天然氣噴射引流裝置變工況性能試驗

摘 要

摘要：天然氣噴射引流技術(shù)是靖邊氣田低壓氣井開采、實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)、取得較好開采效果的主要技術(shù)，如何選擇合適的噴射裝置設(shè)計參數(shù)和運行過程中工作制度，對于裝置的長期有效運行非
摘要：天然氣噴射引流技術(shù)是靖邊氣田低壓氣井開采、實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)、取得較好開采效果的主要技術(shù)，如何選擇合適的噴射裝置設(shè)計參數(shù)和運行過程中工作制度，對于裝置的長期有效運行非常關(guān)鍵。通過現(xiàn)場試驗，研究了高低壓氣流量和引射率隨壓力的變化規(guī)律，掌握了噴射裝置的變工況性能：低壓氣流量與高壓氣壓力為非單調(diào)關(guān)系，隨著高壓氣壓力增加，低壓氣流量先增加后減小?，F(xiàn)場應(yīng)用中，需要根據(jù)工況性能選擇合適的高壓氣工作壓力，引射率變化規(guī)律與低壓氣流量變化規(guī)律一致，引射率與低壓氣壓力為近似直線關(guān)系，且隨著高壓氣壓力的減小，斜率就增大。設(shè)計過程中，要充分考慮現(xiàn)場應(yīng)用井的穩(wěn)壓能力，設(shè)計合理的工作壓力和流量，以延長噴射裝置的應(yīng)用時間。噴射引流裝置變工況性能與裝置本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，對于不同的噴射裝置需要進行變工況性能分析，并做出相應(yīng)圖版來指導現(xiàn)場生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：靖邊氣田；氣井；壓力；噴射；引流；增壓；開采；參數(shù)
0 引言
    天然氣噴射引流技術(shù)最初用于原油揮發(fā)氣的回收及氣體壓縮等方面[1～2]，2005年楊德偉提出了利用噴射技術(shù)輸送低壓氣層天然氣的技術(shù)方案[3]，但未見其應(yīng)用報道。長慶靖邊氣田于2007年安裝了第一套噴射引流裝置用于低壓氣井開采。該技術(shù)利用高壓氣井引射低壓氣井生產(chǎn)，在不借助外來能源的情況下，實現(xiàn)低壓氣井在低于外輸壓力下仍能正常穩(wěn)定生產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)和管理成本。天然氣噴射引流技術(shù)原理[4]是高壓天然氣經(jīng)噴嘴節(jié)流，在混合腔形成低于低壓氣入口壓力的低壓區(qū)，低壓天然氣在壓差作用下被吸入混合段與高速流動的天然氣混合，形成具有一定速度的混合氣流，在擴壓段內(nèi)完成升壓后外輸。該技術(shù)可充分利用高壓氣井的壓力能，為低壓氣井增壓開采探索了一種新途徑。筆者通過噴射引流裝置的變工況試驗，研究了高低壓氣井流量和引射率隨壓力的變化規(guī)律，為噴射引流裝置設(shè)計參數(shù)選取和工作制度的確定提供了參考意見。
1 試驗流程與試驗步驟
    試驗流程如圖1所示。
 
    高低壓氣并通過節(jié)流針閥后進入噴射裝置，與低壓氣混合后進入集輸系統(tǒng)，在低壓氣入口和混合出口分別安裝1臺智能旋進漩渦流量計，對低壓氣和混合氣流量進行分別計量，高壓氣流量通過混合氣流量減去低壓氣流量求得。
    通過改變噴射裝置的工作狀況，即改變進入噴射裝置的高低壓氣井的進氣壓力，分析高低壓其流量隨進氣壓力的變化規(guī)律，來研究噴射裝置的工況性能，對噴射裝置的現(xiàn)場應(yīng)用提供指導。試驗步驟如下：
    1) 通過調(diào)整高壓氣井節(jié)流針閥，使高壓氣進入噴射裝置壓力最大，即針閥全開狀態(tài)。
    2) 調(diào)節(jié)低壓氣節(jié)流針閥，使低壓氣進入噴射裝置壓力為最小，即針閥全關(guān)，穩(wěn)定后記錄壓力和流量。
    3) 調(diào)節(jié)低壓壓力使低壓氣進入噴射裝置壓力遞增0.5MPa，穩(wěn)定后記錄壓力和流量。
    4) 重復步驟3)，直到低壓氣進入噴射裝置壓力最大，即針閥全開。
    5) 調(diào)節(jié)高壓氣節(jié)流針閥，使高壓氣進入噴射裝置壓力遞減1.0MPa，操作步驟2)、3)和4)。
    6) 重復步驟5)，直到高壓氣進入噴射裝置壓力小于8MPa，試驗結(jié)束。
2 噴射引流裝置變工況性能分析
    通過調(diào)節(jié)高低壓氣節(jié)流針閥分別使高壓井進入噴射裝置的壓力分別為8、9、10、11、12MPa和13MPa，低壓氣井進入噴射裝置壓力分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4、4.5MPa和5.0MPa，混合后與外輸系統(tǒng)相連，外輸壓力恒定為5.3MPa，開展了不同工況下現(xiàn)場試驗。
2.1 高壓氣流量變化規(guī)律
    試驗結(jié)果表明，各工況下高壓氣流量只與高壓氣壓力有關(guān)，低壓氣壓力對其影響很小(如圖2)。
 
