CN104329057A - 一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置和方法，该装置包括设置在井筒管壁上的超音速喷管，该超音速喷管的中心从下至上依次为超音速喷管渐缩管、超音速喷管喉部以及超音速喷管渐扩管；其中，超音速喷管通过超音速喷管固定和密封装置设置在井筒管壁上，且超音速喷管位于井筒底部液面之上。本发明超音速喷管能够将井筒内天然气连同携带的水达到超音速流动，且天然气流速可以达到6倍音速。在这种超音速流动中，液体被剪切和撕裂成极其微小的液滴，液滴以雾化方式和天然气均匀混合在一起而被排出井筒，进而依靠天然气自身能量就可以持续稳定地将水完全排出。本发明解决了气井排水采气难题，对天然气生产具有重大的经济价值。

Description

一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置和方法

【技术领域】

本发明属于天然气生产技术领域，具体涉及一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置和方法。

【背景技术】

在天然气井生产中，都会同时伴随着产出水和凝析油，随着开采时间的延续，气井井底压力和天然气流动速度逐步降低，致使气藏中的产出水或凝析液不能随天然气流携带出井筒，从而滞留在井筒中。这些液体在一段时间内聚集于井底，形成液柱，对气藏造成额外的静水回压，导致气井自喷能量持续下降。通常，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。这种现象便称之为气井积液。

在天然气生产过程中，依靠天然气自身动能可以携带一定量的液体排出，这取决于天然气动能的大小。在气井生产后期，地层天然气压力能降低，天然气流速也随之降低，动能减少。这样，依靠天然气自身动能携带液体的能力就降低，能够被带出的水量就减少。没有被带出的液体会产生静压力，增加井筒内流动阻力，影响天然气的产量。严重时，会完全压制天然气的产出。

为了解决气井井筒内积液问题，在气田生产中，采用了多种排水采气方法和装置。但是，使用效果都不很理想。国内气田现阶段主要的排水措施有、泡沫排水、同心毛细管技术、涡流排水、连续油管排水、天然气连续循环、速度管柱排水、柱塞(球塞)气举、深抽排水、井间互联井筒激动排液、多级节流阀互助排液、注氮、小直径管采气、小井眼井钻采技术、优选管柱采气、气井深度排水、电潜泵、射流泵、泡排与其他工艺相结合等，这些工艺技术在排水采气和积液停产气井的排液复产中起着一定的作用。但又有各自的短处。总的来说，没有一种方法能够长时间起到排水效果低、经济性差，投入费用大。譬如，泡沫排水就需要定期向井底注入泡排剂，需要定期停产，排出泡沫排水无法排出的液体，泡排剂和施工的费用也较高。

为了保证气田的长期稳定生产和发展，亟需开发出经济和高效的排水采气新方法和新技术。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置和方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置，包括设置在井筒管壁上的超音速喷管，该超音速喷管的中心从下至上依次为超音速喷管渐缩管、超音速喷管喉部以及超音速喷管渐扩管；其中，超音速喷管通过超音速喷管固定和密封装置设置在井筒管壁上，且超音速喷管位于井筒底部液面之上。

本发明进一步改进在于，超音速喷管位于井筒底部液面之上50-100米。

本发明进一步改进在于，超音速喷管的具体结构如下：

d1/d2＞2-4；d3/d2＞3-5；d2由气井设计流量大小来定，在10万方/日流量以下时，d2＝1.0毫米；在10万方/日流量以上时，

L1＝0.3*L0；L2＝0.25*L0；L3＝0.45*L0；

L0和d0取决于天然气流量和井筒直径，在10万方/日流量以下时，L0＝25毫米，d0＝15毫米；在10万方/日流量以上时，

其中，d0为超音速喷管的外径，d1为超音速喷管渐缩管处的最大直径，d2为超音速喷管喉部的直径，d3为超音速喷管渐扩管处的最大直径，L0为超音速喷管的高度，L1为超音速喷管渐缩管处的高度，L2为超音速喷管喉部的高度，L3为超音速喷管渐扩管处的高度。

