李勇明，江有適，高瑞民，吳金橋，申 峰，喬紅軍

(1.西南石油大學 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500;2.陜西延長石油(集團)有限責任公司，陜西 西安 710075)

天然氣噴射器是利用高壓氣體引射低壓氣體的一種裝置。這種裝置能升高低壓氣體壓力而使其滿足外輸?shù)囊?，實現(xiàn)低壓氣井繼續(xù)開采的目的，而且還具有簡單方便、工作可靠、綜合效益高等優(yōu)點，是繼續(xù)開采低壓低產(chǎn)氣藏的重要手段，近年來得到了一定的應(yīng)用。因此，深入研究噴射器的工作原理及工作狀況具有重要的意義。噴射器混合壓力和特性曲線的計算及其影響因素分析是其中一個非常關(guān)鍵的問題。

目前雖然很多學者對噴射器混合壓力及特性曲線的計算進行了研究，但其研究往往不是針對氣田噴射器，采用的計算參數(shù)與實際氣田參數(shù)差異較大，得出的某些結(jié)論往往也存在與實際不相適應(yīng)的地方［1－5］。本文以噴射器內(nèi)部氣體流動特征和氣體動力學理論為基礎(chǔ)，建立了混合壓力及特性曲線的計算模型，并分析了其影響因素，得出了一些有益的結(jié)論。

1 噴射壓力計算方法

考慮一帶拉法爾噴嘴及圓柱形混合室的氣體噴射器。高壓氣體經(jīng)噴嘴節(jié)流后，在接受室形成低壓區(qū)，低壓氣體受壓差作用被吸入混合段后，兩種氣體逐漸混合，壓力趨于均勻并逐漸升高，往下混合氣體經(jīng)擴散器繼續(xù)升壓后，最終以混合壓力Pc從噴射器中流出外輸。

結(jié)合一定的假設(shè)條件，利用截面2－2和3－3之間氣體混合流動的動量方程式，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和氣體動力學基本理論，可以得出噴射器混合壓力 Pc的計算模型［6］，即:

圖1 噴射壓縮器簡圖

混合壓力Pc的精確值可以通過預(yù)先給定Pc初值后進行迭代計算得出。

為了計算噴射器特性曲線及判斷混合壓力的有效作用范圍，需要計算最小極限噴射系數(shù)。最小極限噴射系數(shù)為第一、二、三類極限噴射系數(shù)(U∏p)1、(U∏p)2、(U∏p)3中最小的一種。在圓柱形混合室條件下，通常((U∏p)1＞(U∏p)2。因此計算時可先取U=0～(U∏p)2，記每個U值代入第三極限狀態(tài)方程式求出的混合壓力為(Pc)∏p3，每次均將(1)式迭代結(jié)果Pc值與(Pc)∏p3進行比較。剛開始時一直存在Pc＞(Pc)∏p3，當U增加到某一值Ui時若出現(xiàn)Pc＜ (Pc)∏p3，那么說明(U∏p)3大小滿足 Ui－1＜(U∏p)3＜Ui，且有(U∏p)2＞ (U∏p)3;若一直未出現(xiàn)Pc＞(Pc)∏p3，則說明(U∏p)3＞(U∏p)2。

圖2 最小極限噴射系數(shù)計算示意圖

2 實例計算及討論

榆13站A型噴射器的主要工作參數(shù):工作流體(高壓氣)壓力為12 MPa，流量為5.8×104m3/d，溫度為25℃;引射流體(低壓氣)壓力為2.8 MPa，流量為1.296×104m3/d，溫度為18.78℃;噴射系數(shù)為0.223;絕熱指數(shù)為1.31，氣體常數(shù)為522.9 J/kg·°K(均取做甲烷的物性參數(shù));混合腔喉部面積與一次氣噴嘴喉部面積之比為3.03，一次氣噴嘴出口面積與一次氣噴嘴喉部面積之比為1.68。根據(jù)以上模型及求解方法，編制程序進行實例計算，通過在一定范圍內(nèi)分別改變各參數(shù)的值，得出了各參數(shù)對于噴射器工作特性及混合壓力的影響關(guān)系。

