煤层气井射流冲煤粉装置冲击深度的研究

刘 冰,綦耀光,张芬娜,杜继芸,孟尚志,朱洪迎,吴天宠,黄芳宇

(1.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580;2.中联煤层气有限责任公司,北京 100108)

煤层气井射流冲煤粉装置冲击深度的研究

刘 冰1,綦耀光1,张芬娜1,杜继芸1,孟尚志2,朱洪迎1,吴天宠1,黄芳宇1

(1.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580;2.中联煤层气有限责任公司,北京 100108)

为确定煤层气井射流冲煤粉装置合理的结构和工作参数,实现射流冲煤粉系统的优化设计和有效运行,理论分析了冲煤粉装置工作原理和煤粉颗粒运动过程,整个井底冲煤粉射流场可分为:自由射流区、射流冲击区、漫流区、返流区、旋涡区和负压吸附区6个区域,决定煤粉是旋转上升的复杂运动状态。开展均匀设计方法的冲煤粉实验,运用二次多项式逐步回归法得出回归方程,揭示喷嘴结构参数、射流参数和煤粉特性对冲煤粉深度的互相耦合的影响关系。结果表明,对冲煤粉的深度影响程度的大小依次为:喷距、喷嘴直径、喷嘴流量和煤粉直径。进一步的单因素试验详细了解各影响因素对冲煤粉深度的影响,得出在要求不动管柱时冲煤粉深度达到500 mm的条件下,喷嘴流量不能低于15 m3/h,喷距应小于100 mm。

煤层气井;射流;冲煤粉;冲击深度;影响因素

煤层气井排水采气过程中,进入井筒的煤粉颗粒如果没有被产出液携带至地面,而是沉积在套管底部填满井底口袋将会堵塞产气通道或是埋泵,阻碍煤层气的正常产出[1]。根据生产现场的数据统计,煤粉问题已成为引起煤层气井停产或产量降低的主要因素,井底煤粉难以排出已成为阻碍煤层气大规模开发的关键问题之一[2－4]。

目前国内煤层气生产现场主要采用捞砂泵捞煤粉的方式排除井底煤粉[5],但煤粉很容易悬浮于水中,难以确定煤粉是否全部捞出,而且反复地起下油管柱导致效率非常低;更严重的是,捞煤粉时压井或放空的作业方式对煤储层伤害极大,导致每进行一次捞煤粉作业,煤层气产量就下降一次。如果采用常规的水力冲煤粉的方式需要高压水流直接经过套管,而煤层气井低压易漏失的特征,使得冲砂液体大量进入煤储层,破坏煤层气脆弱的产气通道[6]。国外针对低压漏失井开发了旋转射流冲砂技术[7－8],该技术在井筒中产生局部压降,能够有效清除井底的沉砂以及局部的泥浆等杂质,但对于坚硬的砂桥没有很好的效果,并且能够产生较大的颗粒,无法排出井筒[9]。

针对煤层气储层低压且易出煤粉的特征,利用射流泵的负压吸附作用[10]和双层同心管柱[11],设计了射流负压冲煤粉装置。采用冲击能力更强的直线射流方式,整个作业过程能保持井底动液面基本稳定,能够在保护煤储层的前提下快速高效地清除井底煤粉[12]。为确定合理的喷嘴结构参数以及流量、管柱下放速度等工艺参数,实现射流冲煤粉系统的优化设计和有效运行,在理论分析冲煤粉装置工作原理和煤粉颗粒运动过程基础上,采用均匀设计法对影响冲煤粉深度的相关参数进行实验研究。运用二次多项式逐步回归法得出回归分析方程,得出冲煤粉深度与各因素之间的影响关系。

1 工作原理

图1为射流负压冲煤粉装置的工作原理。射流负压冲煤粉装置采用双层同心流道结构,可以避免高压动力液体对井底的直接冲击,有效地保护煤储层[13]。内层管中有高压腔室、喷嘴、负压吸入腔室、喉管、扩散管以及供混合液返出地面的内管通道,外层管中有动力液的外管通道、外筒、混合液进口等。

