射流泵内多相流动的双欧拉模拟分析

于法浩 王 通 蒋召平 高建华 喻小刚 付治军

（中海油田服务股份有限公司，天津 300459）

射流泵排采技术以其适用性强、检修期长和修井费用低等优势受到越来越多的关注，在油井洗井冲砂、排水采气、稠油开发等方面的应用日益广泛[1-2]。国内外学者针对射流泵从喷射特性、喉管结构、摩擦损失系数和泵效等方面进行大量细致、卓有成效的工作，有效推动了射流泵技术的发展。部分学者在研究过程中假设动力液与吸入液为同种流体，导致预测结果同实际产量之间存在较大误差[3-4]。计算机软硬件技术的发展使得计算流体力学得到了广泛应用，为深入研究射流泵内多相流动及排采参数优选提供了强有力的工具。陆宏圻[5]、龙新平[6]、王松林[7]、向清江[8]等开展了相关数值模拟工作，为后续研究工作提供了合理借鉴。文章采用数值模拟的方法分析油田现场用射流泵内的多相流动，并优选得出适合现场生产工况的射流泵结构参数。

1 数值计算模型介绍

射流泵的物理模型如图1 所示。增压后的工作液经左侧入口进入射流泵喷嘴，在喷嘴出口附近产生显著压降。地层流体在压降作用下经内外油管环空区域到达吸入口，在喉管处同高速工作液射流掺混后进入扩散管，再经右侧扩散管出口排出。采用四面体网格对整个计算域进行网格划分，网格总数为201 万。模拟计算过程中，根据初步计算结果动态调整网格尺寸及分布，以实现网格的无关性。

图1 物理模型

分析射流泵内多相流动可知，整个流场内工作液和地层吸入流体共存，即两种流体相互掺混发生动量交换。根据以往的研究结果，结合各种模拟方法的特点及现场用射流泵的具体情况，决定采用双欧拉方法建立射流泵内多相流体流动模型。将工作液与地层流体都看作连续流体，二者在同一流动空间内相互掺混，发生动量及必要的能量交换。模拟过程中，考虑了相间拖曳力和表面张力。相间拖曳力采用Schiller-Naumann 模型处理，表面张力恒定，取值为0.04 N·m-1。由于流动过程没有涉及能量的输入与输出，模拟计算中无须求解能量方程。

2 结果分析

2.1 射流泵内多相流动分析

利用建立的计算模型开展射流泵内多相流动模拟分析，得到不同工作液压强和排量下计算域内工作液和地层采出流体的压强、速度及体积分布情况。图2为地层流体体积分数分布情况。可以看到，地层流体与工作液在喉管入口附近接触前，流体进口、内外筒甚至吸入口周围都被地层流体充满。二者掺混降低了地层流体的体积分数。混合液体向扩散管段流动，在此过程中地层流体体积分数的变化不大。

图2 地层流体体积分数分布

2.2 模拟计算结果验证

利用所建立的多相流体流动模型，预测现场工况下不同喷嘴-喉管组合的产液量，并将预测结果同射流泵厂家提供的软件计算结果进行对比，以验证模拟方法的准确性[9]。不同喷嘴-喉管组合、不同井底流压条件下模拟结果与软件预测结果的对比情况，如图3所示。可以发现，不同工况条件下，模拟计算结果同软件预测结果吻合良好，初步证明建立的多相流动模型准确性较高，为后续注采参数优选夯实了基础。

图3 模拟结果与软件预测结果对比

2.3 喷嘴-喉管间距对产液量的影响

选取2.57～4.36 mm 组合，计算不同间距对产液量的影响。图4 为9 MPa 流压、喷嘴-喉管间距0～5 mm 条件下的产液量变化。可见，随着间距的增大，相应的产液量逐渐下降。喷嘴-喉管间距对吸入口附近压强及流体流动都有较大影响。当喷嘴-喉管间距较小时，工作液射流产生后会快速进入喉管，在吸入口附近产生较为明显的压降。若喷嘴-喉管间距过小，地层流体经吸入口进入喉管的空间受限，工作液与地层流体间的掺混不够充分，会降低射流泵的工作效率。随着喷嘴-喉管间距的增大，工作液射流在吸入口附近产生的负压效果逐渐减弱，为地层流体进入喉管提供了相对充分的空间，使得二者的掺混效果也会有所提升。

图4 喷嘴-喉管间距对产液量的影响

2.4 喉管尺寸对产液量的影响

在地层流压5 MPa 的条件下，选取4.49 mm 喷嘴，搭配6.81 mm、7.62 mm 和8.52 mm 这3 种不同尺寸的喉管，开展不同工作液压强和排量下的产液量计算，分别命名为组合1、组合2 和组合3，结果如图5 所示。可以发现，喉管尺寸越大，相同工况下的产液量越低。喉管尺寸的加大，与喷嘴-喉管间距的增加具有类似效果，都降低了工作液在吸入口附近的负压，增加了地层流体进入喉管的空间，从而减少了地层产出液排量。

图5 喉管尺寸对产液量的影响

2.5 流体黏度对产液量的影响

地层产出流体黏度对射流泵产液量具有不可忽略的影响，为此选取4.49～8.52 mm 喷嘴-喉管组合，在5 MPa、9 MPa 的井底流压下进行相关研究，其中采出流体黏度为0.05～35.00 Pa·s。流体黏度对产液量的影响如图6 所示，可见随着采出流体黏度的升高，不同流压下产液量都显著下降，流体黏度越低，产液量下降的速度越快。另外，随着井底流压的升高，相应的产液量会有明显提高。

图6 地层流体黏度对产液量的影响

3 结语

文章建立了现场用射流泵的物理模型，并采用双欧拉方法对射流泵内工作液和地层流体多相流动进行模拟计算。模拟分析结果表明：所建立的多相流动模型可以为后续射流泵排采参数优化提供理论基础；当前计算范围内，随着喷嘴、喉管间距的增加，地层采出液排量下降；喷嘴尺寸固定，喉管尺寸越大，产液量越低；随着采出流体黏度的升高，不同流压下的产液量均显著下降。