超音速雾化排水采气研究

焦峥辉，刘建平，赵　稳（西安石油大学，陕西西安　710065）



超音速雾化排水采气研究

焦峥辉，刘建平，赵稳
（西安石油大学，陕西西安710065）

摘要：气井排水采气普遍受到井底积液的影响，特别是对于低产量井，清除井底积液已经成为采气行业的一大难题，因此急需开发出能适应于低产量井的排水工艺及技术。本文针对现有的排水采气技术进行调研并做出总结，在此基础上提出超音速雾化排水采气方法；阐述了拉伐尔喷管产生超音速和高速破碎机理；最后进行实验研究，通过实验可知雾化是一种可行的排水采气方法，但是温度对雾化效果的影响较大。

关键词：超音速；雾化；排水采气

在天然气开采过程中，随着开采时间的增加，气井的压力和产量均会有不同程度的降低，从而导致天然气的携液能力降低，致使气藏中的产出水或凝析液不能随天然气流携带出地面，滞留在井底。这些液体在一段时间内聚集于井底，形成液柱，对气层造成额外的静水回压，气井产量降低，逐渐变为间歇井，如果这种情况持续下去，井筒中聚集的液柱会将气体压死，导致气井停产。因此，需要采取措施将井底积液举升到地面，减小井底压力，保证正常生产。

1　国内外排水采气技术现状

国内气田现阶段排水采气工艺主要有下述几种方法：优选管柱排水采气、泡沫排水采气、气举排水采气、柱塞气举排水采气、机抽排水采气、电动潜油泵排水采气、射流泵排水采气[1-3]。

针对气井积液问题，国外也进行了大量的理论研究与现场应用研究，目前，国外气田所采用的排水采气工艺的方法主要有：天然气连续循环采气工艺、超声波雾化技术、气举排水采气、电潜泵倒置排水采气、同心毛细管技术等等[4，5]。

由于地质条件的复杂性导致各单井的生产条件各不相同，上面提到的各种排水采气工艺及技术不能满足所有单井的生产条件，所以随着油气田的开发，新的排水采气工具、工艺及技术急待研发以适应新的工作需要。近年来，国内外石油科技工作者针对现有积液气井排水采气工艺的不足和缺陷，通过多年努力研制开发出了一系列新的工艺，如：超音速雾化排水采气、气体加速泵技术、单管球塞连续气举工艺、分体式柱塞气举等。

关于超音速雾化排水采气技术在国外还没有查到相关文献，国内在这方面的研究刚刚开始。2014年长庆油田在这方面做了初步的理论研究与实验研究，此次研究基本思想是对常规节流器喷嘴进行优化设计，用相同气嘴直径的音速雾化节流器替换正常节流器。其主要研究内容包括：音速喷管雾化原理、喷管内超声速流的数值模拟、雾化效果分析以及现场试验。

经过现场试验证明液体雾化后，气液两相混合物平均密度降低，气井井筒内压力降损失降低，易于将液体排出，使得天然气产量稳定。这是非常有效的排水采气新方法和新技术，特别适用于低产天然气井的排水[6]。

2　雾化机理

实现超音速的核心部件是拉伐尔喷管，目前拉伐尔喷管普遍应用于导弹、飞机、火箭等设备上以实现超音速飞行，而雾化主要应用于内燃机的燃油喷射方面，该技术可以把燃油雾化成几十微米的细油滴，从而改善发动机的燃烧特性和排放特性，这两方面的理论及技术在各自的领域都已经很成熟（见图1）。

图1　拉伐尔喷管结构示意图

从图1可以看出拉伐尔管由收缩段、喉管和扩张段三部分组成。根据速度随通道截面积的变化关系式可知：

（1）亚声速气流（Ma<1），此时dA与dv异号，即通道截面积沿程减小，速度将沿程增大；通道截面积沿程增大，速度将沿程减小。

（2）超声速气流（Ma>1），此时dA与dv同号，即通道截面积沿程减小，速度将沿程减小；通道截面积沿程增大，速度将沿程增大。

（3）声速气流（Ma=1），此时dA=0，说明声速只能在管道的最大或最小断面处。经分析知音速流动只可能出现在最小断面处。

由上面的讨论可知，要想得到超声速气流，必须使亚声速气流先经过收缩喷管加速，使其在最小断面处达到当地声速，再经扩张管道继续加速，才能得到超音速气流[7]。

图2　高速油滴破碎机理图

高速油滴破碎机理图（见图2），油滴从与气流垂直的方向进入高速气流，球形油滴在垂直方向气流的作用下变成扁平形，然后在Rayleigh-Taylor（RT）不稳定表面波作用下加速油滴扁平化，并分裂出一些大尺寸碎片，然后在更短波长的Kelvin-Helmboltz（KH）不稳定表面波作用下把大尺度碎片割成丝状，然后生产更细的油滴[8]。

3　实验研究

该工艺的基本思想是利用拉伐尔喷管的加速性能将天然气加速到音速或者超音速，一方面是利用高速气体对进入喷管出口处的液体进行剪切，将液体破碎成小水珠；另一方面是由于喷管出口处的压力降低甚至成为负压，加之井底的温度较高，使液体汽化。在这两种方法的配合下液体被雾化或汽化，被雾化的液滴直径小于平衡态时的临界液滴直径，天然气依靠自身动能就可以将液滴带出井口，如果被汽化，则和天然气均匀混合而排出井口。该技术目前处于可行性研究阶段，做了大量雾化试验，试验照片（见图3）