图1 射流负压冲煤粉装置工作原理Fig.1 Schematic of coal particle cleanout pump

射流负压冲煤粉装置的工作原理是:来自地面泵的高压动力液由外管下行进入高压腔室,一部分由下喷嘴射流冲击井底沉积的煤粉使之充分流态化,形成携带煤粉的井底液。另一部分高压动力液由上喷嘴高速喷出,在高压喷嘴与喉管之间的吸入腔室处,动力液的总压头几乎全部转变为速度水头,使得周围压力降低形成负压区,在井底压力与负压区之间的压差作用下,在吸入腔室周围形成强烈的负压吸附作用,抽吸携带煤粉的井底液体进入喉管,动力液和井底液在喉管内充分混合后,速度水头降低,而压力水头得到回升。但此时混合液总水头仍主要以速度水头的形式存在,压力水头较低不足以将混合液举升到地面。混合液进入扩散管后由于扩散管横截面积逐渐增大,使得速度水头进一步转换为压力水头,从而能够将混合液通过内管举升到地面上来。随着射流负压冲煤粉装置的逐渐下放,完成整个煤层气井的冲煤粉工作。

通过对冲煤粉装置工作原理的分析可知,要将井底沉积的煤粉顺利冲起进入装置内部流道并排出井筒,关键是要将目标深度煤粉冲起至射流泵的负压吸附区域,即冲煤粉的深度问题。

2 冲煤粉理论分析

射流冲煤粉属于有限空间淹没射流,除入射流体和环境流体之间的掺混作用,还需要考虑井壁和井底的轴向和径向壁面边界条件。之前冲击射流的研究主要集中在射流中心轴线的速度衰减变化[14－15]以及冲击挡板的压力分布[16]等方面,而对于射流冲击井底边界后的向上反射流动研究很少;在射流冲坑方面,对冲坑的形态研究较多而对于冲坑过程中的沙粒运动,尤其是沙粒上返运动研究较少[17－19]。

2.1 煤粉的运动分析

通过对透明模拟井筒冲煤粉实验现象的观察,把整个井底冲煤粉射流场细分为6个区域:自由射流区、射流冲击区、漫流区、返流区、旋涡区和负压吸附区,如图1所示。这6个流场区域共同构成的井底射流场决定着煤粉的运动状态。

自由射流区自下喷嘴出口至井筒底部煤粉面附近,水射流与周围液体开始产生掺混效应,射流刚离开喷嘴出口,周围壁面对射流影响较小,其流动特性与自由射流相同。射流冲击区位于井筒底部煤粉面中心附近,射流冲击作用使得原本静止的煤粉颗粒起动,形成携带煤粉的井底液,煤粉面不断降低至最低位置。射流冲击区轴向速度迅速衰减为0,其径向速度逐渐增大,当射流速度发展为横向流速为主即进入漫流区,漫流速度随径向距离的增大缓慢增加到最大值又迅速降到0[20]。漫流层的横向流动有助于推动煤粉离开井底,进入返流区[21]。返流区是射流沿井壁附近形成返流,流体在该区域的速度梯度并不是很大,是煤粉上返运动的主力区域。整个流场受到井底、井壁和工具的限制,射流与周围的流体发生强烈地掺混,携带周围流体一起运动,形成了明显的旋涡区。煤粉的上升运动伴有较为强烈横向运动,呈现出明显的旋转上升运动状态[22]。煤粉继续运动至上喷嘴附近的负压吸附区,依次进入喉管、扩散管以及返出内管排出井筒。

2.2 冲煤粉深度因素分析

井底的射流上返流动是一个复杂三维空间涡流问题,起动的煤粉在向上运动的同时伴有较为强烈横向运动,呈现出明显的旋转上升运动状态,目前尚无精确的求解方法。对于实际的煤层气井冲煤粉作业而言,关注的重点在于能否将目标深度的煤粉冲起至负压吸附区继而排至地面,即冲煤粉的深度问题。水射流冲煤粉是受喷嘴结构参数、射流参数和煤粉特性等因素综合作用的复杂物理过程,这些因素可以具体为喷嘴流量、喷嘴直径、喷距和煤粉直径、密度等。在冲煤粉管柱不动的条件下,煤粉面下降的最大深度(冲煤粉深度)反映装置冲煤粉能力的大小,故以此为考察对象。冲煤粉深度L可以用下列函数来表示,即

