東勝氣田氣體射流泵排采工藝的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

Zhou Ruili，Luo Yi，Qiao Qianyu，et al.Design andapplicationof fluid pump drainage gas recovery technology in Dongsheng gas field[J].China PetroleumMachinery，2025，53（7）：122-128.

Design and Application of Fluid Pump Drainage Gas Recovery Technology in Dongsheng Gas Field

Zhou Ruili Luo YiQiao QianyuWu Weiran Yang FeishanZhao Rundong Xue Zhaoyang （SinopecNorthChinaPetroleumCompany;SinopecKeyLaboratoryforExplorationandDevelopmentofDepCoalbedMethane

Abstract：To effectively addressthe bottleneck problems of high injection pressure and high energy consumptionof hydraulic jetpump technology，it is urgentto improve andoptimize the drainage gas recovery technologyof high water-production gas wells.First，based on the design principle of Venturi efect，the fluid pump technology using gas as jet medium was adopted to eficiently activate the production capacityof mediumand low-pressure high water production gas wellsand improve the technologyadaptability.Second，Well Q1 was selected toconductapplication evaluation offluid pump technology.The study results show that the fluid pump technology only needs 5- 7 MPa pressure to realize normal cleanup，the production time rate is up to 98.4 4% ，the liquid withdrawal capacity is18.42 times higher than thatof single well rotative gas lift technology，and thedailyliquidflowrate is 13.1 times higherthan thatof theelectric valve intermitentopening technology.Inaddition，itdoes notneed the assistance of foam-aided drainage gas recovery technology. Compared with the jet pump technology，the pump pressure is only 20.6%-32 3% of the jet pump，and the daily average power consumption is only 34. 6% - 75. 3% of the jet pump，fully verifying the effectivenessoflow pressure andlow energy consumption work of the fluid pump，and successfullysolving the problem of high injection pressure and high energyconsumption of hydraulic jetpump.The study results areof great significance for realizing continuous liquid-carrying gas production of gas wells and efficiently activating the production capacity of high water-production gas wells.

Keywords： Dongsheng gas field； fluid pump; drainage gas recovery; device design；application evaluation high water-production gas well

0 引言

鄂爾多斯盆地東勝氣田是國內(nèi)已開發(fā)的水氣比最高的致密高含水氣藏，水氣比大于 10m³/10⁴m³ 的高產(chǎn)水區(qū)塊儲(chǔ)量規(guī)模近千億 。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于油管內(nèi)氣液兩相滑脫，高產(chǎn)水氣井極易產(chǎn)生井筒積液水淹的問題。傳統(tǒng)的優(yōu)選管柱、泡沫排水、機(jī)抽排水、電潛泵排水及氣舉排水等排水采氣工藝復(fù)產(chǎn)難度大、穩(wěn)產(chǎn)周期短、投資成本高，均存在其使用條件的局限性，應(yīng)用效果不佳[3-5]。射流泵是利用文丘里效應(yīng)將注入井內(nèi)的高壓動(dòng)力液的能量傳遞給井下油、氣層產(chǎn)出液的水力排采設(shè)備，可通過調(diào)整自身結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿足不同工況參數(shù)條件下的排水采氣作業(yè)；目前已規(guī)模應(yīng)用于東勝氣田盤活高產(chǎn)水氣井產(chǎn)能，但其注入壓力高、能耗高的瓶頸問題使得應(yīng)用效果有待提高，亟需進(jìn)行工藝優(yōu)化[6-8]

為了降低水力射流泵工藝注入壓力、節(jié)約能耗，提升高產(chǎn)水氣井舉升效率，實(shí)現(xiàn)氣井連續(xù)攜液采氣、釋放儲(chǔ)層產(chǎn)能，開展了天然氣氣體射流泵排水采氣工藝試驗(yàn)。利用天然氣作為射流介質(zhì)，深入研究氣體射流泵結(jié)構(gòu)，并選取東勝氣田高產(chǎn)水氣井Q1井進(jìn)行工藝應(yīng)用試驗(yàn)，不斷摸索規(guī)律、優(yōu)化參數(shù)、調(diào)整工作制度，從而解決水力射流泵工藝注入壓力高、高能耗的核心問題，以期為后續(xù)氣體射流泵工藝的現(xiàn)場應(yīng)用提供指導(dǎo)意見，同時(shí)進(jìn)一步高效盤活中低壓高產(chǎn)水氣井產(chǎn)能。

