酸性气田CO2二级射流泵排水采气工艺模拟研究

孙天礼，梁中红，朱 国，钟海全,王 宇,何同均

(1.中国石化西南油气分公司 采气二厂，四川 阆中 637455；2. 西南石油大学 油气藏地质与开发工程国家重点实验室，成都 610500；3.中国石油西南油气田分公司 工程技术研究院，四川 广汉 618300;4.中国石油西南油气田分公司 蜀南气矿，四川 泸州 646001)

在气田开发过程中，随着压力和温度的降低，井筒中常会滞留一些水或凝析液而形成“气井积液”[1]，通常需采取排水采气[2]措施才能恢复气井生产。射流泵因为结构简单、工作效率高、维护方便等优点，成为积液气井排液采气的常用措施之一。虽然学者针对常规射流泵[3-8]开展了广泛的研究，CO2气井排液采气工艺也在大庆油田开展了现场实验，并取得了成功，但对于二级射流泵及CO2作为动力液的研究还未见报道。本文立足于一级射流泵的结构，设计了二级射流泵。通过与常规动力液对比，提出采用CO2作为动力液。通过Fluent软件对一级和二级射流泵进行水和超临界CO2[9-11]数值模拟对比，优化设计了最佳参数的二级射流泵。为产水气田，尤其是酸性气田排水采气或油气井酸化后工作液的返排提供了新的工艺方案。

1 动力液的选择

动力液[12]的选择对于射流泵排液采气工艺技术尤为重要。合理的动力液既可以降低能量损失，又可以降低动力液的注入压力和井筒压力损失，还可以降低成本，提高经济效益。通过对比天然气、氮气、二氧化碳作为动力液的性能，二氧化碳易实现超临界态，由井底流压的计算可知，相同情况下注入二氧化碳得到的井底流压最大，可以达到降低注入压力的目的。

二氧化碳处于超临界状态时具有密度高、黏度低、与井液能量交换率高等优点[13-15]。与常规的水做动力液相比，注入二氧化碳可以降低井筒内混合流体的密度，有利于举升。混合流体在通过射流泵后，压力不断降低，二氧化碳由液态向气态转变[16]，相当于气举举升。因此，选择二氧化碳作为动力液可最大程度实现气举与射流泵的组合排液，尤其适合酸性气田排水采气，或油气井酸化后工作液的返排。

2 二级射流泵模型

2.1 射流泵结构

常规的单级射流泵在较低的吸入压力条件下易产生气蚀，同时会因射流作用易受到流体的磨损和冲击，影响射流泵的排液量和寿命[17-18]。常规的井下双级射流泵也只是将2个单级射流泵串联而成，施工难度大，排液量虽有提高，但排液效率较低，且不能有效降低气蚀现象。为了克服以上的不足，在一级射流泵结构基础上提出了一种新型二级射流泵，结构如图1所示。

1—套管；2—油管；3—动力液入口；4—一级喷嘴；5—一级混合室；6—一级喉管； 7—二级喷嘴；8—二级混合室；9—二级喉管；10—扩散管；11—混合液出口；12—地层液入口；13—混合液排出通道；14—地层液通道；15—二级地层液通道；16—一级地层液通道。

在第1级泵中，动力液从第1级喷嘴喷出，与进入第1级混合室的吸入液进行混合，动力液压能转换成动能，混合液经过第1级喉管作为第2级泵的动力液从第2级喷嘴喷出， 与进入第2级混合室的吸入液再次混合，动力液压能再次转换成动能，在第2级喉管内再次充分混合并进行动量交换，最后进入扩散管，将动能转变成压能，以达到排出混合液的目的。这种新型二级射流泵有以下优点：

1) 增大了吸入口压力，降低流体的磨损和冲击以及气蚀的发生。

2) 增大了混合比，提高了排液能力。

3) 1次注入动力液，能量2次循环利用，结构紧凑，一体化程度高，操作简单，易于施工。

2.2 计算域网络划分

定义二级射流泵的尺寸比例为第1级泵(较小的一级泵)与第2级泵(较大的一级泵)的相应尺寸的比例。设定二级射流泵的第2级泵结构为一级射流泵的结构，通过优化第2级泵的结构来对二级射流泵的结构进行优化。利用Gambit软件对一级射流泵和二级射流泵进行建模，二维网格图如图3～4所示。

图3 一级射流泵二维网格图

图4 二级射流泵二维网格图

采用标准的k-ε湍流模型与标准的函数法，模型求解器选择压力基、显式、定常流。两相流模型选择混合物模型。流体材料选择水和CO2，吸入液入口选择水相，动力液入口选择CO2相。入口使用速度边界，动力液入口速度v1=150 m/s，吸入液入口速度v3=20 m/s，混合液出口使用压力边界，其压力为12 MPa。压力速度耦合求解方式选择最普遍的SIMPLE法。

