射流涡流排水采气模拟实验台研制与应用

徐建宁，晏显炜，邵 乐

(西安石油大学 机械工程学院，西安 710065)

·仪器设备研制、改进、维护·

射流涡流排水采气模拟实验台研制与应用

徐建宁，晏显炜，邵 乐

(西安石油大学 机械工程学院，西安 710065)

研制了新的排水采气模拟高压实验台，适用于研究低压低产气井的射流涡流排水采气工艺和观测井下油管、井底多相流体流动状态。分析了研究射流涡流排水采气工艺的重要性，介绍了该实验台的基本组成。为优化排水采气工具，设计开发了一系列射流涡流及组合工具的实验项目，举例说明其可行性，使实验装置提升为多功能、综合性的教学、科研平台。

排水采气；射流泵；涡流工具；实验台

在天然气开采前期，气井产量高、井底气液速度大而井中液体的数量相对较少时，水将完全被气流携带至地面。随着气藏压力和天然气流动速度的逐步降低，致使气藏总的产出水和凝析液不能随天然气流携带出井筒，滞留在井中。这种现象被称为“气井积液”，且在低压低产气井中尤为突出[1]。为了解决上述弊端，我们需要寻找新的开采工艺，适用于低压低产气井的排水采气[2]。射流涡流工具在采气的应用上具有抗磨蚀能力强，过流部件寿命长，结构简单，容易制造，运行平稳，适用于输送气、液两相混合流体工作的特点，但射流涡流工具的传能效率低，还需进一步优化改进及试验验证[3]。

为了探索合理利用地层能量进行自喷式气举射流涡流排水采气，实现低压低产气井的连续开采并提高开采效率，也为射流涡流在排水采气中的应用提供精确的数据支撑，为工具参数的设计提供依据，优化工具设计[4-6]，我们开发设计了射流涡流排水采气模拟实验台，在观测井下油管和井底多相流体流动状态的同时，为教学和科研提供了良好的实验平台。

1 实验台介绍

实验装置主要由模拟管柱系统、供气系统、供液系统、气液混合系统、气液分离系统、参数测试系统、数据采集处理系统、安全保护系统、射流泵与涡流器模型等组成[7-8]，如图1所示。实验台通过调节供气系统管路中的气动阀的开度来调节系统的气体流量；通过调节出口气动阀开度(背压阀)进行气体压力控制；通过调节柱塞泵工作频率控制供液系统的液体流量，液体压力由系统工作压力控制。

实验台主要测试参数包括：气体工作压力与质量流量、液体工作压力与质量流量，以及气液混合后在工具入口处压力、工具出口处压力、管柱出口处压力。

实验台基本参数：管柱系统最大工作压力为6 MPa，气体工作流量为5 m3/min，2 m3储气罐(压力可达6 MPa)，液体工作流量最大为16 L/min。

图1 实验系统结构图

1.1 模拟管柱系统

模拟管柱系统主要用于模拟井下油管和井底的多相流体流动状态，透明材质，主要包括管柱、容器、连接法兰、连接短节及密封机构。测试高度为10.5 m，内径为62 mm，可承受压力为6 MPa。管柱底端连接一圆柱状容器，带有液位计量器，侧面开有手孔，供射流或涡流工具安装时使用。射流与涡流装置是通过活接头安装在管串的底部，并悬挂在容器内，通过在密封井筒中悬挂油管串来模拟流动条件。为了消除流体出口效应反馈回流动循环中，在油管柱顶部设计安装了一个Y型弯管。因此，当流体流过油管柱后，采出的气/水混合物溢流到回流管中。利用一个油嘴来控制井口压力。当流体流过井口油嘴后，残留的气/水混合物被引入一个分离管中，经过分离后，气体被直接排到大气中。