1技術(shù)分析

1.1 工作原理

在高產(chǎn)水氣井實(shí)際生產(chǎn)中，由于氣液滑脫液體不斷在井中堆集，當(dāng)液柱壓力接近地層壓力時(shí)地層停止產(chǎn)氣，氣井出現(xiàn)水淹。若能合理克服氣液滑脫，使氣液始終分段向上移動(dòng)，隨著氣體體積的不斷膨脹，即可實(shí)現(xiàn)快速自主排液。

氣體射流泵與水力射流泵均基于文丘里原理設(shè)計(jì)[9-]，其區(qū)別是氣體射流泵動(dòng)力介質(zhì)為氣體。通過壓縮機(jī)將高壓天然氣注入油套環(huán)空內(nèi)，氣體把油套環(huán)空中的液體推送至油管內(nèi)，經(jīng)氣體射流泵噴嘴向上噴射推舉液柱；通過氣舉閥降低液柱壓力，實(shí)現(xiàn)分段排液，使井內(nèi)液體從油管排出，完成氣井首次排液激活。激活后，井筒基本處于“空”的狀態(tài)，地層壓力得到釋放。當(dāng)氣體射流泵進(jìn)入日常工作狀態(tài)時(shí)，地層氣液在壓力差的作用下進(jìn)入氣體射流泵，不斷被氣體射流泵向上噴出，且壓力互不干擾。根據(jù)文丘里效應(yīng)，受限流體通過縮小的過流斷面時(shí)，流體流速增大，在高速流動(dòng)的流體附近會(huì)產(chǎn)生低壓區(qū)，從而對地層流體產(chǎn)生吸附作用，抽吸地層液體進(jìn)入喉管；另一方面，擴(kuò)散管直徑擴(kuò)大使得壓力降低，便于噴出的氣體向上推舉液體上升。氣體射流泵的噴嘴與喉管、擴(kuò)散管相互配合，從而達(dá)到快速排液的目的。

1.2氣體射流泵與水力射流泵的對比分析

氣體射流泵與水力射流泵的對比分析[2]如表1所示。由表1可知，不同于以水為介質(zhì)的水力射流泵，氣體射流泵的射流介質(zhì)為具有可壓縮性的氣體，氣體射流泵環(huán)空返出液為氣體和地層水的混合流體，通過氣攜液經(jīng)由環(huán)空排出；當(dāng)環(huán)空中氣體流速達(dá)到臨界攜液流速時(shí)，能夠持續(xù)穩(wěn)定地?cái)y液并將吸入的地層液排出。而水力射流泵返出液為同一種流體，在環(huán)空返出通道中的壓差下可以穩(wěn)定流動(dòng)，但由于流體為水，密度較大，所需注入壓力及能耗均高于氣體射流泵[12-13]

表1氣體射流體泵與水力射流泵對比分析

2 氣體射流泵的設(shè)計(jì)研究

2.1 工作壓力的確定

為準(zhǔn)確表明流體中液體所占的體積比，將垂直管道中液體與總流體的比值定義為持液率 y_L^c 當(dāng)持液率 y_Llt;0.1 時(shí)，管柱內(nèi)的氣液兩相流可以按照霧狀流計(jì)算處理，霧狀流在垂直管中不存在滑脫現(xiàn)象。 y_L 和流體體積流量 Q 的計(jì)算式為：

式中： V₁ 為油管中液體的體積， m³ . V_g 為油管中氣體的體積， m³ ； Q 為流體的體積流量， m³/min ； C 為流出系數(shù)； β 為直徑比； ε 為介質(zhì)可膨脹性系數(shù)，對于液體 ε=1 ，對于氣體等可壓縮流體 εlt;1 ； d 為孔徑， m ; Δp 為壓差， Pa ： ρ₁ 為工作狀況下節(jié)流件上游處流體的密度， kg/m³ 。

