可调式天然气喷射引流器设计与试验研究.pdf

2 0 1 2年 第 4 1卷 第 7 期第 6 2页 石油 矿场 机械 OI L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 01 - 34 8 2 2 01 2 07 0 06 2 04 可调式天然气喷射引流器设计与试验研究 赵军友 ， 王秀会 ， 张振 国， 杨 勇 ， 邹俊艳 ， 刘 敬 中国石油大学 机电工程学 院 ， 山东 青岛 2 6 6 5 5 5 摘 要 为 了高效开采 低压 天然 气 、 提 高喷射 引流 器的 引射 率 ， 设 计 了一 种 节流 阀结构 的 可调 式 天 然 气喷射 引流 器。试验 结果 表 明 低 压 气流 量与 高压 气压 力呈二 次 函数 关 系 ， 即低 压 气流量 随着 高压 气压 力的升 高而先 增加后 减 少。采 用 1 s t O p t 软 件对 试验数 值进 行拟 合 ， 得 出上 述规律 的数 学 函数 表达式 ， 计算结果与试验数值拟合的相关系数0 ． 9 9 。该试验结果为可调 式喷射 引流 器的现场使 用提 供 了理论依 据 。 关 键词 可调 式喷射 引流器 ； 性 能试 验 ； 引射 率 ； 数值 拟合 ； 相 关 系数 中图分 类号 TE 9 3 4 ． 4 文 献标识 码 A D e s i g n a n d T e s t R e s e a r c h o f t h e A d j u s t a b l e Ga s I n j e c t o r ZHAO J u n y o u， W ANG Xi u h u i ， Z HANG Z h e n g u o， YANG Yo n g， Z OU J u n y a n， L I U J i n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En gi n e e r i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m， Qi n gd a o 2 6 6 5 5 5 ， Ch i n a Ab s t r a c t A n e w k i n d o f a d j u s t a b l e g a s i n j e c t o r wi t h t h r o t t l e v a l v e s t r u c t u r e wa s d e s i g n e d i n o r d e r t o i mp r o v e t h e e f f e c t i v e n e s s o f e x p l o i t a t i o n o f l o w p r e s s u r e g a s a n d t h e i n j e c t r a t i o o f t h e i n j e c t o r ． Te s t p r o ve d t ha t i t i s i n q ua dr a t i c f un c t i o n be t we e n t he l o w p r e s s u r e g a s f l o w r a t e a nd t h e hi g h g a s pr e s s ur e，i ． e ． t h e l ow pr e s s ur e g a s f l o w r a t e f i r s t i nc r e a s e a nd t he n d e c r e a s e wi t h hi gh g a s 4 结论 1 油 田作 业 过 程 中会 产 生 大 量 的 压 裂 返 排 液 ， 此类 污水 中含 有大 量 的添 加剂 ， 对环 境及生 产都 有很大危害 ， 需要通过预处理之后 ， 才能进入后续污 水 处 理系统 进行 处理 。 2 对于压裂返排液 ， 破胶降黏是预处理工艺 技术 的 关 键 ， 通 过 对 比， 试 验 优 选 了 质 量 分 数 为 0 ． 1 的低温型破 胶剂 ， 停 留作 用时 间 2 4 h ， 在 约 3 0℃常温下 ， 破 胶 液 黏 度 即 可保 证 在 1 ． 