1.2 供气系统

供气系统主要是用来提供恒定流速的气体，并且流速和流量可调，由空气压缩机、气体缓冲罐、干燥器、隔离器、预热器、气体流量计等部分组成。空气压缩机主要用于提供多相流体中的气体，工作压力为6 MPa，能够保证稳定恒压工作。气体缓冲罐主要用于气体流量的稳定，附有压力检测、安全阀、温度检测装置。干燥器可将输送的气体进行干燥，保证其不含水分。隔离器主要用于气体进入混合器前与液体流体隔离，防止混合器中的流体进入气流路。预热器可将气体加热到设定温度。

1.3 供液系统

供液系统主要是用来提供恒定流速的液体，并且流速和流量可调，包括储水罐、水泵、液体流量计、预热器、阀门等设备。储水罐主要用于水泵前的水贮存。预热器可将液体加热到设定温度，模拟井底水温。水泵带有变频控制器，可通过控制其转速来控制流量，并带有电接点压力表和安全阀双重保护，确保系统的安全。

1.4 气液混合系统

气液混合方式有两种：(1)在混合器中均匀混合后，通入管底容器，再进入管柱；(2)将气体和液体分别通入容器中混合，进入管柱。混合器是气体和液体的混合处，工作压力6 MPa，容积2 L。

1.5 气液分离系统

气液分离系统主要用于井筒出口端混合相流体的分离，由气液分离器、背压阀、气体流量计等组成。气液分离罐用于将气体流体和液体流体分离，采用不锈钢材质制作而成，带有液位控制器，保持液位恒定，使分离罐压力可稳定在设定值，保证模拟管柱出口压力恒定。上端设计有不锈钢插管，连接背压阀和流量计，用于气体的排出；下端设计有液相出口和排空装置，可对系统的液体进行排出。

1.6 测试系统

测试系统主要用于实时测量、显示、记录、存储系统中的压力、温度、差压、流量等参数。

1.7 数据采集与处理系统

可通过压力传感器、气体流量计和液体流量计等采集压力、流量信号，并通过数据采集卡实现与计算机的链接。智能气动流量调节阀控制气体流量、液体流量及管柱出口背压情况。液体流量也可通过变频器调节柱塞泵工作频率来实现。压力传感器测试气、液及气液混合压力。质量流量传感器测试气体、液体流量。

1.8 安全保护系统

该装置配有安全阀及电接点压力表双重保护系统，保证装置的安全可靠。

1.9 实验实物模型

涡流器与射流泵实验实物如图2所示。

图2 射流涡流实验实物图

2 实验项目开发

本实验台可根据要求进行工况调节，模拟不同工况下的多相流流动状态，也可完成对不同工具或工具组合的测试实验，根据实验数据选择不同工况下最合适的工具或组合，为优化工具设计提供精确数据和理论支持。实验系统及实验测试仪表分别如图3和图4所示。

1)模拟井下油管和井底多相流体流动状态，为教学观测和科研提供了良好的实验平台。

2)模拟管柱中载入同一射流或涡流工具在不同生产参数(流速、气液比等)条件下的流态变化及携液情况，测试工具的流量比和压力比等数据，用于分析工具的适应性。

3)模拟不同的射流或涡流工具参数(射流泵：喷嘴、喉道、扩散管等；涡流器：螺旋体直径、螺旋角、翼宽、翼高等)时，在同一生产参数(流速、气液比等)的流态变化及携液情况，测量工具的临界携液流量、排液能力及加载工具前后管柱内的压力降等数据，验证并完善射流或涡流优化设计模型，根据实验结果优化设计射流或涡流工具参数。

4)结合以上实验内容，对射流涡流组合工具排水采气工艺进行试验，测试此工艺的可行性，并根据模拟的不同工况，选择最优组合。

图3 实验系统图

图4 实验测试仪表图

3 应用实验

根据开发的实验项目，选择一组射流泵进行实验，旨在获得射流泵的基本特性曲线，以便为现场应用提供依据，同时，也验证已设计射流泵的性能好坏，便于进一步的优化设计。

实验通过调节动力液流量控制阀，改变动力液流量大小(同时改变流量)获得不同的流量比，测得实验数据。吸入液为自由引射状态，且在模拟管柱内存在一定的背压值情况下，测量吸入液流量与压力。

