井下超音速霧化排水工藝適應性研究

倪 杰 劉 通 姚麟昱 許 劍

中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院, 四川 德陽 618000

0 前言

川西氣田淺層氣井中96%的氣井井口壓力低于5 MPa,產量占總產量的94%,主要依靠泡排工藝維持穩產,隨著地層壓力的進一步降低,泡排效果逐年減弱,為此,川西氣田引進了超音速霧化排水工藝,希望能替代泡排工藝成為穩產的接替工藝。至2020年底,累計開展了9口井超音速霧化現場試驗。從統計的應用情況來看,霧化工藝應用后產氣量、產水量均無明顯變化,目前尚有6口井繼續試驗。有必要對井下超音速霧化排水工藝采氣原理、適用條件及排水采氣效果開展評價研究。

1 超音速霧化排水工藝原理

利用拉法爾管的漸縮—漸括結構[1-2],亞音速氣流先在漸縮管中加速,當氣流被加速到Ma=l,即達到音速狀態,再通過漸擴管,以使氣流繼續加速到超音速,達到超聲霧化液滴的效果[3-4],見圖1。

a)普通油嘴a)Ordinary nozzle

現場實施時,利用鋼絲將類似于井下節流器的超音速霧化裝置密封座掛在井下生產油管的設計位置處,該裝置與井下節流器的最大區別是將普通油嘴變成了拉法爾管噴嘴[5]。

2 現場試驗

至2020年底,現場開展了9口井試驗,下入超音速霧化裝置后產氣量、產水量均無明顯變化,見圖2和表1。以什邡310-2HF井為例,該井2018年12月20日下入超音速霧化裝置,下入后氣井動態表現為“一升三降”，即套壓升高(由1.04 MPa升至1.15 MPa),油壓降低(由0.68 MPa降至0.62 MPa),日產氣量降低(由0.91×104m3降至0.78×104m3),日產液量降低(由0.46 m3降至0.27 m3),這是低壓低產井井筒積液的特征,表明超音速霧化裝置下入后反而抑制了排水,見圖3。為分析工具適應性差的原因,開展數值模擬分析。

圖2 超音速霧化排水工藝應用前后對比圖Fig.2 Comparison before and after application ofsupersonic atomization drainage process

表1 超音速霧化排水工藝應用前后生產情況對比表

圖3 什邡310-2HF井下入超音速霧化裝置前后生產情況圖Fig.3 Production before and after facility insertion in Shifang 310-2HF

3 數值模擬研究

受井下實驗條件的限制,數值模擬是研究井下流動規律的強有力手段[6]。本研究利用Fluent仿真模擬軟件,模擬川西中淺層氣井的流動工況,對普通油嘴、拉法爾管、“普通油嘴+拉法爾管”組合以及“普通油嘴+拉法爾管+渦流管”組合這四種霧化元件的結構進行流體仿真研究,目的是評價拉法爾管在提升攜液能力上是否具有優勢,此外,研究了通過組合,是否能達到穩產的效果,進一步提升攜液能力[7-9]。模擬的霧化元件的結構參數見表2,四種霧化元件的物理模型見圖4。

表2 模擬的霧化元件的結構參數表

圖4 四種霧化元件的物理模型圖Fig.4 Physical models of four atomizing elements

3.1.1 模擬的工況參數

基于實際工況,模擬霧化裝置的位置位于井下1 500 m處,油管內徑62 mm,生產油壓為2 MPa,節流嘴上游溫度50 ℃。模擬不同工況參數見表3[10-12]。

表3 模擬氣井生產的工況參數表

3.1.2 模擬結果

1)低壓低產井中通過安裝組合元件可以獲得更高的流速。

針對四種霧化元件,模擬不同工況壓力下的流速和攜液量。可以看到,隨著壓力增加,組合元件在壓力低于 15 MPa 時,流速高于普通油嘴和拉法爾管,但是組合元件隨壓力的增加流速增加并不明顯,而普通油嘴和拉法爾管流速增加明顯,壓力高于15～20 MPa以后,流速高于組合元件,見圖5。對于川西中淺層低壓低產井,通常井底壓力小于10 MPa,采用組合元件可以獲得更高的流速[13-14]。

