喉嘴距對噴射引流器性能影響試驗研究

王秀會，趙軍友，左 鵬，王少波，劉祥猛，萬法偉，傅建偉，張蕊蕊

（1.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營 257094）

喉嘴距對噴射引流器性能影響試驗研究

王秀會1，趙軍友1，左 鵬1，王少波2，劉祥猛1，萬法偉1，傅建偉1，張蕊蕊1

（1.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營 257094）

噴射引流器已應(yīng)用于套管氣的回收系統(tǒng)中，喉嘴距是影響噴射引流效率的關(guān)鍵因素之一。考慮油井工況，研制了喉嘴距可調(diào)的噴射引流器。模擬套管氣回收工況進(jìn)行室內(nèi)試驗，研究背壓、負(fù)壓、射前流量、射后流量及引射流量與喉嘴距長短的關(guān)系。結(jié)果表明：喉嘴距對噴射引流的性能產(chǎn)生重要影響。存在1個最合適的喉嘴距，使噴射引流器的效率達(dá)到最高。

噴射引流器；喉嘴距；性能；試驗

在20世紀(jì)30～40年代，噴射引流器技術(shù)已開始在水利、電力、冶金等領(lǐng)域應(yīng)用［1］。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，噴射引流技術(shù)在氣井排水、除砂方面也發(fā)揮了重要作用［2-10］。在原油生產(chǎn)中，油藏流體在井筒內(nèi)流動，隨著流體流動壓力的降低，原油中的溶解氣分離，進(jìn)入到油套環(huán)形空間，所形成的分離氣為套管氣［11］，需要定期釋放套管氣以減小氣體對抽油泵的影響。受技術(shù)發(fā)展的制約，傳統(tǒng)的解決措施是將套管氣直接排放到大氣中或燃燒掉，既浪費能源，又污染環(huán)境，而且還存在安全隱患［12-13］。在分析了目前國內(nèi)油田在套管氣回收、管控方面主要采取的措施后，提出利用噴射引流器來回收套管氣的方案，即利用開采出的原油流經(jīng)噴射引流器產(chǎn)生的負(fù)壓吸收常壓下的套管氣，并混合后沿輸油管干線輸送，達(dá)到回收套管氣的目的。

1 噴射引流原理

噴射引流器是利用射流紊動擴(kuò)散作用，來傳遞能量和質(zhì)量的流體機(jī)械和混合反應(yīng)設(shè)備，它由噴嘴、喉管、吸入室及擴(kuò)散管等部件組成。它的工作原理是：工作流體通過噴嘴射出，在噴嘴口處由于射流邊界層的紊動擴(kuò)散作用，與周圍引射流體發(fā)生能量交換，形成一股壓力居中的混合流體，工作流體和引射流體進(jìn)行速度的均衡。工作流體的壓力降低，提高引射流體的壓力，不直接消耗機(jī)械能是噴射器最主要的性質(zhì)［14］。

2 噴射引流器結(jié)構(gòu)

噴射引流器主要有噴嘴、喉管、擴(kuò)散管及支撐部分組成，如圖1。噴嘴是噴射引流器中最重要最基本的結(jié)構(gòu)，噴嘴的結(jié)構(gòu)性能直接決定著噴射引流器的性能［15-18］。喉嘴距即噴嘴出口截面與混合室的入口截面的距離，對噴射引流器性能影響較大。

根據(jù)索科洛夫所著的《噴射器》一書給出的一維、半經(jīng)驗公式和理論進(jìn)行噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，支撐部分采用整體焊接，既能保證2個支撐法蘭內(nèi)表面的距離不變，又能起到固定支撐噴射器的作用，可以通過調(diào)整不同墊片的組合來改變喉嘴距的長短。

圖1 噴射引流器結(jié)構(gòu)

3 性能試驗

3.1 試驗方法

試驗?zāi)M采油油井的工況，在室內(nèi)進(jìn)行。模擬一定壓力的原油通過噴射引流器后帶動常壓套管氣進(jìn)入噴射引流器的混合室來回收套管氣，通過調(diào)節(jié)喉嘴距來改變噴射引流器參數(shù)，得到同等工況下不同的喉嘴距的混合流體的壓力及吸收氣體量的多少，來分析對噴射引流器性能的影響。