共进行9组实验，包括Φ2、Φ3、Φ4、Φ5、Φ6、Φ7 mm单喷嘴射流泵和Φ2、Φ2.5、Φ3 mm双喷嘴射流泵等9种尺寸的射流泵。表1为双喷嘴射流泵Φ2.5 mm的实验数据。

根据9组不同的实验结果，我们可以得出结论:Φ2、Φ3、Φ4、Φ5 mm单喷嘴射流泵和Φ2 mm双喷嘴射流泵在实验过程中不能进行自由引射液体。其主要原因为，当喷嘴过流面积较小时，节流压差较大，且气体在喉嘴距管处发生逸散堵塞液体通道。双喷嘴射流泵随着喷嘴直径的加大，其能够引射液体所需要的动力气压力降低，且存在最低引射压力值，当动力气压力低于0.7 MPa时，不能够引射液体；单喷嘴射流泵随着喷嘴直径的加大，其能够引射液体所需要的动力气压力降低，且随喷嘴直径增加，最低引射压力降低。同时，能够引射液体的射流泵喷嘴直径主要受气体流量的影响，即动力气能够引射液体随着压力的升高，所需要的质量流量增加，而体积流量基本保持不变。

表1 Φ2.5 mm双喷嘴射流泵实验数据表

由此可见，本实验台在模拟排水采气工况和测试工具时，方式多样，种类灵活，为优化工具设计提供了很好的帮助和理论支持。

4 结束语

通过实验台的研制和实际应用可知，该装置改善了石油类高校排水采气模拟实验的教学和科研环境，填补了低压低产气井模拟实验装置的空白，与低压低产气井排水采气实际应用的工况更加接近，达到了教学和科研结合的研发目的。随着各种实验的进行和实验台的不断完善，可开发出更多适用于现场的实验项目，更好地服务于各项研究。

[1]杨继盛.采气工艺基础[M].北京:石油工业出版社，1992.

[2]张书平，白晓弘，樊莲莲，等.低压低产气井排水采气工艺技术[J].天然气工业，2005(4)：106-109.

[3]韩长武.天然气井排水采气工艺方法优选[D].西安：西安石油大学，2012.

[4]王常斌.油井排砂用射流泵的研究[D].杭州：浙江大学，2004.

[5]蒋巍.新型固-液水力旋流器结构设计及分离性能研究[D].大庆：大庆石油学院，2005.

[6]张春，金大权，王晋，等.苏里格气田井下涡流排水采气工艺研究[J].天然气技术与经济，2012，6(5)：45-48.

[7]孙竞潇.多功能旋转机械动态实验台的研究[D].重庆：重庆大学，2003.

[8]李帅.U型管压力实验台的研究与开发[D].兰州：兰州理工大学，2008.

Development and Application of Jet and Vortex Tool DrainageSimulation Experimental Platform

XU Jianning, YAN Xianwei, SHAO Le

(College of Mechanical Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

A new kind of high-pressure drainage simulation experiment platform is developed for research low-voltage and low-yielding wells jet vortex drainage technologies and observation down hole tubing, down hole multiphase fluid flow condition. Analysis of the importance of research jet vortex drainage technologies, introduces the basic components of the experiment platform. In addition, in order to optimize drainage tools, a series of experiments of jet, vortex and their portfolio tools are designed and developed, and illustrate its feasibility. The experimental platform is developed to be a multifunction and integrated experimental, teaching and scientific research platform.

drainage; jet pump; vortex tool; experiment platform

2014-09-24；修改日期: 2014-10-15

徐建宁(1963-)，男，硕士，教授，主要从事石油机械的研究及教学工作。

TE377;G482

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.066