一种天然气井超音速喷管雾化排水采气方法，包括以下步骤：

1)将超音速喷管通过超音速喷管固定和密封装置安装在井筒底部液面之上；

2)安装好后，天然气通过超音速喷管向上流动，部分液体伴随天然气流动；由于流速太低，气液流动是不均匀的，但是在通过超音速喷管喉部后，天然气被加速到5-6个马赫数，液体被气体强烈剪切和撕裂成粒径只有10-20微米的液滴，完全成为雾化液滴均匀分布在天然气中；在超音速喷管的上面，随着压力降低，气体流速增加，液体完全被天然气携带出井筒。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

本发明超音速喷管由三部分组成：超音速喷管渐缩管、超音速喷管喉部和超音速喷管渐扩管，天然气和水的混合物通过超音速喷管渐缩管时速度增加，而密度减小，压力降低，通过超音速喷管喉部时达到临界状态时，通过超音速喷管渐扩管时速度减小，而密度则增大，压力升髙，进而使得天然气和水的混合物从低速加速到超音速。

本发明通过降低天然气和水的混合物的平均密度可以减小天然气自身动能的损耗，在天然气自身动能不强的工况下易于把液体排出，是最节约天然气自身能量的排水方法。发明超音速喷管气体加速方法，将液体雾化成极其微小液滴排出，是气井排水采气的一种新方法、新技术，能够实现井筒排水的高效率和经济性。

本发明依靠天然气自身的动能可以将井筒内水完全雾化成微小液滴来排出水，不需要额外的能源补充和设备，可以长期持续稳定地排水。适用于各种气井的生产方式，解决了气井排水采气难题，对天然气生产具有重大的经济价值。因此，本发明将在天然气生产中发挥重要作用。

【附图说明】

图1是本发明超音速喷管的结构示意图。

图2是本发明一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置的结构示意图。

图中：1为井筒管壁，2为超音速喷管固定和密封装置，3为超音速喷管，4为超音速喷管渐缩管，5为超音速喷管喉部，6为超音速喷管渐扩管。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1和图2，本发明一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置，包括超音速喷管固定和密封装置2、超音速喷管3、超音速喷管渐缩管4、超音速喷管喉部5和超音速喷管渐扩管6；其中，超音速喷管3设置在井筒管壁1上，该超音速喷管3的中心从下至上依次为超音速喷管渐缩管4、超音速喷管喉部5以及超音速喷管渐扩管6；其中，超音速喷管3通过超音速喷管固定和密封装置2设置在井筒管壁1上，且超音速喷管3位于井筒底部液面之上。

其中，超音速喷管固定和密封装置2用于将超音速喷3固定在井筒管壁1上，最佳位置是在井筒底部液面上方50-100米。要确保超音速喷管固定和密封装置2完全将上下天然气隔离和密封。使得天然气只能通过喷管3才能流到上面去。

进一步地，超音速喷管3的具体结构如下：

d1/d2＞2-4；d3/d2＞3-5；d2由气井设计流量大小来定，在10万方/日流量以下时，d2＝1.0毫米；在10万方/日流量以上时，

L1＝0.3*L0；L2＝0.25*L0；L3＝0.45*L0；

L0和d0取决于天然气流量和井筒直径，在10万方/日流量以下时，L0＝25毫米，d0＝15毫米；在10万方/日流量以上时，

其中，d0为超音速喷管3的外径，d1为超音速喷管渐缩管4处的最大直径，d2为超音速喷管喉部5的直径，d3为超音速喷管渐扩管6处的最大直径，L0为超音速喷管3的高度，L1为超音速喷管渐缩管4处的高度，L2为超音速喷管喉部5的高度，L3为超音速喷管渐扩管6处的高度。