圖3 膨脹比Pp/PH對特性曲線的影響

2.1 高低壓氣體壓力

膨脹比Pp/PH是高壓氣壓力(Pp)與低壓氣壓力(PH)之比，代表了工作氣體，即高壓氣體經(jīng)過噴嘴后的壓力降低率;壓縮比Pc/PH是混合壓力(Pc)和低壓氣壓力(PH)之比，代表了混合氣的壓力上升率。膨脹比和壓縮比兩參數(shù)相結(jié)合，可以反映出天然氣壓力對混合壓力的影響情況。從圖3中可以看出，隨膨脹比的增大，壓縮比總體上呈上升趨勢，但增長幅度并沒有多大變化;最小極限噴射系數(shù)也逐步減小。進一步研究可以分別得出高、低壓氣體壓力對混合壓力的影響趨勢，如圖4所示。

圖4 高壓天然氣壓力對混合壓力的影響

從圖4中曲線的趨勢可以看出，一定范圍內(nèi)，混合壓力隨高壓氣壓力(Pp)增加而線性上升，也隨低壓氣壓力(PH)增加而線性上升。這表明:在保持天然氣噴射系數(shù)(引射比)不變的情況下，可以通過改變高壓氣壓力或低壓氣壓力對混合壓力實現(xiàn)線性調(diào)節(jié);在保持混合壓力不變的情況下，通過提高高壓氣體壓力或低壓氣體壓力來提高噴射系數(shù)(引射比)［7］。

2.2 高低壓氣體溫度

計算表明由圖可以看出，高壓氣溫度(tp)和低壓氣溫度(tH)對混合壓力的影響均較小。分別改變高、低壓氣體溫度，混合壓力均略有變化，但并不明顯。當噴射系數(shù)為0.2時，高壓氣溫度從5℃升高到45℃，混合壓力Pc僅增加了0.631%;低壓氣溫度從 5℃升高到 45℃，混合壓力 Pc僅減小了0.579%。進一步的研究可考慮T=tp/tH(無因次溫度)對混合壓力的影響情況［8］。

2.3 混合腔喉部面積與一次氣噴嘴喉部面積之比

圖5 混合腔喉部面積與一次氣噴嘴喉部面積之比對特性曲線的影響

混合腔喉部面積與一次氣噴嘴喉部面積之比(f3/fp*)是噴射器混合室截面面積與工作噴嘴喉部截面面積之比，是限制高、低壓氣體流量比，影響噴射器特性的主要參數(shù)。從圖5可以看出，隨著該參數(shù)的增加，混合壓力總體呈降低趨勢，且最小極限噴射系數(shù)逐漸增大。結(jié)合可達到噴射系數(shù)計算曲線可判斷出兩種曲線的最接近點，從而確定出給定尺寸的氣體噴射器的最佳狀態(tài)參數(shù)。對于本文中采用的實例，面積比等于3.03時噴射器的最佳工作狀態(tài)既滿足了外輸壓力的要求，還能實現(xiàn)0.24的引射比。

2.4 一次氣噴嘴出口面積與喉部面積之比

圖6 一次氣噴嘴出口面積與一次氣噴嘴喉部面積之比對特性曲線的影響

一次氣噴嘴出口面積與一次氣噴嘴喉部面積之比(fp1/fp*)是工作噴嘴出口截面面積與喉部截面面積之比，是影響工作氣體壓力降低形成低壓引射區(qū)的主要參數(shù)。從圖6可知，隨其增加，噴射器混合壓力總體上呈降低趨勢，且最小極限噴射系數(shù)逐漸增大。另外模擬表明，在1～2范圍內(nèi)改變該結(jié)構(gòu)參數(shù)時，混合壓力先略為增加，后迅速降低，其下降速度略大于增加混合腔喉部面積與一次氣噴嘴喉部面積之比(f3/fp*)時混合壓力的下降速度。這說明，一次氣噴嘴出口面積與一次氣噴嘴喉部面積之比存在最優(yōu)范圍，設(shè)計時應(yīng)予以考慮。

