柯文奇何 焱張懷力

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083;2.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都610056；3.中國石化涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶408014）

0 引言

頁巖氣井開發(fā)至中后期，低壓井?dāng)?shù)量不斷增加，井口壓力過低無法有效進(jìn)入生產(chǎn)流程正常生產(chǎn)。針對井口低壓氣外輸困難問題，通過管網(wǎng)優(yōu)化、高低壓分輸、增壓采氣［1］及井口噴射引流等工藝能有效降低井口回壓，保障氣井穩(wěn)定生產(chǎn)。四川盆地涪陵頁巖氣田生產(chǎn)過程中，單井遞減差異及新鉆井條件下，存在同一平臺高低壓井同時存在情形。利用高壓氣井能量通過噴射引流工藝，帶動低壓井生產(chǎn)，從而實現(xiàn)低壓氣井的正常外輸，為平輸壓氣井穩(wěn)產(chǎn)提供一種經(jīng)濟(jì)合理的方案。噴射引流器在印刷、燃?xì)?、制冷、天然氣調(diào)峰［2-5］等方面廣泛應(yīng)用。前人研究［6-12］發(fā)現(xiàn)引射器幾何參數(shù)，包括噴嘴結(jié)構(gòu)、噴喉距、喉管尺寸、喉管長度、擴(kuò)壓腔角度等均對引射器引射效果產(chǎn)生影響。在氣井井口引射增壓過程中需盡可能利用能量保持較高的增壓效果和引射率。因此有必要對噴射引流工具參數(shù)針對性設(shè)計，并明確其使用范圍。

1 噴射引流工藝基本原理

引射器由引射流體入口、被引射流體入口、噴嘴、喉管、擴(kuò)散區(qū)等構(gòu)成。引射流體（高壓流體）進(jìn)入引射器后在噴嘴處勢能或熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，形成低壓區(qū)，在壓力差驅(qū)動被引射介質(zhì)流向該區(qū)與工作流體混合，引射流體與被引射流體在噴嘴處進(jìn)行動量交換，引射流體將動能傳遞給被引射流體［13］。然后，混合流體進(jìn)入喉管，速度逐漸穩(wěn)定，再經(jīng)擴(kuò)散室流通面積擴(kuò)展速度降低，混合流體將動能轉(zhuǎn)化為勢能或熱能，介質(zhì)壓力逐漸回升，達(dá)到介于引射流體壓力與被引射流體壓力間的值，進(jìn)而經(jīng)出口外輸。

圖1引射流體壓力變化對引射率的影響圖

2 引射器基本參數(shù)設(shè)計

噴射器有結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動部件的特點(diǎn)，但其內(nèi)部流場狀態(tài)復(fù)雜多變，其流動過程的分析和計算方法并不完善，工具的設(shè)計方法較復(fù)雜。目前來說，在噴射引流工具的設(shè)計方法方面，主要有以下3種常用方法：經(jīng)驗系數(shù)法、經(jīng)典熱力學(xué)法和氣體動力學(xué)函數(shù)法。經(jīng)驗系數(shù)法通常是以實驗、圖表和經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)，計算噴射引流工具各部分的尺寸，如根據(jù)進(jìn)入噴射工具的工作流體壓力、引射流體壓力、出口輸出壓力以及流體的流量、流速以及溫度等狀態(tài)參數(shù)，按工作流體的壓縮比（工作流體的壓力與引射流體壓力之比）和噴射工具的壓縮比（混合流體的壓力與引射流體壓力之比），由現(xiàn)成的經(jīng)驗曲線或經(jīng)驗圖版來計算噴射工具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

在工具設(shè)計過程中，運(yùn)用很多假設(shè)以簡化熱力學(xué)模型：假設(shè)流動為一維穩(wěn)態(tài)流動，入口處工作流體、引射流體以及噴射引流工具擴(kuò)壓室出口流體的速度可忽略不計等。同時，工具設(shè)計過程中通常以等壓混合理論為指導(dǎo)，并通過引入一些經(jīng)驗系數(shù)采用索科洛夫引射器的設(shè)計方法［14］對引射器噴嘴尺寸、混合室尺寸、擴(kuò)散室長度等主要部分進(jìn)行設(shè)計，其它部分按相應(yīng)的經(jīng)驗公式設(shè)計。依據(jù)經(jīng)驗公式，確定引射器的基本參數(shù)（表1）。

表1噴射引流工具結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 引射器影響因素研究及引射效果預(yù)測

在高低壓井口壓力不斷變化條件下，引射器效率［15-19］伴隨變化，明確引射器進(jìn)出口參數(shù)變化條件下的引射性能變化有利于工藝實施和調(diào)整。當(dāng)固定了噴射器時，模擬計算分析不同工況引射流體壓力、被引射流體壓力、擴(kuò)壓室出口回壓對噴射引流工具性能的影響，可明確工況參數(shù)對引射效率影響。

3.1 引射流體壓力變化對引射效果的影響

在噴射引流過程中，引射流體為噴射引流工藝提供能量來源。模擬在固定被引射流體壓力為4 MPa而出口混合流體回壓為5 MPa不變的情況下，引射率隨引射流體壓力變化情況的模擬結(jié)果表明，在相同的被引射壓力和出口回壓條件下，引射流體壓力增大的過程中，引射比隨著引射流體壓力的增大而不斷增大。當(dāng)引射流體壓力大于9 MPa時，引射率隨引射流體壓力降低而降低，當(dāng)引射流體壓力繼續(xù)降低時，引射率迅速降低或引射失效（圖2）。