圖5 不同工況下的流速圖Fig.5 Velocity under different working conditions

2)流速高攜液效果并不一定好,四種霧化元件中拉法爾管的攜液效果最好。

相對單獨的普通油嘴或拉法爾管,盡管組合元件在低壓下出口處的流速更高,但是從模擬的攜液狀況分析來看,和經驗認知有很大差異,即流速更高的組合元件并未能起到攜液的效果,反而起到了抑制排液的作用,而單獨的普通油嘴和拉法爾管每秒攜液 0.1 kg 以上,且隨壓力增加攜液量不斷提升,其中拉法爾管的攜液能力最優[15-17],見圖6。

圖6 不同工況下的攜液量圖Fig.6 Liquid carrying capacity under different working conditions

組合元件在攜液能力上并未起到接力效果,反而起到抑制作用。通過進一步的模擬發現,液相在進入組合元件的入口前發生了明顯滑脫，見圖7～8,而普通油嘴和拉法爾管均能均勻帶液，見圖9～12。從圖7～12分析認為,組合元件將不同元件組合在一起后增加了液相通過的阻力,這也剛好解釋了為什么組合元件的流速對壓力不敏感的原因。

圖7 “普通油嘴+拉法爾管”液相分布圖Fig.7 Liquid phase distribution in “ordinary nozzle+Laval tube”

圖8 “普通油嘴+拉法爾管+渦流”液相分布圖Fig.8 Liquid phase distribution in “ordinary nozzle+ Laval tube + eddy tube”

圖9 普通油嘴液相分布圖Fig.9 Liquid phase distribution in an ordinary nozzle

圖10 拉法爾管液相分布圖Fig.10 Liquid phase distribution in a Laval tube

圖11 普通油嘴流速跡線圖Fig.11 Flow velocity trace in an ordinary nozzle

圖12 拉法爾管流速跡線圖Fig.12 Velocity trace in a Laval tube

3)拉法爾管比普通油嘴更容易達到超音速霧化狀態,但其有效作用距離非常有限[18-19]。

如圖13,相同壓力下,拉法爾管的流速高于普通油嘴,且壓力越高,拉法爾管的流速增加得越快,比普通油嘴快20%以上,總體來說，拉法爾管比普通油嘴更容易達到超音速霧化狀態[20],通過模擬,在入口壓力22 MPa下,拉法爾管的最高流速達到700 m/s,但很快衰減至6 m/s,見圖14,據此作出流速與有效作用距離的曲線圖15,從圖15可以看出,有效作用距離僅7 m。

圖13 普通油嘴和拉法爾管的流速對比圖Fig.13 Comparison of flow rates under different pressures

圖14 “拉法爾管”流速沿程分布圖(22 MPa,0.2 Vf)Fig.14 Velocity distribution along the path of“Laval tube”(22 MPa,0.2 Vf)

圖15 出口流速沿程變化圖Fig.15 Variation of exit velocity along the path

4 結論

1)采用拉法爾管結構原理的霧化裝置能達到超音速條件,在出口處強烈的高流速沖擊下能達到霧化效果,但這種霧化有效作用距離很短,僅7 m左右,在川西中淺層1 000～2 000 m埋深的氣井中效果很微弱。

2)采用普通噴嘴+拉法爾管+渦流管等組合的方式,在低壓井中可以獲得更高的流速,但是由于組合后增加了液相通過的阻力,攜液效果反而弱于單獨的拉法爾管或普通油嘴。

3)基于以上兩點研究認識,井下超音速霧化排水工藝最主要的功能還是井下節流,在霧化排水方面的功能非常微弱。