假設(shè)該井每天出液 60m³ ，平均出液0.042m³/min ，則進(jìn)入油管的氣體流量為 2.3～5.0m³/min 中 5MPa） ；若進(jìn)入油管的持液率為 0.018～0.0084 油管長度 3000m ，則液體在油管中的累計(jì)高度為45.6～21.0m 。因此在氣井首次排液后，最低使用5MPa 工作壓力的設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)長期排水采氣。

2.2 噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣體射流泵噴嘴結(jié)構(gòu)自下而上由剪切銷釘、錐形卡簧、噴嘴、喉管、打撈槽和擴(kuò)散管等組成（見圖1）。打撈時(shí)使用四爪打撈器進(jìn)行打撈，采用可更換噴嘴，通過取出噴嘴總成，在地面更換不同的噴嘴實(shí)現(xiàn)更合理的噴喉比。

2.3噴嘴參數(shù)的設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步明確噴嘴參數(shù)，選用FLUENT軟件對氣液兩相流經(jīng)超音速噴管的過程進(jìn)行流場數(shù)值仿真。流場選擇定常穩(wěn)定模型，求解器采用耦合隱式模型，湍流模型選擇 k-ε 模型，并采用SIMPLE方法進(jìn)行求解；多相流選擇VOF模型，輸出的求解數(shù)據(jù)采用MATLAB進(jìn)行后期處理，模擬流程如圖2所示[14]。圖2中： μ_?1 和 μ₂ 分別為入口處和出口處流體的黏度， ; p₁ 和 p₂ 分別為入口處和出口處流體的壓力， MPa ； T₁ 和 T₂ 分別為入口處和出口處流體的溫度， ^°C ; ρ₁ 和 ρ₂ 分別為入口處和出口處流體的密度， kg/m³ 。在注入壓力 15MPa 、噴嘴 4mm 條件下，軟件模擬了5次噴嘴參數(shù)匹配試驗(yàn)（見表2和圖3）。模擬結(jié)果表明，大直徑喉管的流體噴射效果優(yōu)于小直徑喉管，但差異較小。綜合考慮能耗等因素，選用喉管直徑 15mm ，噴嘴到擴(kuò)散管距離為 6mm 的模擬結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)[15-18]。

考慮在首次排液時(shí)，環(huán)空中的液體會(huì)首先經(jīng)過噴嘴流出，進(jìn)入油管內(nèi)部。從安全施工的角度將噴嘴內(nèi)徑設(shè)計(jì)為 4mm 。為保證喉管的過液能力，需盡量放大噴嘴與喉管的間距，因此將噴嘴外徑設(shè)計(jì)為 7mm ，喉管內(nèi)徑設(shè)計(jì)為 20mm ，最終設(shè)計(jì)的噴嘴總成結(jié)構(gòu)圖見圖4。

施工過程不可控因素較多。為方便后續(xù)施工，采用固定式封隔器，氣體射流泵與封隔器為同一管柱，一趟鉆便可坐封，起井內(nèi)管柱的同時(shí)可以將封隔器解封帶出。

（2）為了避免短節(jié)部分出現(xiàn)脫落，影響氣井生產(chǎn)，原工藝結(jié)構(gòu)采用防滑脫短節(jié)增強(qiáng)管柱安全性。但在實(shí)際生產(chǎn)中，現(xiàn)場從未使用過防滑脫短節(jié)，利用率低，且其 35mm 內(nèi)徑極易影響后續(xù)鋼絲打撈及流壓測試等施工作業(yè)，因此取消使用。

（3）為防止地層出砂堵塞氣體射流泵排液通道，在管柱底部加裝防砂篩管；且為了進(jìn)一步滿足驗(yàn)封需求，將雙孔節(jié)流器改為單向閥。

2.4氣體射流泵工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用過程中，對氣體射流泵工藝進(jìn)行了多次設(shè)計(jì)升級，具體如下。

（1）原始設(shè)計(jì)封隔器使用可插入式封隔器，先下入封隔器坐封，再下人氣體射流泵管柱與封隔器插入連接；插入式封隔器需要單獨(dú)進(jìn)行打撈，

