低压天然气井高效开采喷射引流技术.pdf

doi 1013969/ j1issn1100626896120091111015 低压天然气井高效开采喷射引流技术 刘双全1 吴革生1 陈德见1 种道彤2 王选茹3 1. 长庆油田油气工艺技术研究院; 2.西安交通大学; 3.长庆油田勘探开发研究院 摘要针对国内外喷射技术的研究现 状,采用理论研究、数值模拟及工业试验, 建立了高效喷射装置结构设计方法。现场试 验表明,喷射装置设计方法可靠,装置运行 效率高,实现了利用10～13MPa高压气引 射111～510 MPa低压气,达到512 MPa增 压生产的目标,为低压气井增压开采探索了 一种新途径。 关键词低压气井;喷射引流;数值模 拟;增压开采;结构优化 天然气喷射引流技术主要用于原油挥发气的回 收和气体压缩等方面,国内正在针对特定的应用场 所开展该技术的理论研究,在气田开发方面还没有 开展试验研究和成熟技术。本文在国内外喷射技术 研究现状的基础上,采用理论研究、数值模拟和现 场试验的方法,系统研究了喷射技术在气田增压开 采方面的应用,形成了一套可靠的喷射装置设计方 法,并通过了现场试验验证。 1 天然气喷射装置设计方法 1高低压气喷嘴设计。为了在混合腔形成更 低的压力和更快的流速,高压气喷嘴采用缩放形状 的超音速喷嘴。对于缩放喷嘴的尺寸计算,需要求 出喉部面积、出口面积及渐扩段长度。 根据喷嘴流动过程的能量守恒方程,可计算得 到喷嘴出口速度u1e,并据此得到相应的出口面积 u1e2φ h 1- h1e 1 A1e Q ρ1eu1e 2 式中h1为高压气进口的焓值;h1e为高压气喷 嘴喉部或出口的熵焓;φ为喷嘴系数。 根据高压气流量、压力和温度,确定其临界速 度后,可以根据式2确定其喉部面积。超音速 扩张段曲线采用了顶锥角为12 的直线,并与喉部 光滑连接。这种做法在以往的相关实验中已经得到 验证。 低压气环形喷嘴设计采用与高压气喷嘴相同的 设计方法,然后再通过数值模拟进行修正。 2混合段及扩压段的设计。高压气和低压气 的混合过程在渐缩段和喉部的平直段实现。高压气 和低压气喷嘴出口到混合腔喉部之间部分采用渐缩 形通道。渐缩段的长度对装置引射性能有重要影响, 影响到高低压气的能量交换及其混合过程,且在该 部分可能出现激波等现象,目前缺乏成熟理论,因 此需在经验计算的基础上进行数值模拟优化。 扩压段为一渐扩通道,其扩散段倾斜度的数值 通过数值模拟优化确定。为尽量利用流体的动能, 提高其速度,并考虑到加工要求,一般取出口速度 为60 m/ s。 3天然气喷射装置结构数值模拟优化。高低 速气流混合过程非常复杂,本文通过数值仿真技 术,利用PHONICS数模软件对初步设计的喷射装 置进行结构优化。 为便于分析和数值模拟,做如下假设① 由于 装置内部通道截面为圆形,其内部流动为二维、轴 对称流动;② 天然气在引射装置内的流速较大,而 引射装置轴向尺寸又较小,使得天然气在引射装置 内的运动时间较短,忽略天然气与固体壁面间的传 热;③ 引射装置内的流动为稳态可压缩紊流过程。 计算模型选用重整化群k -ε模型,根据天然 气引射装置的物理模型和上述假设,其通用控制方 程为5ρ φ / 5t divρVφ divΓgradφ S, 其中φ为通用变量,可以代表u、v、w、T、k和ε 等求解变量;Γ为扩散系数;S为广义源项。对不同 的通用变量φ,扩散系数Γ和广义源项S有不同的 表达式。 由于引射装置内部结构不规则,在实际计算中 根据其几何结构特点采用了二维柱坐标下的适体坐 标网格系统,计算区域及网格划分如图1所示。整 个计算区域分为3个子区域,分别为高压气喷嘴区 域左下部、低压气通道区域左上部以及混 合腔区域右部。其中高压气喷嘴和低压气通道 的出口与混合腔入口相连。 