可调式天然气喷射引流器设计与试验研究

赵军友，王秀会，张振国，杨 勇，邹俊艳，刘 敬

（中国石油大学机电工程学院，山东青岛266555） ＊

可调式天然气喷射引流器设计与试验研究

赵军友，王秀会，张振国，杨 勇，邹俊艳，刘 敬

（中国石油大学机电工程学院，山东青岛266555）＊

为了高效开采低压天然气、提高喷射引流器的引射率，设计了一种节流阀结构的可调式天然气喷射引流器。试验结果表明：低压气流量与高压气压力呈二次函数关系，即低压气流量随着高压气压力的升高而先增加后减少。采用1stOpt软件对试验数值进行拟合，得出上述规律的数学函数表达式，计算结果与试验数值拟合的相关系数＞0.99。该试验结果为可调式喷射引流器的现场使用提供了理论依据。

可调式喷射引流器；性能试验；引射率；数值拟合；相关系数

在气田的开发过程中，地层能量会逐渐降低，进入中后期的气井越来越多。由于气井的能量递减，井口压力降低，部分气井的进站压力已与集气外输压力持平或者低于集气外输压力，造成低压气井的不连续生产或不能生产。气井只能采用压缩设备或者采用放空处理才能正常开采［1］，既浪费了能源又增加了开采成本。

天然气喷射技术是利用高压天然气来引射低压天然气的一种节能升压技术，在不借助外来能源的情况下，实现低压气井正常稳定生产［2－6］，从而降低生产成本，延迟增压开采时间，为低压气井增压开采探索一种新途径。现有的喷射器参数是固定的，不适用于不同工况的气井，应用受到了限制。针对这一情况，设计了一种针阀结构的可调式喷射引流器来解决低压气井的连续生产问题。

1 可调式喷射引流器的设计

1.1 喷射引流原理［7－9］

喷射引流器的工作原理是高压气经高速喷嘴后，在吸入室形成高速低压区，从而将低压气吸引进来，在混合腔低压气与高压气充分混合，形成具有一定速度的混合气流，在扩压段内完成升压后外输。

1.2 设计原则

1） 现有的可调式喷射器都是在高压气喷嘴前设计1个可以移动的喷针［10－11］，用于压力不高的喷射泵或者供热系统；当应用在高压、高速流动的天然气领域时，试验发现高压气超过10MPa时喷针会剧烈振动并产生很大的噪声，效果不理想或无法工作。针对这一问题，设计了一种新型可调式喷射引流器，即在喷嘴前部设计1个针形节流阀结构。针形节流阀技术成熟、可靠，阀杆刚性强，密封性好，既达到了调节高压气压力和流量的目的，又很好地解决了调节阀针由于振动而产生噪声的问题。

2） 喷嘴是喷射器中最关键的部件，喷嘴出口截面积与喷嘴喉口截面积之比是喷嘴设计的关键。因为流过喷嘴的为高压天然气，为了提高气体流速、降低出口处压力，设计中采用拉法尔式的超音速喷嘴，气体在收缩段为亚音速，在喉口达到音速，喉部以后气压继续降低达到超音速，气体在流出喷嘴后，流束呈近似圆柱形的自由流束。喷嘴喉部截面积根据日产气量计算而定。

3） 混合腔和扩压室采用整体文丘里管形状，混合腔是两相流体混合、吸收的重要结构，喉部直径应该与喷嘴出口直径匹配；扩压室使混合流体压力恢复，克服出口被压，气体顺利流出，所设计的扩散角度为9°。

按照上述原则，设计了一种可调式喷射引流器，其结构如图1所示。

图1 可调式天然气喷射引流器结构

2 性能试验

2.1 试验方法

试验装置如图2所示，为了便于控制高、低压气的压力，在喷射装置的高、低压气入口各安装1个调压阀；混合后的气体进入集输系统，外输压力控制在5.2MPa；在高、低压气入口各安装1台智能漩涡流量计，对流量进行计量；在各个气口处安装压力表，对气体压力进行测量。

通过改变喷射装置的工作状况，即改变进入喷射装置的高、低压气的压力，分析低压进气量和引射率随高压气压力、低压气压力的变化规律，研究喷射装置的性能，为可调式天然气喷射引流器的现场使用提供理论依据。具体试验方法如下：

1） 保持低压气压力恒定（分别为5、4、3、2 MPa），使进入喷射装置的高压气压力从15MPa依次减小1MPa，直到10MPa，稳定后测量高压气流量和低压气流量。

2） 在一定的高压气压力下（分别为15、12 MPa），使进入喷射装置的低压气压力从2MPa依次增加1MPa，直到5MPa，稳定后测量低压气流量和高压气流量。

图2 喷射器试验流程

2.2 试验结果

按照上述试验方法得到的试验结果如表1～2。

表1 低压气恒定时试验数据

续表1

表2 高压气恒定时试验数据

2.3 试验数值拟合

1stOpt软件的非线性拟合功能比较强大，其最大的特点是：在绝大多数情况下，不需要提供任何初始值，仅依靠软件自身的全局搜索能力，从任意随机值出发即可求得最优解。在对上述试验结果综合分析的基础上，用1stOpt来探求低压气流量与高压气压力、低压气压力之间以及引射率与高压气压力之间的函数关系式。