本試驗采用離心泵提供一定流量和一定壓力的水來模擬油井開采的原油，減壓閥來調(diào)節(jié)進(jìn)入噴射器的水壓力，水流量計測量噴射引流器前后的液量，泄壓閘閥調(diào)整進(jìn)入管線的壓力和流量，射前閘閥能控制管路液體的通斷，射后閘閥通過閘閥開口的大小控制噴射引流器背壓的大小，渦街氣體流量計能顯示吸收氣體瞬時的流量和總流量，在各個測量點均安裝壓力表。如圖2所示

圖2 噴射引流器喉嘴距性能試驗方案

通過改變噴射裝置的工作狀況，即調(diào)節(jié)進(jìn)入噴射引流器水的壓力，觀察噴射引流器吸收氣體的效果，及能正常工作的最大背壓的規(guī)律，研究噴射引流器的性能，為噴射引流器現(xiàn)場回收套管氣的應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)。

本次試驗是在分析普通采油井工況的情況下，選用噴嘴直徑?9 mm，理論計算得到的喉嘴距9 mm，因此本次試驗的喉嘴距從9 mm依次增加。

具體試驗方法：

1） 保持離心泵排出的壓力恒定為1 MPa，通過調(diào)節(jié)減壓閥使進(jìn)入噴射引流器的水的壓力從0.5 MPa依次增加0.1 MPa，直到1 MPa，穩(wěn)定后測量噴射引流器前后的液體、氣體流量及能正常工作的最大背壓的大小，每10 min記1次數(shù)。

2） 改變調(diào)節(jié)墊片的數(shù)量組合來增加喉嘴距的長度，重復(fù)上述過程1。

3.2 試驗結(jié)果

按照上述試驗方法得到的試驗結(jié)果如表1。

表1 噴射引流器喉嘴距性能試驗數(shù)據(jù)

4 試驗結(jié)果分析

4.1 喉嘴距與背壓變化的關(guān)系

背壓是擴(kuò)散管出口處的壓力，噴嘴噴射出來的工作流體與被吸入的引射流體混合后，經(jīng)過喉管進(jìn)入擴(kuò)散管的擴(kuò)大部分，流體的流速逐漸降低，流體靜壓能增加，至擴(kuò)散管出口處的壓力較高得以排出，能使流體的速度頭充分轉(zhuǎn)化為壓頭。噴射引流器背壓的大小與原油能正常輸送的能力有直接關(guān)系，背壓大即原油能克服的管道阻力大，正常輸送的距離就遠(yuǎn)。由圖3可知，當(dāng)噴射引流器前工作壓力一定時，都有1個背壓值最高的喉嘴距相對應(yīng)，即存在1個最合適的喉嘴距，在此喉嘴距下噴射引流器的效率最高。

圖3 喉嘴距與背壓變化的關(guān)系

4.2 喉嘴距與負(fù)壓變化的關(guān)系

負(fù)壓是工作流體流經(jīng)噴嘴后再吸入室形成的高速低壓區(qū)，從而將引射流體吸進(jìn)來。負(fù)壓值的大小表明噴射引流器吸收引射流體的能力，負(fù)壓值越高，說明此時吸收引射流體的能力越強(qiáng)。由圖4可知，負(fù)壓值隨著射前工作流體壓力的升高而增加，在相同的工作流體壓力下，喉嘴距的長短影響負(fù)壓值的大小，即存在1個最合適的喉嘴距，在此喉嘴距下負(fù)壓值最大，噴射引流器的吸收效率最高。由背壓與喉嘴距變化的關(guān)系可知，喉嘴距約等于噴嘴直徑時，能得到最大背壓。

4.3 喉嘴距與流量變化的關(guān)系

流量是衡量噴射引流器工作效率高低的重要標(biāo)志，工作流體流量的大小決定了噴射引流器的適用工況，引射流體流量的大小表明了在同樣情況下噴射引流器吸收引射流體的能力強(qiáng)弱。如圖5～7所示，同樣結(jié)構(gòu)的噴嘴，射前流量、射后流量、引射流量均隨著射前壓力的升高而增大，流量與壓力成正比，同樣的射前壓力下，射前流量和射后流量在喉嘴距9 mm時最大，引射流量在喉嘴距10 mm時最大，因此應(yīng)根據(jù)對噴射引流器不同的使用要求來選取合適的喉嘴距，達(dá)到工作目的。

