超音速霧化排水采氣研究

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

摘要：氣井排水采氣普遍受到井底積液的影響，特別是對于低產量井，清除井底積液已經成為采氣行業的一大難題，因此急需開發出能適應于低產量井的排水工藝及技術。本文針對現有的排水采氣技術進行調研并做出總結，在此基礎上提出超音速霧化排水采氣方法；闡述了拉伐爾噴管產生超音速和高速破碎機理；最后進行實驗研究，通過實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，氣井的壓力和產量均會有不同程度的降低，從而導致天然氣的攜液能力降低，致使氣藏中的產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聚集于井底，形成液柱，對氣層造成額外的靜水回壓，氣井產量降低，逐漸變為間歇井，如果這種情況持續下去，井筒中聚集的液柱會將氣體壓死，導致氣井停產。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。

1　國內外排水采氣技術現狀

國內氣田現階段排水采氣工藝主要有下述幾種方法：優選管柱排水采氣、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，國外也進行了大量的理論研究與現場應用研究，目前，國外氣田所采用的排水采氣工藝的方法主要有：天然氣連續循環采氣工藝、超聲波霧化技術、氣舉排水采氣、電潛泵倒置排水采氣、同心毛細管技術等等[4，5]。

由于地質條件的復雜性導致各單井的生產條件各不相同，上面提到的各種排水采氣工藝及技術不能滿足所有單井的生產條件，所以隨著油氣田的開發，新的排水采氣工具、工藝及技術急待研發以適應新的工作需要。近年來，國內外石油科技工作者針對現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、單管球塞連續氣舉工藝、分體式柱塞氣舉等。

關于超音速霧化排水采氣技術在國外還沒有查到相關文獻，國內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驗研究，此次研究基本思想是對常規節流器噴嘴進行優化設計，用相同氣嘴直徑的音速霧化節流器替換正常節流器。其主要研究內容包括：音速噴管霧化原理、噴管內超聲速流的數值模擬、霧化效果分析以及現場試驗。

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

2　霧化機理

實現超音速的核心部件是拉伐爾噴管，目前拉伐爾噴管普遍應用于導彈、飛機、火箭等設備上以實現超音速飛行，而霧化主要應用于內燃機的燃油噴射方面，該技術可以把燃油霧化成幾十微米的細油滴，從而改善發動機的燃燒特性和排放特性，這兩方面的理論及技術在各自的領域都已經很成熟（見圖1）。

圖1　拉伐爾噴管結構示意圖

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

（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，速度將沿程減小；通道截面積沿程增大，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。經分析知音速流動只可能出現在最小斷面處。

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過收縮噴管加速，使其在最小斷面處達到當地聲速，再經擴張管道繼續加速，才能得到超音速氣流[7]。

圖2　高速油滴破碎機理圖

高速油滴破碎機理圖（見圖2），油滴從與氣流垂直的方向進入高速氣流，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）不穩定表面波作用下把大尺度碎片割成絲狀，然后生產更細的油滴[8]。

3　實驗研究

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入噴管出口處的液體進行剪切，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試驗數據（見表1）

3.2實驗過程及結論

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，經測量水箱水量減少了0.6 kg，從油管內流出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，所以更換較小直徑的噴嘴進行試驗，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。隨后進行第三次試驗，此次試驗以霧化效果為目標，暫時不考慮霧化量，實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現，壓力由原來的0.3 MPa降低到0.2 MPa，不連接油管進行試驗，霧化效果良好。于是進行第四次試驗，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，然后沿著油管流下來。經分析可知，水霧凝結的主要原因是試驗環境溫度較低，當時實驗的環境溫度為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能突然降低而凝結。

表1　試驗數據

4　總結

從國內外眾多的排水采氣技術中可以看到：各種技術各有長處，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。

拉伐爾噴管普遍應用于導彈、飛機、火箭等設備上以實現超音速飛行，而霧化主要應用于內燃機的燃油噴射方面，該技術可以把燃油霧化成幾十微米的細油滴，從而改善發動機的燃燒特性和排放特性，這兩方面的理論及技術在各自的領域都已經很成熟。只要借鑒成熟的技術再結合氣井生產的實際情況就可以做出一個符合實際生產的霧化排水采氣裝置。

參考文獻：

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

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

［3］張書平，白曉弘，樊蓮蓮，等.低壓低產氣井排水采氣工藝技術［J］.天然氣工業，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現狀及發展趨勢［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］.內江科技，2012，（4）:54+65.

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

［7］嚴敬.工程流體力學［M］.重慶：重慶大學出版社，2007：232-233.

［8］蔣德明.內燃機燃燒與排放學［M］.西安：西安交通大學出版社，2001：427.

華北石化公用工程運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行部組織管理和技術人員對新改造的丙烯預精制固堿塔脫水效果進行了初步評價。評價結果認為，經過兩周的運行，聚丙烯原料預精制固堿脫水系統效果良好。

華北石化聚丙烯裝置于2015年11月復產以來，受原料質量等因素影響，存在聚合反應弱、劑耗能耗增多的問題。聚合反應弱導致了大量聚丙烯細粉的產生，易造成回收單元下料不暢等不良后果，嚴重時可能造成裝置停工。由于原料質量差，裝置復產后一直無法進行聚丙烯專用料的生產。

針對這一問題，公用工程運行部組織力量開展了專項技術攻關。經過仔細調研和論證，提出了將預精制脫硫反應器D0203A中的脫硫劑更換成固堿的技術改造方案，在增強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，從而達到改善原料質量、增加裝置耐水沖擊能力的目的。運行部2016年1月開始組織D0203A卸劑，換裝11.4 t固堿，同時結合生產實際對設備內部進行了改造。目前，聚丙烯成品加工性能正在進一步評價，裝置已于2月底順利進行專用料LI28F的轉產工作，下一步準備試產華北石化公司專利產品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

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）03-0054-03