圖2引射流體壓力變化對引射率的影響

3.2 被引射流體壓力變化對引射效果的影響

引射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了當(dāng)引射流體形成的流動不足以引射被引射流體時，引射流體可能進(jìn)入被引射流體通道，導(dǎo)致高壓流體進(jìn)入低壓流體通道，直接導(dǎo)致低壓氣井停產(chǎn)。為明確在固定引射器結(jié)構(gòu)條件下不同被引射流體壓力條件下的工作情況。固定引射流體壓力為12 MPa而和出口混合流體回壓為5 MPa不變的情況下，模擬引射率隨引射流體壓力變化情況。模擬結(jié)果表明，在相同的引射壓力和出口回壓條件下，當(dāng)被引射壓力由5.2 MPa逐漸降低到3.2 MPa時，引射率隨著被引射流體壓力的降低而不斷降低。當(dāng)被引射流體壓力小于3.2 MPa時，引射率小于0，表明引射流體進(jìn)入被引射流體通道，引射失效（圖3）。

圖3被引射流體壓力變化對引射率的影響圖

3.3 出口壓力變化對引射效果的影響

在噴射引流工藝實施過程中，集氣管線積液、環(huán)境溫度變化等均可能導(dǎo)致集氣壓力變化，從而可能間接影響工藝效果。為了分析噴射工具出口壓力大小對性能的影響，在維持引射流體壓力和被引射流體壓力不變的情況下，模擬計算出不同的出口回壓下噴射工具的引射率的影響。模擬結(jié)果表明：隨著出口壓力的增加，引射率逐漸降低，二者基本成線性變化。當(dāng)出口壓力過高時，氣體在較高的回壓影響下會出現(xiàn)引射氣體回流的現(xiàn)象。因此，出口壓力過高將導(dǎo)致噴射引流工具不能正常工作，對噴射引流工具的工作性能有著重要的影響（圖4）。

圖4出口壓力變化對引射率的影響圖

綜上所述，在固定引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，引射流體壓力、被引射流體壓力及出口壓力均對引射效率產(chǎn)生顯著影響。同時在高低壓氣井引射工藝實施過程中，某一固定參數(shù)結(jié)構(gòu)引射器只能適應(yīng)于一定井口壓力的低壓氣井，當(dāng)其壓力低于臨界值時，引射失效導(dǎo)致低壓氣井停產(chǎn)。在實施噴射引流工藝時需合理選井，提高工藝適應(yīng)性。

4 現(xiàn)場試驗及分析

4.1 試驗井組基本情況

試驗選取涪陵X號平臺上A井（低壓井）和B井（高壓井），采氣井口距離小于10 m。試驗前，A井因井口壓力降低至與輸壓持平而產(chǎn)量降低，導(dǎo)致井筒積液，需間噴生產(chǎn)。其套壓約為8.5 MPa，輸壓為5.1 MPa。B井井口油壓為10.0 MPa，日產(chǎn)氣量為6×104～8×104m3，水氣比為0.5 m3／（104m3·d-1）。A井間開生產(chǎn)至井口產(chǎn)量為0時，采用噴射引流工藝生產(chǎn)?；镜孛媪鞒淌疽鈭D見圖5。

圖5噴射裝置接入流程圖

4.2 試驗效果分析

2018年4月，A井經(jīng)間噴生產(chǎn)至平輸壓，經(jīng)噴射引流流程生產(chǎn)，觀測A井井口油壓逐步由5.3 MPa降低至4.4 MPa，10分鐘趨于穩(wěn)定。經(jīng)超聲波流量計測量高壓井B井產(chǎn)量為4.8×104m3／d，混合產(chǎn)量穩(wěn)定在7.0×104～7.1×104m3／d。

試驗前，單次間開生產(chǎn)7～10 d，本次間開至不能生產(chǎn)后，采用噴射引流工藝后生產(chǎn)23 d仍能正常生產(chǎn)，因井筒積液導(dǎo)致產(chǎn)量降低而放噴恢復(fù)。截止試驗期內(nèi)，在輸壓為5.1 MPa條件下，將A井井口油壓降低至3.8 MPa以下時仍能有效引射，實現(xiàn)增壓1.3 MPa進(jìn)流程生產(chǎn)，實現(xiàn)降壓25%。試驗過程中，B井井口壓力逐漸由11 MPa降低至9 MPa，對比分析引射率的變化（圖6），將理論模擬引射率和實際引射率進(jìn)行對比，試驗測得引射率和模擬引射率具有較好符合度。

圖6理論引射效率和實際情況對比圖

5 結(jié)論

1）噴射引流工藝能有效利用高壓氣井能量引射降低低壓氣井井口壓力，延長氣井自噴攜液生產(chǎn)周期。

2）在固定工具參數(shù)條件下，模擬發(fā)現(xiàn)引射流體壓力、被引射流體壓力及混合出口壓力均對引射效率有顯著影響。因此在應(yīng)用過程中需合理優(yōu)選參數(shù)，提高噴射引流工藝適應(yīng)性。

3）在相同的設(shè)計參數(shù)和工作參數(shù)下，高壓氣入口壓力越低，低壓氣越低，引射效率越低。

4）應(yīng)用過程有效降低井口油壓的工況條件下最大達(dá)到1.3 MPa，有利于低壓氣井的穩(wěn)定生產(chǎn)。