3 結(jié)論與認識

(1)氣體噴射器的混合壓力受多種因素影響，包括天然氣參數(shù)如壓力、溫度、流量等和噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)如混合腔喉部面積與一次氣噴嘴喉部面積之比、一次氣噴嘴出口面積與一次氣噴嘴喉部面積之比等。

(2)在相同其它條件下混合壓力越高，噴射系數(shù)越小，混合壓力的升高是以噴射系數(shù)的減小為代價的。兼顧外輸壓力及經(jīng)濟效益的要求，可以根據(jù)實際情況對兩者關(guān)系進行調(diào)整。

(3)一定范圍內(nèi)，隨高壓天然氣壓力的增加，混合壓力線性增大，最小極限噴射系數(shù)逐漸減小;隨低壓天然氣壓力的增加，混合壓力線性增大，最小極限噴射系數(shù)逐漸增大。高、低壓天然氣的溫度對混合壓力的影響均較小。

(4)混合腔喉部面積與一次氣噴嘴喉部面積之比對噴射器的工作狀態(tài)有較大影響，隨該參數(shù)增大，混合壓力明顯降低，最小極限噴射系數(shù)迅速增大，噴射系數(shù)對混合壓力的影響效果減弱。

(5)一次氣噴嘴出口面積與一次氣噴嘴喉部面積之比對噴射器的工作狀態(tài)也有較大影響。在1～2范圍內(nèi)改變該結(jié)構(gòu)參數(shù)時，混合壓力先略為增加，后迅速降低，其下降速度略大于增加混合腔喉部面積與一次氣噴嘴喉部面積之比時混合壓力的下降速度。

符號注釋:

к—天然氣絕熱指數(shù);П—相對壓力;Φ3—擴散器的速度系數(shù);K1—高壓氣體的速度系數(shù);K2—低壓氣體的速度系數(shù);f—截面面積;u—噴射系數(shù);λ—折算等熵速度;θ—低壓氣溫度與高壓氣溫度之比;P—天然氣壓力，t—天然氣溫度。

下標注釋:

*—(工作噴嘴內(nèi)的)臨界截面;1—工作噴嘴的出口截面;2—混合室的入口截面;3—混合室的出口截面;p—噴射器內(nèi)的工作氣體;H—噴射器內(nèi)的引射氣體;c—噴射器內(nèi)擴散器后的混合氣體。

［1］姜小敏，王財友，錢尚源，等.天然氣引射調(diào)峰新技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2004，24(6):119－221.

［2］劉志強，沈勝強，李素芬，等.蒸汽噴射式熱泵性能實驗研究［J］.大連理工大學學報，2001，41(3):310－313.

［3］宓亢琪.天然氣引射器特性方程與工況的研究［J］.煤氣與熱力，2006，26(6):1－5.

［4］P.Andreussi，A.Ansiati，V.Faluomi，et al.Application of MJPs in Oil＆Gas Fields［J］.SPE 90369，2004.

［5］Mark A，Alexandra L，john B，et al.Vapor Recovery of Natural Gas Using Non－Mechanical Technology［J］.SPE 80599，2003.

［6］Е.Я.索科洛夫，H.M.津格爾著，黃秋云譯.噴射器［M］.北京:科學出版社，1977.

［7］張博，沈勝強，李海軍，等.二維流動模型的噴射器性能分析研究［J］.熱科學與技術(shù)，2003，2(2):149－153.

［8］Francheska Slobodkina，Valery Kadet，Andrey Evtjukhin.The Use of Ejectors Pulsating at a Late Stage of Developing the Gas Fields［J］.SPE117026，2008.