5 mP aS 以内 ， 破 胶后残 渣含 量 O ． 1 5 。 3 根据试验研究结果， 制定 出针对大庆某外 围油田压裂作业污水 的预处理工艺流程， 该套工艺 可 实施 性强 ， 可 以进行 现场试 验 。 参考文献 E l i 党建新 ， 郑李 ， 刘剑波 ， 等． 油 田作业废水处理 技术研 究进展E J ] ． 油气田环境保护 ， 2 0 1 0 ， 2 0 6 6 6 9 ． [ 2 2 朱君 ， 翁惠芳 ， 李 东阳 ， 等． 基 于流固耦合技术 的压裂 液管流特性研究[ J 2 ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 3 I - 5 ． E 3 ] 朱正喜 ， 李 永革． 水 平井 裸眼 完井 分段 压裂技 术 研究 E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 1 4 4 4 7 ． [ 4 ] 李文彬 ， 刘 彦龙 ， 叶赛 ， 等． 连续油管冲砂作业参数 优 化口] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 1 5 8 6 1 ． E 5 3 王树龙 ， 邹旭东 ， 王荣业 ， 等． 压裂酸化现场配液技 术研 究 与应用 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 5 ， 3 4 4 6 7 6 9 ． [ 6 2 马 云 ， 何顺安 ， 侯亚龙． 油 田废压裂 液的危 害及 其处 理技术研 究进 展[ J ] ． 石 油化 工应 用 ， 2 0 0 9 ， 2 8 8 1 - 3 ． [ 7 3 赵雷 ， 冯 明华． 陶瓷滤料过滤油 田污水技术试 验研究 E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 7 6 6 6 9 ． 收 稿 日期 2 0 1 2 0 1 2 2 作 者简 介 赵军友 1 9 6 3 一 ， 男 ， 山东东 明人 ， 副教授 ， 硕士 ， 主要从事石油机械方面 的教学和科研工作 ， E - ma i l z h a o j y u p c 第 4 1 卷第 7期 赵 军友 ， 等 可调式天然气喷射引流器设计与试验研究 p r e s s ur e c ha n gi ng ．The m a t he m a t i c a l f u nc t i o n f or mul a ha s be e n g o t t e n by nu me r i c a l s i m u l a t i on u s i ng l s t Opt s o f t wa r e， a n d t ha t t he c o r r e l a t i on c o e f f i c i e nt i s mo r e t h a n 0 ． 9 9 b e t we e n t he c a l c ul a t e d d a t a a n d t h e t e s t e d d a t a ． Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e i n j e c t o r f i e l d us i n g． Ke y wo r d s a d j u s t a b l e i n j e c t o r ； p e r f o r ma n c e t e s t ； i n j e c t r a t i o； n u me r i c a l s i mu l a t [ o n； c o r r e l a t i o n C O P f f c i P nt 在 气 田的开发 过程 中 ， 地层 能量会 逐 渐降低 ， 进 入 中后期 的气 井 越 来越 多 。由于 气 井 的能 量 递 减 ， 井 口压 力降低 ， 部 分气 井 的进 站压 力 已与集 气 外 输 压 力持 平或 者低 于集 气 外输 压 力 ， 造 成 低 压气 井 的 不连续生产或不能生产 。气井只能采用压缩设备或 者 采 用 放空 处 理才 能 正 常开 采口 ] ， 既 浪费 了能源 又 增 加 了开采 成本 。 