（4）氣體射流泵設(shè)計(jì)下深要在氣層頂部才能更好地發(fā)揮作用。東勝氣田高產(chǎn)水氣井井深約為3500m ，在循環(huán)氣舉油管內(nèi)液體時(shí)，地面設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大的排液壓力，在管柱中加入適當(dāng)數(shù)量的氣舉閥，可以適當(dāng)降低排液壓力。當(dāng)管柱中加入1個(gè)氣舉閥，地面設(shè)備的排液壓力可降至 21.5MPa 左右；加入2個(gè)氣舉閥時(shí)，地面設(shè)備的排液壓力可降至 16MPa 。結(jié)合實(shí)際情況，決定使用1個(gè)氣舉閥。

經(jīng)過不斷迭代提升，最終確定氣體射流泵井下結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1試驗(yàn)前生產(chǎn)情況

東勝氣田Q1井投產(chǎn)于2022年2月22日，試氣無阻流量為 1.7×10⁴m³/d ，試氣評價(jià)為含水氣層，平均水氣比 13.8m³/10⁴m³ 。投產(chǎn)僅半年后使用智能間開工藝進(jìn)入間歇生產(chǎn)階段，壓力與產(chǎn)量均波動(dòng)較大。在此情況下，先后應(yīng)用井口分液、泡排、井口電動(dòng)閥間開、單井循環(huán)氣舉及水力射流泵工藝等措施。2023年2月13日靜壓測試報(bào)告顯示，該井井內(nèi)積液嚴(yán)重。

3.2氣體射流泵工藝運(yùn)行情況

Q1井于2023年11月15日—2024年3月26日進(jìn)行氣體射流泵工藝應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)運(yùn)行共計(jì) 132d 可分為2個(gè)階段，即制度優(yōu)化階段和穩(wěn)定生產(chǎn)階段，其每日生產(chǎn)曲線圖如圖6所示。

3.2.1制度優(yōu)化階段

制度優(yōu)化階段從2023年11月15日開始，到2023年12月14日結(jié)束，共計(jì) 30d 。此階段主要目的為設(shè)定參數(shù)、運(yùn)行觀察、摸索規(guī)律、優(yōu)化參數(shù)及調(diào)整工作制度。初始設(shè)定分離器工作壓力 1.0～ 2.0MPa ，壓縮機(jī)進(jìn)口氣量 400～700m³/h ，套壓控制在 4～7MPa ；觀察每日采氣排液情況，平均油壓 1.58MPa ，平均套壓 10.15MPa ，平均日產(chǎn)氣量3657m³ ，平均日產(chǎn)液量 3.2m³ ，平均時(shí)效為 82% 。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，精細(xì)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，分離器工作壓力若低于 1MPa ，發(fā)電機(jī)易熄火停機(jī)；若高于 2MPa ，則分離器內(nèi)液體易進(jìn)入發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)造成停機(jī)。將分離器工作壓力調(diào)整為 1.0～ 1.5MPa ，壓縮機(jī)進(jìn)口氣量 450～650m³/h ，并不斷摸索氣體射流泵工藝規(guī)律，為下步優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)提供初始依據(jù)。

3.2.2穩(wěn)定生產(chǎn)階段

穩(wěn)定生產(chǎn)階段從2023年12月15日開始，到2024年3月26日結(jié)束，共計(jì) 102d 此階段主要目的為調(diào)整最優(yōu)工作制度、實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理及產(chǎn)能對比。此階段精準(zhǔn)優(yōu)化分離器工作壓力至 1.1～1.2MPa 精準(zhǔn)調(diào)整壓縮機(jī)進(jìn)口氣量 500～600m³/h ，為連續(xù)平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行提供精準(zhǔn)技術(shù)支撐。同時(shí)，對設(shè)備及工藝因素進(jìn)行了全面排查，加強(qiáng)設(shè)備維修保養(yǎng)，分離器排污間隔時(shí)間由 2h 優(yōu)化至 0.5h ；不斷優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，油套壓波動(dòng)范圍較小，保證工藝平穩(wěn)運(yùn)行。