图3　超音速雾化效果图

3.1试验数据（见表1）

3.2实验过程及结论

第一次试验，把雾化器安装在油管下端，开始阶段完全雾化，水雾从油管上端喷出，随着时间的推移，油管上端有水珠喷出且水珠逐渐增大，试验进行到10 min时油管下端和雾化器连接处有水流出，停止试验，经测量水箱水量减少了0.6 kg，从油管内流出0.4 kg，则从油管上端排出0.2 kg。分析第一次试验的结果，可能是由于喷嘴直径大，雾化后的水珠直径较大，接触油管之后更容易凝结，所以更换较小直径的喷嘴进行试验，把第一级喷嘴由原来的3.1 mm更换为2.1 mm，把第二级喷嘴由原来的4.5 mm更换为3.1 mm，其他条件不变进行试验，此次试验不连接油管直接测量雾化量，雾化效果较差。随后进行第三次试验，此次试验以雾化效果为目标，暂时不考虑雾化量，实施方案是降低泵入雾化器液体的流量，通过降低泵入压力实现，压力由原来的0.3 MPa降低到0.2 MPa，不连接油管进行试验，雾化效果良好。于是进行第四次试验，把雾化器连接在油管上试验，试验到1 min时有水从油管下端流出，试验停止。

经过多次试验证明，完全雾化时将雾化器接入油管下端试验，水雾会在油管壁上凝结，然后沿着油管流下来。经分析可知，水雾凝结的主要原因是试验环境温度较低，当时实验的环境温度为6℃～8℃，且由于油管为金属材料，散热较快，雾化后的水汽由于接触油管后内能突然降低而凝结。

表1　试验数据

4　总结

从国内外众多的排水采气技术中可以看到：各种技术各有长处，针对不同气井的工作条件采用不同的排液方法。也可以看到大多数的研究都是按着这样的方向去努力；就是降低天然气和水的混合物密度，增加天然气在通道内流速，使得天然气在流动过程中依靠自身能量就能够携带出水来。按照这个方向去研究气井排水采气问题，可以研究出适合单井气井排液的最佳方法和技术。

拉伐尔喷管普遍应用于导弹、飞机、火箭等设备上以实现超音速飞行，而雾化主要应用于内燃机的燃油喷射方面，该技术可以把燃油雾化成几十微米的细油滴，从而改善发动机的燃烧特性和排放特性，这两方面的理论及技术在各自的领域都已经很成熟。只要借鉴成熟的技术再结合气井生产的实际情况就可以做出一个符合实际生产的雾化排水采气装置。

参考文献：

［1］春兰，魏文兴.国内外排水采气工艺现状［J］.吐哈油气，2004，（3）:255-261.

［2］周际永，伊向艺，卢渊.国内外排水采气工艺综述［J］.太原理工大学学报，2005，36（S1）：44-46.

［3］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，2005，25（4）:106-109.

［4］黄艳，佘朝毅，钟晓瑜，等.国外排水采气工艺技术现状及发展趋势［J］.钻采工艺，2005，28（4）:57-60.

［5］何桥松，陈婕，李蒋军，等.国外排水采气新工艺综述［J］.内江科技，2012，（4）:54+65.

［6］曹朋亮，等.音速雾化节流器排水技术探讨［C］.第十届宁夏青年科学家论坛石化专题论坛，2014.

［7］严敬.工程流体力学［M］.重庆：重庆大学出版社，2007：232-233.

［8］蒋德明.内燃机燃烧与排放学［M］.西安：西安交通大学出版社，2001：427.

华北石化公用工程运行部解决聚丙烯原料含水难题

3月2日，华北石化公用工程运行部组织管理和技术人员对新改造的丙烯预精制固碱塔脱水效果进行了初步评价。评价结果认为，经过两周的运行，聚丙烯原料预精制固碱脱水系统效果良好。

华北石化聚丙烯装置于2015年11月复产以来，受原料质量等因素影响，存在聚合反应弱、剂耗能耗增多的问题。聚合反应弱导致了大量聚丙烯细粉的产生，易造成回收单元下料不畅等不良后果，严重时可能造成装置停工。由于原料质量差，装置复产后一直无法进行聚丙烯专用料的生产。

针对这一问题，公用工程运行部组织力量开展了专项技术攻关。经过仔细调研和论证，提出了将预精制脱硫反应器D0203A中的脱硫剂更换成固碱的技术改造方案，在增强丙烯脱水效果的同时脱除丙烯原料中的二氧化碳、硫化物等物质，从而达到改善原料质量、增加装置耐水冲击能力的目的。运行部2016年1月开始组织D0203A卸剂，换装11.4 t固碱，同时结合生产实际对设备内部进行了改造。目前，聚丙烯成品加工性能正在进一步评价，装置已于2月底顺利进行专用料LI28F的转产工作，下一步准备试产华北石化公司专利产品CPP膜料HB-01M。

（摘自中国石油报第6545期）

*收稿日期：2016－01-11

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.014

中图分类号：TE375

文献标识码：A

文章编号：1673-5285（2016）03-0054-03