圖5 喉嘴距與射前流量變化的關(guān)系

圖6 喉嘴距與射后流量變化的關(guān)系

圖7 喉嘴距與引射流量變化的關(guān)系

5 結(jié)論

1） 試驗結(jié)果表明，存在1個最合適的喉嘴距，在此喉嘴距下噴射引流器能達(dá)到最大背壓，效率最高。

2） 噴射引流器的引射流量是隨著喉嘴距的改變而變化，且存在1個最佳喉嘴距，使引射流量最大。

3） 喉嘴距是噴射引流器結(jié)構(gòu)中重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其值直接影響噴射引流器的性能，選用合適的喉嘴距參數(shù)是保證噴射引流效果的有效方法。

4） 該研究結(jié)果可以提高噴射引流器的效率，在套管氣回收領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 陸宏圻.射流泵技術(shù)的理論及應(yīng)用［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［2］ 田播源，鄶及彩.防污染連續(xù)沖砂工藝技術(shù)［J］.特種油氣藏，2001，8（2）：45-46，56.

［3］ 王鴻勛，張琪.采油工藝原理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993：315-316.

［4］ 喬金中，付文華，李川.鉆進(jìn)撈砂泵的研制及應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（3）：52-54.

［5］ 陳強(qiáng).抽砂泵的應(yīng)用及其抽砂效果分析［J］.鉆采工藝，2003，26（5）：76-78.

［6］ 高蘭.水力噴射泵強(qiáng)制排砂采油技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2004，26（10）：36-37.

［7］ 朱洪梅，邱金平，楊繼軍，等.跨隔壓裂層與水力泵返排聯(lián)作工藝的開發(fā)與應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（12）：73-75.

［8］ 趙國泉.水力噴射泵技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2005，34（3）：87-89.

［9］ 胡述明.噴射泵在低壓天然氣采輸中的應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2001，40（8）：62-64.

［10］ 馬濤.水力噴射泵在弧東油田KD641區(qū)塊的應(yīng)用［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2008（13）：90-92.

［11］ 王偉章，閆相禎，趙輝.油井油套環(huán)空產(chǎn)氣規(guī)律［J］.石油鉆采工藝，2008，30（3）：52-55.

［12］ 金良安，白雪蓮，徐玉明.原油揮發(fā)氣排空的危害及對策研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2001，2（3）：59-61.

［13］ 辜志宏，彭慧琴，耿會營.氣體對抽油泵泵效的影響及對策［J］.石油機(jī)械，2006，34（2）：64-68.

［14］ Е.Я.索科洛夫，Н.М.津格爾.噴射器［M］.黃秋云譯.北京：科學(xué)出版社，1977.

［15］ 易燦，李根生.噴嘴結(jié)構(gòu)對高壓射流特性影響研究［J］.石油鉆采工藝，2005，27（1）：16-19.

［16］ 李憲文，陳生圣，趙文軫.水力噴砂射孔壓裂噴嘴的損傷試驗與分析［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38（2）：42-46.

［17］ 金良安，盧勝利，王偉紅.匹配式多級噴射器設(shè)計的幾個關(guān)鍵問題［J］.石油礦場機(jī)械，2004，33（1）：24-26.

［18］ 石兆玉，史登峰，趙向龍.可調(diào)式水噴射泵的研制［J］.區(qū)域供熱，2000，85（2）：10-13.

Study on Test of Performance of Hose Nozzle To Injector

Injection technology has been widely used in casing gas recovery，hose nozzle distance is one of the key factors of injection technology to achieve high efficiency.Considering the working conditions of oil wells，an injector of hose nozzle with adjustable spray was designed and manufactured.the application of the injector in the recovery of the casing gas in the laboratory was simulated，separately the relationship between back pressure，negative pressure，front flow，after flow，gas meter flow and hose nozzle distance were researched and analyzed.The results indicate that hose nozzle distance has an importance on the injection efficiently，and there is a most appropriate hose nozzle distance that made the injector highest efficiency.

injection；hose nozzle；performance；testing

TE933.307

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.008

1001-3482（2014）10-0035-04

2014-04-01

王秀會（1988-），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事石油機(jī)械方面的研究與設(shè)計工作，E-mail：wangxiuhui＠vip.qq.com。