井下雾化喷嘴技术在排水采气中的应用

井下雾化喷嘴技术在排水采气中的应用

0雾化喷嘴排水采气工艺方法原油长距离输送对天然气井的正常开采有影响，因此导致天然气井长期坍塌和停工。近几年来,喷嘴良好的雾化性能受到石油行业的重视,并且成功应用到石油开采领域。根据气井井下气液混合物的压力特性,笔者提出应用雾化喷嘴进行排水采气的工艺方法。即将雾化喷嘴放置到井下一定深度,当井下气液两相流通过喷嘴后,雾化喷嘴对液相流进行雾化作用,使得液体变成粒径更小的液滴,当液滴的粒径小于某一临界数值时,便可随着气相带出井口,从而达到排出井筒积水、增加采气量、延长气井自喷采气周期。此工艺井下设备简单,井口无需辅助设备,极大地降低了生产成本。1分析与多因素理论的构建1.1液铬滴注液分析在气液两相流的井筒中,当气液混合物流态为雾状流时,液相颗粒将受到3个力的作用。(1)计算溶液本身的g质量力的公式如下所示G=π6d3ρl(1)G=π6d3ρl(1)式中d——液滴的直径,m;ρl——液滴的密度,kg/m3。(2)gv2g2式R=ξπ4d2ρgv22g(2)R=ξπ4d2ρgv22g(2)式中ξ——水力阻力系数;ρg——操作条件下的气体密度,kg/m3;v——液滴在气体中的沉降速度,m/s;g——重力加速度,m/s2。(3)计算方程为F=π6d3ρg(3)F=π6d3ρg(3)1.2流态对空气流速的影响当液滴在气流中做匀速运动时,有G=F+R(4)G=F+R(4)把式(1)～式(3)带入式(4)整理得:v=[4gd(ρl−ρg)3ξρg]0.5(5)v=[4gd(ρl-ρg)3ξρg]0.5(5)不同的流态区域内水力阻力系数也不一样,故在不同流态时液滴的沉降速度表达式不同。根据气井的日产量,利用流体力学求出气相在管道中的流速v1。如果气井自身的气流速度大于液滴的沉降速度,气井便可以利用自身的上升气流将液相带出井口达到排水的目的。令v<v1,整理得d＜3v12ξρg4g(ρl−ρg)(6)d＜3v12ξρg4g(ρl-ρg)(6)式(6)给出了在给定气井生产条件下,利用气井自身上升气流将液体带出井口时液滴直径所允许达到的最大值。2压力旋流式雾化喷嘴根据某气田提供的气井现场生产条件,井口产气量(0.5～1.5)万m3/d,产水量2m3/d,井下压力8～18MPa,应用压力旋流喷嘴设计理论,在此生产条件下设计压力旋流式雾化喷嘴,结构见图1。2.1几何模型建立利用Fluent自带的雾化模型进行仿真研究。根据设计要求选用压力旋流式雾化模型,所有的模型都用喷嘴的尺寸参数(例如喷口直径、质量流量)来计算初始颗粒尺寸、位置等,因此只需建立喷嘴外流场的几何模型即可。由于喷嘴放置于井下,因此外流场范围是油层套管内部。图2是利用FluentGAMBIT建立的三维外流场模型,喷嘴出口直径D=2.5mm,外流场是直径为D1=62mm、高H=200mm的圆柱。对几何模型网格划分的效果如图3所示。网格划分单元为Quad单元,即网格区域中只包含四边形单元;采用的网格类型为Submap,即可将不规则的区域划分为多个规则的子区域,在每个子区域中划分网格。在GAMBIT中对图3所示模型的边界条件设置为:油层套管设置为壁面,入口条件为压力入口,出口条件为压力出口。2.2两相流仿真计算由于井下的工作介质是气液两相流,所以对雾化流场的仿真需要进行两相流仿真的叠加运算。根据井下生产条件,天然气为第1相,液体的体积相对量少,为第2相。首先对气相进行仿真计算,然后将液相作为工作介质进行叠加运算。2.2.1相位值模拟参数的配置(1)解算器选择根据井下环境的特殊性选用分离式求解器,隐式算法,三维空间,非定常流动,绝对速度。(2)粘性模型选择κ-ε模型。(3)材料配置工作介质选用天然气。(4)边境条件调整入口压力18MPa,出口压力15MPa,入口湍流强度0.007861,出口湍流强度0.006149。2.2.2液滴破碎模型根据日产水量计算出液体(水)的质量流量为0.023kg/s,喷嘴出口直径2.5mm,液滴破碎模型选择Wave模型,雾化角为90°,喷嘴上游压力为18MPa。其他条件默认Fluent的初始设定。利用Fluent仿真软件对喷嘴在井下工作雾化效果进行仿真,得出喷嘴雾化效果图(见图4)。2.3雾化仿真分析通过Fluent后处理功能得出在井下喷嘴入口压力为18MPa,产气量0.5万m3/d,产水量2m3/d的工作条件下,雾化液滴的最大液滴直径为0.057mm。为了验证仿真数据的可靠性,应用喷嘴雾滴直径经验公式进行验证。公式为:lg(dm/δ)=2.9Lp−0.133−0.35lgWe(7)lg(dm/δ)=2.9Lp-0.133-0.35lgWe(7)式中dm——理论最大液滴直径;We——韦伯数;Lp——拉帕拉斯数;δ——液膜厚度。得出理论最大液滴直径为0.061mm。为了进一步验证仿真的可行性,笔者对井下8～18MPa工作压力下设计出不同尺寸的压力旋流喷嘴进行雾化仿真研究。从仿真数据与理论数值比较的结果来看两者很接近,最大误差为9.3%,最小误差为2.9%,如表1所示。经过计算得出平均误差为5.39%,达到工程所允许的误差范围。从表1可以看出,利用Fluent仿真能够比较真实地反映喷嘴在井下工作的雾化效果,仿真结果可信。从喷嘴雾化液滴最大直径的尺寸分布可以看出(见图5),根据井下不同条件设计出的喷嘴,在设定的工作条件下雾化液滴的尺寸变化稳定,说明喷嘴在井下可以正常工作,并且能够收到良好的雾化效果。3改性后的最大液滴沉降速度应用上述雾化理论,在工作压力8～18MPa、产气量0.5万m3/d的条件下计算出经过雾化后的最大液滴沉降速度,并与气流的上升速度进行比较,结果见图6。从图6可以明显看出,经过雾化后液滴沉降速度远远小于气流的上升速度,即经过雾化后变成直径更小的液滴可以通过气井自身的上升气流带出井口,达到排水采气的目的。4地面雾化效果仿真(1)经过理论计算与仿真的误差分析,表明仿真结果与理论结果十分接近,说明将Fluent应用于雾化喷嘴在井下工作的雾化效果仿真,并指导喷嘴的优化设计是可