天然气 喷射技 术是 利用高 压天 然气来 引射 低压 天然气 的一 种节 能升 压 技 术 ， 在不 借 助 外来 能源 的 情 况下 ， 实现 低 压气 井 正 常稳 定 生 产 [ 2 ] ， 从 而 降低 生产成 本 ， 延 迟增压 开采 时 间 ， 为低 压气井 增压 开采 探 索一 种新 途径 。现 有 的喷射 器 参 数 是 固定 的 ， 不 适 用 于不 同工况 的气井 ， 应用 受 到 了 限制 。针 对 这 一 情况 ， 设计 了一 种针 阀结 构 的 可调 式 喷 射 引流 器 来 解决 低压 气井 的连续 生产 问题 。 1 可调式 喷射 引流器 的设计 1 ． 1喷射 引流原 理[ 7 ] 喷射 引流器 的工作原理是高压气经高速喷嘴 后 ， 在吸人室形成高速低压区， 从而将低压气吸引进 来 ， 在混合腔低压气与高压气充分混合， 形成具有一 定速度的混合气流 ， 在扩压段内完成升压后外输 。 1 ． 2设计原 则 1 现有 的可调式喷射器都是在高压气喷嘴前 设 计 1 个 可 以移 动 的 喷针 _ 1 “ ] ， 用 于 压 力不 高 的喷 射泵或者供热系统 ； 当应用在高压、 高速流动的天然 气 领域 时 ， 试 验 发 现高 压 气 超过 1 0 MP a时喷 针 会 剧烈振动并产生很大的噪声 ， 效果不理想或无法工 作 。针对这一问题 ， 设计 了一种新型可调式喷射引 流器， 即在喷嘴前部设计 1个针形节流 阀结构。针 形节流阀技术成熟、 可靠 ， 阀杆刚性强 ， 密封性好 ， 既 达到了调节高压气压力和流量的 目的， 又很好地解 决了调节阀针 由于振动而产生噪声的问题。 2 喷嘴是喷射器中最关键的部件 ， 喷嘴 出口 截 面积与 喷嘴 喉 口截 面 积之 比是 喷 嘴设 计 的关 键 。 因为流过喷嘴的为高压天然气 ， 为了提高气体流速 、 降低出 口处压力 ， 设计 中采用拉法尔式的超音速喷 嘴， 气体在收缩段为亚音速 ， 在喉 口达到音速 ， 喉部 以后气压 继续 降低 达到超 音速 ， 气体 在流 出喷嘴 后 ， 流束呈近似圆柱形的 自由流束 。喷嘴喉部截面积根 据 日产气量计算而定 。 3 混合 腔 和扩 压 室 采用 整 体 文 丘里 管 形 状 ， 混 合腔是 两相 流体 混合 、 吸收 的重要 结构 ， 喉部 直径 应该与喷嘴出口直径匹配； 扩压室使混合流体压力 恢 复 ， 克 服 出 口被 压 ， 气 体 利 流 出 ， 所设 计 的扩 散 角度为 9 。 。 按 照上述 原则 ， 设计 了一种 可调 式喷射 引 流器 ， 其 结构 如 图 1所示 。 图 1 司调 式 天 然 气 喷 射 引 流器 结 构 2 性 能试验 2 ． 1 试 验方 法 试验 装置 如 图 2所示 ， 为 了便于 控制高 、 低压 气 的压力 ， 在喷射装置的高 、 低压气入 口各安装 1 个调 压阀； 混合后的气体进入集输系统， 外输压力控制在 5 ． 2 MP a ； 在高、 低压气入 口各安装 1台智能漩涡流 量计 ， 对流量进行计量； 在各个气 口处安装压力表 ， 对气体压力进行测量 。 通过改变喷射装置的工作状况， 即改变进入喷 射装置的高、 低压气的压力 ， 分析低压进气量和引射 率随高压气压力 、 低压气压刀的变化规律， 研究喷射 装置 的性 能 ， 为 可调 式 天 然气 喷射 引 流器 的现 场使 用提供理论依据 。具体试验方法如下 1 保持 低压 气压力 恒定 分 别为 5 、 4 、 3 、 2 石油 矿场 机 械 2 0 1 2年 7月 MP a ， 使进入喷射装置的高压气压力从 1 5 MP a依 次减小 1 MP a ， 直 到 1 0 MP a ， 稳定 后 测 量 高压 气 流 量和低 压气 流量 。 2 在 一定 的高压 气压 力下 分 别 为 1 5 、 1 2 MP a ， 使进入喷射装置的低压气压力从 2 MP a依 次增加 1 MP a ， 直 到 5 MP a ， 稳 定后 测量低 压气 流量 和高压 气流量 。 高压 低压气人 I _1 图 2喷射器试验流程 出 口 2 ． 2试 验结果 按 照 上述试 验方 法得 到 的试 验结果 如表 l ～2 。 表 1 低压气恒定时试验数据 续 表 1 表 2 高压气恒定 时试验数据 2 ． 