井下超音速雾化排水工艺适应性研究

倪 杰 刘 通 姚麟昱 许 剑

中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院, 四川 德阳 618000

0 前言

川西气田浅层气井中96%的气井井口压力低于5 MPa,产量占总产量的94%,主要依靠泡排工艺维持稳产,随着地层压力的进一步降低,泡排效果逐年减弱,为此,川西气田引进了超音速雾化排水工艺,希望能替代泡排工艺成为稳产的接替工艺。至2020年底,累计开展了9口井超音速雾化现场试验。从统计的应用情况来看,雾化工艺应用后产气量、产水量均无明显变化,目前尚有6口井继续试验。有必要对井下超音速雾化排水工艺采气原理、适用条件及排水采气效果开展评价研究。

1 超音速雾化排水工艺原理

利用拉法尔管的渐缩—渐括结构[1-2],亚音速气流先在渐缩管中加速,当气流被加速到Ma=l,即达到音速状态,再通过渐扩管,以使气流继续加速到超音速,达到超声雾化液滴的效果[3-4],见图1。

a)普通油嘴a)Ordinary nozzle

现场实施时,利用钢丝将类似于井下节流器的超音速雾化装置密封座挂在井下生产油管的设计位置处,该装置与井下节流器的最大区别是将普通油嘴变成了拉法尔管喷嘴[5]。

2 现场试验

至2020年底,现场开展了9口井试验,下入超音速雾化装置后产气量、产水量均无明显变化,见图2和表1。以什邡310-2HF井为例,该井2018年12月20日下入超音速雾化装置,下入后气井动态表现为“一升三降”，即套压升高(由1.04 MPa升至1.15 MPa),油压降低(由0.68 MPa降至0.62 MPa),日产气量降低(由0.91×104m3降至0.78×104m3),日产液量降低(由0.46 m3降至0.27 m3),这是低压低产井井筒积液的特征,表明超音速雾化装置下入后反而抑制了排水,见图3。为分析工具适应性差的原因,开展数值模拟分析。

图2 超音速雾化排水工艺应用前后对比图Fig.2 Comparison before and after application ofsupersonic atomization drainage process

表1 超音速雾化排水工艺应用前后生产情况对比表

图3 什邡310-2HF井下入超音速雾化装置前后生产情况图Fig.3 Production before and after facility insertion in Shifang 310-2HF

3 数值模拟研究

受井下实验条件的限制,数值模拟是研究井下流动规律的强有力手段[6]。本研究利用Fluent仿真模拟软件,模拟川西中浅层气井的流动工况,对普通油嘴、拉法尔管、“普通油嘴+拉法尔管”组合以及“普通油嘴+拉法尔管+涡流管”组合这四种雾化元件的结构进行流体仿真研究,目的是评价拉法尔管在提升携液能力上是否具有优势,此外,研究了通过组合,是否能达到稳产的效果,进一步提升携液能力[7-9]。模拟的雾化元件的结构参数见表2,四种雾化元件的物理模型见图4。

表2 模拟的雾化元件的结构参数表

图4 四种雾化元件的物理模型图Fig.4 Physical models of four atomizing elements

3.1.1 模拟的工况参数

基于实际工况,模拟雾化装置的位置位于井下1 500 m处,油管内径62 mm,生产油压为2 MPa,节流嘴上游温度50 ℃。模拟不同工况参数见表3[10-12]。

表3 模拟气井生产的工况参数表

3.1.2 模拟结果

1)低压低产井中通过安装组合元件可以获得更高的流速。

针对四种雾化元件,模拟不同工况压力下的流速和携液量。可以看到,随着压力增加,组合元件在压力低于 15 MPa 时,流速高于普通油嘴和拉法尔管,但是组合元件随压力的增加流速增加并不明显,而普通油嘴和拉法尔管流速增加明显,压力高于15～20 MPa以后,流速高于组合元件,见图5。对于川西中浅层低压低产井,通常井底压力小于10 MPa,采用组合元件可以获得更高的流速[13-14]。

图5 不同工况下的流速图Fig.5 Velocity under different working conditions

2)流速高携液效果并不一定好,四种雾化元件中拉法尔管的携液效果最好。

相对单独的普通油嘴或拉法尔管,尽管组合元件在低压下出口处的流速更高,但是从模拟的携液状况分析来看,和经验认知有很大差异,即流速更高的组合元件并未能起到携液的效果,反而起到了抑制排液的作用,而单独的普通油嘴和拉法尔管每秒携液 0.1 kg 以上,且随压力增加携液量不断提升,其中拉法尔管的携液能力最优[15-17],见图6。

图6 不同工况下的携液量图Fig.6 Liquid carrying capacity under different working conditions

组合元件在携液能力上并未起到接力效果,反而起到抑制作用。通过进一步的模拟发现,液相在进入组合元件的入口前发生了明显滑脱，见图7～8,而普通油嘴和拉法尔管均能均匀带液，见图9～12。从图7～12分析认为,组合元件将不同元件组合在一起后增加了液相通过的阻力,这也刚好解释了为什么组合元件的流速对压力不敏感的原因。

图7 “普通油嘴+拉法尔管”液相分布图Fig.7 Liquid phase distribution in “ordinary nozzle+Laval tube”

图8 “普通油嘴+拉法尔管+涡流”液相分布图Fig.8 Liquid phase distribution in “ordinary nozzle+ Laval tube + eddy tube”

图9 普通油嘴液相分布图Fig.9 Liquid phase distribution in an ordinary nozzle

图10 拉法尔管液相分布图Fig.10 Liquid phase distribution in a Laval tube

图11 普通油嘴流速迹线图Fig.11 Flow velocity trace in an ordinary nozzle

图12 拉法尔管流速迹线图Fig.12 Velocity trace in a Laval tube

3)拉法尔管比普通油嘴更容易达到超音速雾化状态,但其有效作用距离非常有限[18-19]。

如图13,相同压力下,拉法尔管的流速高于普通油嘴,且压力越高,拉法尔管的流速增加得越快,比普通油嘴快20%以上,总体来说，拉法尔管比普通油嘴更容易达到超音速雾化状态[20],通过模拟,在入口压力22 MPa下,拉法尔管的最高流速达到700 m/s,但很快衰减至6 m/s,见图14,据此作出流速与有效作用距离的曲线图15,从图15可以看出,有效作用距离仅7 m。

图13 普通油嘴和拉法尔管的流速对比图Fig.13 Comparison of flow rates under different pressures

图14 “拉法尔管”流速沿程分布图(22 MPa,0.2 Vf)Fig.14 Velocity distribution along the path of“Laval tube”(22 MPa,0.2 Vf)

图15 出口流速沿程变化图Fig.15 Variation of exit velocity along the path

4 结论

1)采用拉法尔管结构原理的雾化装置能达到超音速条件,在出口处强烈的高流速冲击下能达到雾化效果,但这种雾化有效作用距离很短,仅7 m左右,在川西中浅层1 000～2 000 m埋深的气井中效果很微弱。

2)采用普通喷嘴+拉法尔管+涡流管等组合的方式,在低压井中可以获得更高的流速,但是由于组合后增加了液相通过的阻力,携液效果反而弱于单独的拉法尔管或普通油嘴。

3)基于以上两点研究认识,井下超音速雾化排水工艺最主要的功能还是井下节流,在雾化排水方面的功能非常微弱。