图1 计算区域及网格划分 92 油气田地面工程第28卷第11期20091 11 doi 1013969/ j1issn1100626896120091111016 高含硫天然气集气工艺生产汇管泄放安全分析 付建民 陈国明中国石油大学机电工程学院 摘要分析了某高含硫天然气集气工艺发生超压的可能原因和泄放条件,确定了3种泄放情 况。基于安全泄放原则,对不同条件下的安全泄放量进行了模拟计算。计算结果表明,随泄放温度 的下降,泄放量逐渐增加,并维持较高水平;绝热系数及温降导致的水合物生成和游离水析出对泄 放量影响不大。给出了最小的安全泄放面积范围,对集气过程超压和安全泄放提出了相关建议。 关键词高含硫天然气;集气;模拟分析;泄放 1 集气汇管超压影响因素分析 1研究背景。以国内某高含硫气田天然气湿 气输送为研究背景,其主要工艺过程为各气井井 口采出的19～28 MPa的高含硫天然气首先进入一 级节流阀节流后,进入井口水套炉一级盘管并加热 到60℃～65℃,然后进二级节流阀节流至8165 MPa ,再进入井口水套炉二级盘管中加热至50℃ ～55℃,进入生产汇管,汇合后计量外输。为保 护集气系统,在汇管上部设有安全阀,天然气可安 全泄放至放空总管,经火炬放空罐分液后,由火炬 点燃释放。 2节流阀超压。高压天然气冲蚀磨损是高压 节流阀的主要失效形式[1],实际生产过程中2组及 以上气井节流阀同时发生失效可能性较低,本文仅 讨论单组气井节流阀失效的情况。表1列出了由于 气体冲蚀导致节流阀失效的FMEA分析。为满足 气体加热需求,当一级节流阀失效后仍然可以通过 二级节流阀控制压力,而二级节流阀失效后流量控 制并不能保障一级节流阀压力调节。 表1 节流阀冲蚀失效破坏FMEA分析 设备功能失效模式失效原因失效效应已有保护措施 一级节流阀流量控制调节 二级节流阀压力控制调节 阀芯脱落、 执行机构回 程破坏 高压气体 冲蚀 失去节流作用,下游流量增 加超压 一级出口压力监测,二级节流阀控制 二级出口流量监测,一级节流阀流量控制 3配产及过程调节不当超压。天然气汇管通 常由多组气井来气经节流加热再汇集计量后外送, 当各气井来气节流阀控制压力在正常范围内时,可 能发生气体切换配产带来的一定幅度的压力波动。 2 集气汇管泄放影响因素模拟分析 1泄放条件分析。天然气集输过程中,由于 节流导致的焦耳-汤姆森效应,或者加热炉盘管的 通过改变喷射装置内部结构参数,进行系统模 拟,得到了装置设计中各结构参数最佳值的选取方 法见表 1 。 表1 高压天然气引射装置的优化设计结果 参数名称取值方法 混合点压力/ MPa0185乘低压气进口压力 低压气进口面积/ mm21105乘高压气喷嘴出口面积 混合点距喉部距离/ mm0177乘高压气喷嘴出口直径 混合段入口倾斜度1∶410 混合段喉部长度/ mm混合段喉部直径的5倍 扩压段倾斜度1∶40 2 喷射装置试验工况性能分析 2008年6月开展了现场试验,通过节流针阀分 别控制高压气进入喷射装置的压力和低压气井进入 喷射装置的压力,开展了不同工况下引射性能试验。 试验结果表明,随高压气压力升高,最低引射 低压气压力逐渐降低,最低111 MPa ;在高压气进 气压力为10～13 MPa及低压气进气压力为215～ 510 MPa的参数范围内,所引射的低压气井流量 达到了0146104～4161104m3/ d ,天然气喷射 装置的引射率在8 ～75 ;装置实现了利用高压 气井能量引射111～510 MPa低压气,达到512 MPa增压生产的目标。 3 结语 1本文利用理论研究、数值模拟和现场试验 的方法,建立了一套天然气喷射装置的设计方法, 试验证明该方法可靠,装置运行效率高。 2在不同工况下对装置进行了试验,试验结 果初步证实,装置实现了利用10～13MPa高压气引 射111～510 MPa低压气,达到512 MPa增压生产 的目标,为低压气井增压开采探索了一种新途径。 栏目主持 杨 军 03 油气田地面工程第28卷第11期20091 11 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载