此二級射流泵比一級射流泵的排液潛力更大。

由一級射流泵和二級射流泵的壓力沿對稱軸變化曲線(如圖7)可知：二級射流泵經(jīng)過噴嘴噴射流體的降壓增速過程后，降到的最低壓力比一級射流泵降到的最低壓力要高；二級射流泵兩次噴射過程中降到的最低壓力基本相等。一級射流泵動力液入口壓力高于二級射流泵的入口壓力；在二級射流泵的第2級喉管中的壓力均大于一級射流泵的喉管壓力。

圖7 壓力沿對稱軸變化

3.3 速度分布

一級射流泵和二級射流泵的速度分布如圖8所示。

圖8 速度分布(m/s)

由圖8可知，高速工作液進入吸入室后，一級射流泵和二級射流泵的噴嘴出口均有明顯加速的現(xiàn)象，但是二級射流泵有著單級泵不可比擬的2次加速過程，區(qū)別在于二級射流泵多了1個加速第1級吸入液的過程。

二級射流泵的混合流體通過噴嘴噴出并降壓增速后，達到的最大速度比一級射流泵?。灰患壣淞鞅煤砉芑旌弦核俣鹊南陆德蔬h大于二級射流泵；在擴散管中，二級射流泵的速度下降大，動能轉(zhuǎn)換為壓能的效率更高。

3.4 效率分析

按不同尺寸的二級射流泵確定二級射流泵尺寸比，并根據(jù)射流泵效率定義[6]計算不同尺寸二級射流泵效率，得到二級射流泵尺寸比與效率的關(guān)系如圖9所示。

圖9 二級射流泵尺寸比與效率關(guān)系

由圖 9可知，隨著尺寸比例的增大，二級射流泵效率先增大后減小。當尺寸比在0.56～0.64 時，效率處于較高值，此結(jié)構(gòu)組合為最佳，其效率可達50%。

4 結(jié)論

1) 基于常規(guī)射流泵的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了新型二級射流泵。通過Fluent數(shù)值模擬，對二級射流泵的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化與效率計算。二級射流泵尺寸比在0.56～0.64時，其效率較高，可達50%。

2) 通過天然氣、氮氣、二氧化碳性能的對比，利用二氧化碳處于超臨界狀態(tài)時具有密度高、黏度低、與井液能量交換率高的優(yōu)點，提出用二氧化碳代替常規(guī)動力液的方案。

3) 通過對一級射流泵和二級射流泵做水和超臨界CO2的兩相流數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：二級射流泵的混合比大于一級射流泵，流體混合更充分，流量更穩(wěn)定，不易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象；二級射流泵的排液動力更大，二級射流泵的兩級噴嘴之間的速度得到提升，且有利于提高排出效率。