2.3.1 低压气流量与高压气压力之间的函数关系

由试验数值可以看出：当低压气压力pl不变时，低压气流量Ql与高压气压力ph的大致关系为二次曲线关系。采用式（1）对全部数据进行数值拟合，即

式中，a、b、c为常数（下同）。

低压气压力为5MPa时，将高压气压力和低压气流量等实测数据输入编程软件，得到如图3所示的拟合曲线。

得到的拟合曲线函数为

拟合的相关系数达到0.992。通过求一阶导数，低压气流量最大值发生在高压气压力ph＝12.35MPa左右。

图3 低压气流量与高压气压力的拟合曲线

当高压气压力ph不变时，低压气流量Q1随低压气压力pl变化规律为直线关系，采用式（3）对全部数据进行数值拟合，即

通过对试验数据分析得知，当低压气压力＜2 MPa时，引射效果不理想，因此喷射器真正的工作范围应该在2MPa以上，故不考虑2MPa的数据。在15MPa条件下，将低压气压力和低压气流量等实测数据输入编程软件，得到如图4所示的拟合曲线。

图4 低压气流量和低压气压力的拟合曲线

得到的拟合曲线函数为

拟合的相关系数达到0.997。

2.3.3 引射率与高压气压力之间的函数关系

据试验数据分析可知：当低压气压力pl不变时，引射率μl与高压气压力ph呈二次函数关系，采用式（5）对全部数据进行数值拟合，即

当低压气压力为5MPa时，将引射率和高压气压力等实测数据输入编程软件，得到如图5所示的拟合曲线。

得到的拟合曲线函数为

拟合的相关系数达到0.992。

图5 高压气压力和引射率的拟合曲线

3 结论

1） 低压气流量与高压气压力存在着二次多项式的关系，随着高压气压力的增加，低压气流量先增加后减小，现场应用时只需调节到合适的高压气压力就能达到最好的引射效果。

2） 在高压气压力一定的情况下，低压气流量与低压气压力呈线性关系。

3） 引射率在低压气压力一定的情况下，与高压气压力有二次函数关系，为现场应用时调节最佳的引射率提供理论依据。

4） 通过对试验结果的分析可知，设计的可调式天然气喷射引流器对提高低压天然气的引射效率是可行的。

［1］ 陈彰兵，苏 欣，张 琳.低压气集输工艺［J］.油气储运，2009，28（3）：1－3.

［2］ 陈东升，许云春，魏建军，等.底水油藏电泵与喷射泵油水分采技术研究与应用［J］.石油矿场机械，2010，39（9）：68－71.

［3］ 王德伟.水力喷射泵负压冲砂技术在锦州油田的应用［J］.石油矿场机械，2010，39（9）：68－71.

［4］ 胡述明.喷射泵在低压天然气采输中的应用［J］.石油矿场机械，2011，40（8）：62－64.

［5］ 杨德伟，林日亿，王弥康，等.利用喷射器技术输送低压气层天然气［J］.油气田地面工程，2005，24（4）：10－12.

［6］ 刘双全，吴革生，陈德见，等.低压天然气井高效开采喷射引流技术［J］.油气田地面工程，2009，28（11）：29－30.

［7］ 陆宏圻.射流泵技术的理论及应用［M］.北京：水利电力出版社，1989.

［8］ Е·Я·索科洛夫，Н·М·津格尔.喷射器［M］.黄秋云，译.北京：科学出版社，1977.

［9］ 金良安，卢胜利，王伟红.匹配式多级喷射器设计的几个关键问题［J］.石油矿场机械，2004，33（1）：24－26.

［10］ 石兆玉，史登峰，赵向龙，等.可调式水喷射泵的研制［J］.区域供热，2000（2）：10－13.

［11］ 浦 晖，李学来.可调式喷射器内流动的数值计算［J］.福州大学学报，2006，34（1）：145－149.

Design and Test Research of the Adjustable Gas Injector

ZHAO Jun－you，WANG Xiu－hui，ZHANG Zhen－guo，YANG Yong，ZOU Jun－yan，LIU Jing
（College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

A new kind of adjustable gas injector with throttle valve structure was designed in order to improve the effectiveness of exploitation of low pressure gas and the inject ratio of the injector.Test proved that it is in quadratic function between the low pressure gas flow rate and the high gas pressure，i.e.the low－pressure gas flow rate first increase and then decrease with high gas

adjustable injector；performance test；inject ratio；numerical simulation；correlation coefficient

1001－3482（2012）07－0062－04

TE934.4

A

2012－01－22

赵军友（1963－），男，山东东明人，副教授，硕士，主要从事石油机械方面的教学和科研工作，E－mail：zhaojy＠upc.edu.cn。pressure changing.The mathematical function formula has been gotten by numerical simulation using 1stOpt software，and that the correlation coefficient is more than 0.99between the calculated data and the tested data.The experimental result provides a theoretical basis for the injector field using.