为了对本发明进一步了解，现对本发明的原理做一说明。

天然气和水的密度相差很大，即使在井筒内，底层压力为20Mpa，天然气密度约为140公斤/米³。和水相比，水密度是天然气密度的7倍。如果底层的水不是均匀分布在井筒内，而是块状、膜状，那么，流速很低的天然气是无法把水排出井筒，水会越积越多，最终把气井完全压制，天然气无法产出。如果底层的水均匀分布在井筒内，那么在相同的工况下，天然气自身的动能是可以把水完全排出。

分析已有的排水采气方法，可以知道它们的基本工作原理是增加天然气的动能(如速度管柱排水)和减小天然气和水的混合物密度(如泡排)。增加天然气动能需要增加气井以外的动能，需要气源和相应的动力设备，经济上投入较大。而除了泡排，还没有见到别的减小天然气和水混合物密度的方法。泡排技术是利用泡排剂将水变成水泡，水泡在井筒内会随压力的降低，天然气密度变小，气泡体积增大而破裂，水会形成液膜沿管壁流下，所以，这种方法排水效果并不好。

我们采用超音速喷管雾化技术将井筒底层的水雾化，使得天然气和水的混合物密度降低，雾化的水均匀地分布在井筒内，依靠天然气自身的动能就可以完全把水排出。

降低天然气和水的混合物的平均密度可以减小天然气自身动能的损耗，在天然气自身动能不强的工况下液能够把液体排出，是最节约天然气自身能量的排水方法，同时不消耗外部能量，也是最有效的排水方法。应用超音速喷管气体加速方法，将液体在超音速气流中被撕裂成极其微小的液滴，液体呈雾滴被排出。这是气井排水采气的一种新方法，新技术，能够实现井筒排水的高效率和经济性。这个新方法将在天然气生产中发挥极其重要作用。

当气井产量较低，在井筒底层，压力较高，流速很低，一般低于1米/秒。要使液体变成极其微小的液滴，就需要高速气体将液体剪切、撕裂。超音速喷管能够使天然气从低速加速到超音速。

本发明超音速喷管由三部分组成：超音速喷管渐缩管4、超音速喷管喉部5和超音速喷管渐扩管6。

一元等熵流动中，速度变化与截面变化的关系是

$\frac{\mathrm{dw}}{w}=-\frac{1}{{\mathrm{Ma}}^2-1}\frac{\mathrm{dA}}{A}---\left(1\right)$

密度、压力的变化与截面变化的关系如下

$\frac{\mathrm{d\ρ}}{\mathrm{\ρ}}=-\frac{{\mathrm{Ma}}^2}{{\mathrm{Ma}}^2-1}\frac{\mathrm{dA}}{A}---\left(2\right)$

$\mathrm{dp}=-\frac{{\mathrm{\ρw}}^2}{{\mathrm{Ma}}^2-1}\frac{\mathrm{dA}}{A}----\left(3\right)$

式中：w为气体流速、A为超音速喷管的截面积、ρ为气体密度、p为气体压力、Ma为马赫数，也即为音速的倍数。

在亚音速(Ma<l)等熵流动中，气体在截面逐渐变小的管道(渐缩管)里速度增加，而密度减小，压力降低；在截面逐渐变大的管道(渐扩管)里速度减小，而密度则增大，压力升髙。

在超音速(Ma>1)等熵流动中，情况正好与亚音速流动的特点相反：气体在渐缩管里速度减小，而密度增加，压力升高；在渐扩管里速度增加，而密度减小，压力降低。

要想获得超音速气流，就必须使亚音速气流先在一渐缩管中加速。当气流被加速到Ma＝1，即达到临界状态时，就要改用渐扩管，以使气流继续加速到超音速。图1所示的为超音速喷管。

由一定形状的渐缩管和渐扩管组成的超音速喷管可以把气体的压力降低到临界值以下得到超音速气流。

天然气生产方式有二种；一种是在井筒底部安装节流器，让天然气通过节流嘴调节流量，降低压力。另外一种是不安装节流器，在井口，天然气保持高压。对于安装节流器的气井，可以直接安装超音速喷管，喷管喉部直径是和气井的设计产量有关，基本和原节流嘴直径相同。不安装节流器的气井，需要安装类似节流器的超音速喷管固定设备。