式中,Q为喷嘴流量;dj为喷嘴直径;h为喷距(喷嘴出口端面至煤粉水平面的垂直距离);ds为煤粉直径;ρl为水的密度;ρs为煤粉的密度;v为水的运动黏度。

煤层气井底温度和压力等状态比较稳定,可以认为水流的运动黏度和密度以及煤粉颗粒密度为常数。于是式(1)可写为

为得到式(2)比较精确的表达式,笔者采用实验数据回归分析的研究方法,通过均匀设计法试验对诸多因素进行系统的试验和分析研究,揭示各个因素综合作用对冲煤粉深度的影响关系。

3 冲煤粉实验

3.1 实验装置和材料

实验采用的装置如图2所示,实验装置主要由水泵、水箱、阀门、冲煤粉装置、模拟井筒、管路系统及压力、流量等测试仪表组成。其中,数据采集处理系统能够实时地采集压力、流量传感器发送的信息并存储,方便了实验数据的记录和处理。采用ADAM－4100系列通用传感器到计算机的便携式接口模块,具有8路不同且可独立配置的差分通道,专为恶劣环境下的可靠操作而设计。可以独立提供智能信号调理、模拟量I/O、数字量I/O和LED数据显示。冲煤粉的返出液是煤粉和水的固液两相流,因此该管路需要选用适合测量固液两相流的传感器仪表。选用上海光华仪表厂生产的LDG－/K型号高压电磁流量传感器,量程为2.5～50 m3/h,精度为0.5%。压力传感器选择德国tecsis的P3276型号,量程为0～25 MPa,精度为0.25%。

图2 实验装置Fig.2 Experimental equipments

室内实验采用煤层气现场15口井修井作业时捞出的煤粉,密度为1 490 kg/m3。使用标准筛选出5种粒径大小不等的煤粉。记录室内温度为20℃,冲煤粉介质为经水箱过滤的清水,密度为998 kg/m3,运动黏度为1.01×10－6m2/s。

3.2 试验方法

实验旨在揭示喷嘴结构参数、射流参数和煤粉特性对冲煤粉深度的影响关系,是一个多因素综合作用的复杂关系。因此本实验采用适合多因素多水平的均匀设计方法,实验点均匀分布不仅具有很好的代表性,而且实验的次数比正交设计方法显著减少。将喷嘴流量、喷嘴直径、喷距和煤粉直径4个因素的考察范围平均分成6个水平,见表1。

表1 实验因素水平Table 1 Chart of factors and levels

表2 实验方案Table 2 Experimental scheme

4 实验结果及分析

4.1 回归分析

采用二次型回归模型分析表3中的实验结果数据,运用二次多项式逐步回归法将各因素的各水平对冲煤粉深度进行回归分析,求得回归方程为

其相关系数R=0.999 9,F=6 581。F检验临界值F0.99(4,1)=5 625,F＞F0.99(4,1),F检验通过,回归方程可信。

表3 实验结果Table 3 Experimental results

由回归方程(3)可以看出,在考察范围内,对水射流冲煤粉深度的影响程度大小依次为:喷距、喷嘴直径、喷嘴流量和煤粉直径。代表喷嘴射流特性的流量、喷嘴直径与代表煤粉特性的直径交互作用影响冲煤粉的效果,说明水射流冲煤粉是受多因素耦合作用的复杂运动。

4.2 影响因素分析

为确定冲煤粉作业合理的工艺参数,进一步安排单因素实验详细了解喷嘴流量、喷嘴直径、喷距和煤粉粒径对冲煤粉深度的影响。

图3为观测到的透明模拟井筒冲煤粉过程,在喷嘴流量足够大时,井筒流体在10 min内迅速由浑浊变为清澈,井筒煤粉的浓度迅速减小,说明煤粉被快速地冲出井筒,如图3(a)～(c)所示。喷嘴流量不足时,煤粉浓度垂向分布不同,煤粉浓度在装置入口处明显低于井底附近。煤粉在井底一定高度范围内维持跳跃的运动状态,无法被携带出井筒,如图3(d)所示。