此階段平均油壓 1.53MPa ，平均套壓5. 12MPa 平均日產(chǎn)氣量 2959m³ ，平均日產(chǎn)液量 6.8m³ ，平均時(shí)效為 98.4% 。與初期階段相比，由于地層產(chǎn)能處于緩慢下降趨勢，日產(chǎn)氣量下降 19.1% ，日產(chǎn)液量較初期提高2.1倍，生產(chǎn)時(shí)效提高16. 4% 。

3.3 工藝效果對比評價(jià)

表3對比了Q1井全生命周期排采工藝對比情況。Q1井前期生產(chǎn)采用單井循環(huán)氣舉 + 泡沫排水采氣 + 氮?dú)鈿馀e工藝 + 井口分液工藝，當(dāng)?shù)貙幽芰坎蛔銜r(shí)采用間歇生產(chǎn)模式，平均時(shí)效低于 40% 。采用氣體射流泵工藝后，既實(shí)現(xiàn)了氣井連續(xù)平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行，又優(yōu)化調(diào)整了分離器排液制度，平均時(shí)效高達(dá) 98.4% ，較電動(dòng)閥間開工藝提高了4.1倍，較單井循環(huán)氣舉工藝提高了1.47倍。在氣體射流泵試驗(yàn)階段，平均日產(chǎn)液量 6.8m³ ，較前期單井循環(huán)氣舉工藝日產(chǎn)液量提高了18.42倍，較電動(dòng)閥間開工藝日產(chǎn)液量提高了13.1倍，且無需泡沫排水采氣工藝輔助，充分說明氣體射流泵工藝連續(xù)排液速度明顯優(yōu)于地層排液速度。

3.4性能評價(jià)

根據(jù)試驗(yàn)期間數(shù)據(jù)分析，選取6口水力射流泵氣井（S1＼～S6）與氣體射流泵氣井Q1進(jìn)行性能對比，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：水力射流泵泵壓為 16.4～25.7MPa ，氣體射流泵泵壓為 5.3MPa ，氣體射流泵泵壓僅為水力射流泵的 20.6%～32.3% 水力射流泵日耗電量為 1063～2314kW?h ，氣體射流泵日耗電量為 800kW?h ，氣體射流泵耗電量僅為水力射流泵的 34.6%～75.3% 。充分驗(yàn)證了氣體射流泵低壓、低能耗工作的有效性，成功解決了水力射流泵注入壓力高、能耗高的問題。

4結(jié)論

（1）針對水力射流泵工藝注入壓力高、能耗大的瓶頸問題，依托文丘里設(shè)計(jì)原理，對氣體射流泵開展研究，進(jìn)一步提高對東勝氣田高產(chǎn)水氣井的適應(yīng)性。

（2）通過對氣體射流泵工藝開展技術(shù)分析，從噴嘴設(shè)計(jì)、注入壓力設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對Q1試驗(yàn)井進(jìn)行迭代優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明：氣體射流泵工藝對高產(chǎn)水氣井具有很好的排液效果，穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)率高達(dá) 98.4% ，較前期電動(dòng)閥間開工藝提高了4.1倍，較單井循環(huán)氣舉工藝提高了1.47倍。

（3）氣體射流泵工藝僅需 5～7MPa 壓力即可正常運(yùn)行排液，泵壓僅為水力射流泵的 20.6%～

32.3% ，日均耗電量僅為水力射流泵的 34.6%. ）75.3% ，充分驗(yàn)證了氣體射流泵低壓、低能耗工作的有效性，成功解決了水力射流泵注入壓力高、能耗高的問題，在中低產(chǎn)氣井中也可廣泛應(yīng)用。

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第一

作者簡介：周瑞立，副研究員，生于1982年，2010年畢業(yè)于成都理工大學(xué)油氣田開發(fā)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事致密低滲氣藏采氣工藝技術(shù)研究工作。地址：（450006）河南省鄭州市。電話：（0371）68615762。email：zhouruili1982@163.com。通信作者：喬倩瑜，助理研究員。email：17602918799@163.com。

收稿日期：2024-06-26 修改稿收到日期：2024-10-09（本文編輯任武）