3试 验数值 拟合 1 s t Op t 软件的非线性拟合功能 比较强大， 其最 大的特点是 在绝大多数情况下， 不需要提供任何初 始值 ， 仅依靠软件 自身的全局搜索能力 ， 从任意随机 值 出发 即可求 得最 优解 。在对 上述 试验结 果综 合分 析的基础上 ， 用 1 s t Op t 来探求低压气流量与高压气 压力、 低压气压力之间以及 引射率与高压气压力之 间 的函数关 系式 。 2 ． 3 ． 1低压气流量与高压气压力之间的函数 关系 由试 验 数 值 可 以 看 出 当低 压 气 压 力 P - 不 变 时 ， 低压气流量 Q。 与高压气压力 P n的大致关 系为 二次曲线关系。采用式 1 对全部数据进行数值拟 合 ， 即 Q1 一日 P ； b p h C 1 式中， a 、 b 、 C为常数 下同 。 低压气压力为 5 MP a 时 ， 将高压气压力和低压 气流量等实测数据输入编程 软件 ， 得到如 图 3所示 的拟合曲线 。 得到的拟合曲线函数为 Q 1 一5 3 P } 1 3 0 9 P h 一5 0 1 8 2 拟合的相关系数达到 0 ． 9 9 2 。通过求一阶导数 ， 第 4 1卷第 7 期 赵军友 ， 等 可调式天然气喷射引流器设计与试验研究 6 5 低压气流量最大值发生在高压气压力P 一1 2 ． 3 5 MP a 左 右 。 3 0 0 0 ’ 2 8 0 0 2 6 0 0 24 0 0 2 2 0 0 蟹20 0 0 高压气压力／ MP a 图 3 低压气流量与高压气压力的拟合曲线 2 ． 3 ． 2低 压 气 流 量 与 低 压 气 压 力 之 间 的 函 数 关 系 当高压气 压力 P 不变 时 ， 低 压气 流 量 Q 随 低 压气 压力 P 。 变 化 规律 为直 线关 系 ， 采用 式 3 对 全 部数 据进 行数 值拟合 ， 即 Q1 一 a pl 6 3 通过 对 试 验 数 据 分 析 得 知 ， 当低 压 气 压 力 2 MP a时， 引射效果不理想， 因此喷射器真正的工作 范 围应该 在 2 MP a以上 ， 故不 考 虑 2 MP a的数 据 。 在 1 5 MP a条件下 ， 将低压气压力和低压气流量等 实测数据输入 编程软件 ， 得 到如 图 4所 示 的拟合 曲线 。 f 量 删 媛 餐 图 4 低 压 气 流 量 和 低 压 气 压 力 的 拟 合 曲线 得到的拟合曲线 函数为 Q1 3 3 3 ． 5 1 9 4 8 4 拟合 的相关 系数 达 到 0 ． 9 9 7 。 2 ． 3 ． 3引射率与高压气压力之间的函数关系 据试 验 数 据 分 析 可 知 当 低 压 气 压 力 P 。 不 变 时 ， 引射率 与高压气压力 呈二次函数关系 ， 采 用式 5 对全部数据进行数值拟合， 即 1 一口 户 } b ph C 5 当低压气压力为 5 MP a时， 将引射率和高压气 压力等实测数据输入编程软件 ， 得到如图 5所示 的 拟合 曲线 。 得到的拟合曲线函数为 “ 一 一0 ． 0 1 7 P 0 ． 3 6 7 p 一0 ． 9 6 9 6 拟合的相关系数达到 0 ． 9 9 2 。 局压 气压 ／ MPa 图 5 高压气压力和引射率的拟合曲线 3 结 论 1 低压 气流 量与 高压气 压力存 在着 二次 多项 式的关系， 随着高压气压力 的增加， 低压气流量先增 加 后减小 ， 现场 应用 时 只需 调节 到合 适 的 高压 气 压 力 就能 达到 最好 的引射效 果 。 2 在 高压气 压 力 一定 的情 况 下 ， 低 压 气 流量 与 低压气 压力 呈线 性关 系 。 3 引射率在低压气压力一定的情况下 ， 与高 压 气压力 有二 次 函数 关 系 ， 勾现 场应 用 时 调 节最 佳 的引射率 提供 理论 依据 。 4 通 过对试 验 结 果 分 析 可 知 ， 设 计 的 可调 式天然气喷射引流器对提高低压天然气的引射效率 是 可行 的 。 参 考 文 献 [ 1 ] 陈彰兵 ， 苏欣 ， 张 琳 ． 低 压气集 输工艺 [ J ] ． 油气 储 运 ， 2 0 0 9， 2 8 3 1 - 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