3 计算结果分析

在同一速度和压力边界条件下，建立对称轴，分别对一级射流泵和二级射流泵做超临界状态的CO2和水的两相流Fluent数值模拟分析，计算结果如表1，然后根据所得数据或者云图对一级射流泵和二级射流泵的各重要指标进行比较和分析。

表1 计算结果

3.1 混合比

通常，射流泵的混合比[19-20]可取值0.1～0.8。混合比过低，吸入口较小，吸入压力低，使得流体流动不稳定，可能导致断流现象。混合比q是指吸入液入口体积流量与动力液入口体积流量的比值，是评价射流泵性能的重要参数。由定义可得混合比的公式为：

(1)

式中：ρ1、ρ3分别为动力液入口的动力液密度、吸入液入口的吸入液密度，kg/m3。

由式(1)及表1可得：二级射流泵的混合比值为0.307 6，一级射流泵的混合比值为0.235 7； 二级射流泵的混合比值较一级射流泵的混合比值大。

两相流流场数值模拟中，一级射流泵和二级射流泵密度云图如图5所示。可知，从混合室区域开始，二级射流泵的混合密度较小，混合程度更大，流体混合更充分，导致二级射流泵混合比增大，使得流量更稳定，不易出现断流现象。

图5 密度云图(kg/m3)

3.2 压力分布

一级射流泵和二级射流泵的压力分布如图6所示。由图6可知，二级射流泵的低压范围要比一级射流泵的大得多。一级射流泵只有1次喷射过程，整个过程的压力变化单一，动力液和吸入液在低压区吸入室混合后，在喉管中的低压区范围比二级射流泵两级喉管的低压区范围大，表明一级射流泵的混合液在喉管中的压力恢复速度较慢，时间较长。

图6 压力分布(Pa)

如果射流泵排出口采用自由流动边界条件，通过数值模拟计算，二级射流泵排出压力较大。排出压力越大，井液被排出地面越容易，排液能力越强，因此二级射流泵比一级射流泵的排液潜力更大。

由一级射流泵和二级射流泵的压力沿对称轴变化曲线(如图7)可知：二级射流泵经过喷嘴喷射流体的降压增速过程后，降到的最低压力比一级射流泵降到的最低压力要高；二级射流泵两次喷射过程中降到的最低压力基本相等。一级射流泵动力液入口压力高于二级射流泵的入口压力；在二级射流泵的第2级喉管中的压力均大于一级射流泵的喉管压力。

图7 压力沿对称轴变化

3.3 速度分布

一级射流泵和二级射流泵的速度分布如图8所示。

图8 速度分布(m/s)

由图8可知，高速工作液进入吸入室后，一级射流泵和二级射流泵的喷嘴出口均有明显加速的现象，但是二级射流泵有着单级泵不可比拟的2次加速过程，区别在于二级射流泵多了1个加速第1级吸入液的过程。

二级射流泵的混合流体通过喷嘴喷出并降压增速后，达到的最大速度比一级射流泵小；一级射流泵喉管混合液速度的下降率远大于二级射流泵；在扩散管中，二级射流泵的速度下降大，动能转换为压能的效率更高。

3.4 效率分析

按不同尺寸的二级射流泵确定二级射流泵尺寸比，并根据射流泵效率定义[6]计算不同尺寸二级射流泵效率，得到二级射流泵尺寸比与效率的关系如图9所示。

图9 二级射流泵尺寸比与效率关系

由图 9可知，随着尺寸比例的增大，二级射流泵效率先增大后减小。当尺寸比在0.56～0.64 时，效率处于较高值，此结构组合为最佳，其效率可达50%。

4 结论

1) 基于常规射流泵的结构，设计了新型二级射流泵。通过Fluent数值模拟，对二级射流泵的结构进行优化与效率计算。二级射流泵尺寸比在0.56～0.64时，其效率较高，可达50%。

2) 通过天然气、氮气、二氧化碳性能的对比，利用二氧化碳处于超临界状态时具有密度高、黏度低、与井液能量交换率高的优点，提出用二氧化碳代替常规动力液的方案。

3) 通过对一级射流泵和二级射流泵做水和超临界CO2的两相流数值模拟分析，结果表明：二级射流泵的混合比大于一级射流泵，流体混合更充分，流量更稳定，不易出现断流现象；二级射流泵的排液动力更大，二级射流泵的两级喷嘴之间的速度得到提升，且有利于提高排出效率。