本試驗中所采用的高壓噴嘴為縮放噴嘴，對于尺寸確定的縮放噴嘴，當其進出口壓比小于臨界壓比時，流量只與進口高壓參數(shù)有關(guān)，可按下式計算[5]：
 
式中：k為絕熱指數(shù)，對于天然氣(按甲烷計)而言，k=1.32；Amin為噴嘴喉部面積，對于固定的噴嘴其喉部面積保持不變。因而通過該噴嘴的流量只與入口高壓氣參數(shù)有關(guān)，而與低壓氣參數(shù)無關(guān)。
2.2 低壓氣流量變化規(guī)律
    從圖3中可以看出，低壓氣流量與高壓氣壓力為非單調(diào)關(guān)系，隨高壓氣壓力的增大而先增大后減小。由該圖可知，當高壓氣壓力(pH)為11～12MPa時，低壓氣流量的變化規(guī)律發(fā)生轉(zhuǎn)變，這與裝置設(shè)計工作壓力有關(guān)。
 
    一般來說，隨著高壓氣壓力的增加，高壓氣流量增大，相應(yīng)的引射量(低壓氣流量)也增大。但當聲。高于某特定值時，隨著高壓氣壓力的進一步增大，噴嘴出口的壓力升高，低壓氣的進氣壓力與噴嘴出口壓力的壓差減小，從而低壓流體的引射量減少。這表明在天然氣噴射裝置實際運行時，不能靠盲目提高高壓氣的進氣壓力來增大低壓氣流量。
    圖4給出了低壓氣壓力變化對低壓氣流量的影響曲線，從圖中可以看出，隨著低壓氣壓力的增大，低壓氣流量近似呈線性增加，且高壓氣壓力越低，增加的越快。
 
2.3 引射率變化規(guī)律
    引射率定義為在某一工況下低壓氣流量與高壓氣流量之比。
    由圖5可知，在試驗范圍內(nèi)，引射率隨高壓氣壓力的增大而先增大后減小。由圖5可知，當PH為10～12MPa時，引射率的變化規(guī)律發(fā)生轉(zhuǎn)變。這與低壓氣流量的變化規(guī)律是基本一致的。
 
圖6給出了低壓氣壓力變化對引射率的影響曲線，從圖中可以看出，隨著低壓氣壓力的增大，引射率近似呈線性增加。在高壓氣壓力較低的情況下，隨著低壓氣壓力下降，引射率下降很快；在低壓氣壓力接近外輸壓力時，隨著高壓氣壓力下降，引射率增加，這主要是由于低壓氣接近外輸壓力時，低壓氣流量隨著高壓氣壓力下降變化很小，而高壓氣流量隨著高壓氣壓力降低減小明顯。
 
    天然氣噴射引流裝置的變工況性能與裝置本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，對于不同的噴射裝置需要進行變工況分析，找出合理工況來指導現(xiàn)場生產(chǎn)。
3 結(jié)論及認識
    1) 噴射引流裝置變工況性能與裝置本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，對于不同的噴射裝置需要進行獨立的變工況性能分析，做出相應(yīng)圖版來指導現(xiàn)場生產(chǎn)。
    2) 低壓氣流量與高壓氣壓力非單調(diào)關(guān)系，隨著高壓氣壓力增加，低壓氣流量先增加后減小?，F(xiàn)場應(yīng)用并不是高壓井進氣壓力越高越好，需要選擇合適的高壓氣工作壓力。
    3) 引射率變化規(guī)律與低壓氣流量變化規(guī)律一致，引射率與低壓氣壓力近似直線關(guān)系，且隨著高壓氣壓力減小，斜率增大。設(shè)計過程中，要充分考慮現(xiàn)場應(yīng)用井的穩(wěn)壓能力等因素，選擇合理的設(shè)計工作壓力，以延長噴射裝置的應(yīng)用時間。
參考文獻
[1] 金良安，劉學武，李志義，等.利用噴射器回收原油揮發(fā)氣的裝置及其應(yīng)用實例[J].機械工程學報，2003，39(4)：155-158.
[2] 張義貴.用氣體噴射器壓縮天然氣[J].華北石油設(shè)計，1989，5(4)：1-4.
[3] 楊德偉，林日億，王彌康，等.利用噴射器技術(shù)輸送低壓氣層天然氣[J].油氣田地面工程，2005，24(4)：10-12.
[4] 金忠臣，楊川東，張守良，等.采氣工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.
[5] 沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學[M].3版.北京：高等教育出版社，2006.
 
(本文作者：吳革生1 劉雙全1 張振紅2 師尊祿3 1.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院；2.中國石油長慶油田公司第四采油廠；3.中國石油長慶工程監(jiān)督處)