参见图2，本发明一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置的方法，包括以下步骤：

步骤1)，将超音速喷管3通过超音速喷管固定和密封装置2安装在井筒底部液面之上，从而使天然气由低速达到超音速；

井筒内喷管上游的天然气流速是比较低的，通过超音速喷管3时，通道的直径变小，在喷管缩口处，流速已经增加很多，由喷管工作原理决定，见方程式(1)、(2)以及(3)，在喉部流速达到了临界流速、即当地音速。在扩口处，天然气气流达到超音速，本发明喷管天然气流速可以达到6倍音速。

步骤2)，确保超音速喷管3安装在井筒底部液面之上50-100米。安装好后，天然气只能通过超音速喷管3向上流动，有部分液体伴随天然气流动。由于流速太低，气液流动是不可能均匀的，但是在通过超音速喷管喉部5后，天然气被加速到5-6个马赫数，液体被气体强烈剪切和撕裂成粒径只有10-20微米的液滴，完全成为雾化液滴均匀分布在天然气中。根据井筒内天然气能够携带的临界液滴大小理论计算值，一般都是毫米级液滴。因此，由喷管产生的液滴大大小于临界液滴尺寸。在喷管的上面，随着压力降低，气体流速增加，液体很容易完全被天然气携带出井筒。

本发明可以将井筒内水完全雾化成微小液滴来排出水，解决了气井排水采气难题，不需要额外的能源补充和设备，可以长期持续稳定地排水。对天然气生产具有重大的经济价值。

Claims (4)

1.一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置，其特征在于，包括设置在井筒管壁(1)上的超音速喷管(3)，该超音速喷管(3)的中心从下至上依次为超音速喷管渐缩管(4)、超音速喷管喉部(5)以及超音速喷管渐扩管(6)；其中，超音速喷管(3)通过超音速喷管固定和密封装置(2)设置在井筒管壁(1)上，且超音速喷管(3)位于井筒底部液面之上。

2.根据权利要求1所述的一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置，其特征在于，超音速喷管(3)位于井筒底部液面之上50-100米。

3.根据权利要求1所述的一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置，其特征在于，超音速喷管(3)的具体结构如下：

d1/d2＞2-4；d3/d2＞3-5；d2由气井设计流量大小来定，在10万方/日流量以下时，d2＝1.0毫米；在10万方/日流量以上时，

L1＝0.3*L0；L2＝0.25*L0；L3＝0.45*L0；

L0和d0取决于天然气流量和井筒直径，在10万方/日流量以下时，L0＝25毫米，d0＝15毫米；在10万方/日流量以上时，

其中，d0为超音速喷管(3)的外径，d1为超音速喷管渐缩管(4)处的最大直径，d2为超音速喷管喉部(5)的直径，d3为超音速喷管渐扩管(6)处的最大直径，L0为超音速喷管(3)的高度，L1为超音速喷管渐缩管(4)处的高度，L2为超音速喷管喉部(5)的高度，L3为超音速喷管渐扩管(6)处的高度。

4.权利要求1至3中任一项所述的一种天然气井超音速喷管雾化排水采气装置的采气方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将超音速喷管(3)通过超音速喷管固定和密封装置(2)安装在井筒底部液面之上；

2)安装好后，天然气通过超音速喷管(3)向上流动，部分液体伴随天然气流动；由于流速太低，气液流动是不均匀的，但是在通过超音速喷管喉部(5)后，天然气被加速到5-6个马赫数，液体被气体强烈剪切和撕裂成粒径只有10-20微米的液滴，完全成为雾化液滴均匀分布在天然气中；在超音速喷管(3)的上面，随着压力降低，气体流速增加，液体完全被天然气携带出井筒。