图3 冲煤粉实验过程Fig.3 Process of coal particle cleanout experiment

图4为喷嘴直径分别为3,4,5 mm,喷距为100 mm,煤粉直径为0.5 mm时,冲煤粉深度随喷嘴流量的变化曲线。从图4(a)可以看出,冲煤粉深度随喷嘴流量的增大而增大,这是因为随着喷嘴流量和流速的增大,水射流对井底的冲击能力越强,煤粉颗粒冲起的高度就越高。在其他条件相同的情况下,喷嘴直径越大,冲煤粉深度越大,3 mm喷嘴和4 mm喷嘴的冲煤粉深度均没有达到500 mm。因此要想获得较好的冲煤粉效果,应尽可能地选择较大直径的喷嘴和提高喷嘴的流量。为保证煤层气井冲煤粉作业的快速有效,要求不动管柱的冲煤粉深度达到500 mm以上。井底煤粉直径在0.5 mm以上的超过50%,因此应选择直径5 mm喷嘴,喷嘴流量不能低于15 m3/h。

图4 喷嘴流量和喷距对冲煤粉深度的影响Fig.4 Relationship between Q,h and L

图4(b)为煤粉直径分别为0.1,0.5,2.1 mm,喷嘴直径为4 mm,喷嘴流量为20 m3/h时,冲煤粉深度随喷距的变化曲线。从图4(b)可以发现,冲煤粉深度起先随喷距的增大先急剧下降,待喷距增大到一定值后冲煤粉深度缓慢下降,这与文献[14]中研究的冲击挡板的压力随喷距的变化趋势相符合。与喷嘴射流破岩存在最佳喷距不同,射流冲煤粉的喷距是越小越好。同时,煤粉颗粒的启动速度和上升速度随粒径的增大而增大,将煤粉冲起到一定高度所需的射流速度就越大。在其他条件相同的条件下,煤粉直径越大,冲煤粉深度就越小。因此在井底煤粉已经确定时,要获得较好的冲煤粉效果,应尽可能将喷距控制在冲煤粉深度处于高值的合理范围。在本实验考察范围内,为保证冲煤粉深度达到500 mm以上,喷距应小于100 mm。

5 结 论

(1)设计的冲煤粉装置能够有效地冲起井底沉积的煤粉,并通过负压吸附进一步排出井筒,是一种能够保护煤储层的煤层气井修井工艺。

(2)整个井底冲煤粉射流场分为:自由射流区,射流冲击区,漫流区,返流区,旋涡区和负压吸附区6个区域,决定煤粉呈现旋转上升的运动状态。

(3)采用均匀设计方法实验,揭示喷嘴结构参数、射流参数和煤粉特性对冲煤粉深度的互相耦合的影响关系。对冲煤粉的深度影响程度的大小依次为:喷距、喷嘴直径、喷嘴流量和煤粉直径。

(4)为保证煤层气井冲煤粉作业的快速有效,要求不动管柱的冲煤粉深度达到500 mm以上,应选择直径5 mm的喷嘴,喷嘴流量不能低于15 m3/h,喷距应小于100 mm。

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The impinging depth of coal particles cleanout jet device for coalbed methane well

LIU Bing1,QI Yao-guang1,ZHANG Fen-na1,DU Ji-yun1,MENG Shang-zhi2, ZHU Hong-ying1,WU Tian-chong1,HUANG Fang-yu1
(1.College of Electromechanical Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China;2.China United Coalbed Methane Company Limited,Beijing 100108,China)

In order to determine the reasonable structure and working parameters of coal particles cleanout jet device in coalbed methane wells,and realize the optimization design and efficient operation of coal particles cleanout jet system, theory analysis on the working principle of coal particles cleanout and motion process of coal particle was done.The bottom hole coal particles cleanout jet flow field can be divided into six areas:free jeting area,jet impinging area,radial flowing area,reflux area,vortex area and negative pressure suction area,which resulted in the spiral uprising motion state of coal particle.Coal particles cleanout experiments were designed by uniform design method,regression equation was found by quadratic polynomial stepwise regression method,the intercoupling influence relation of nozzle structure parameters,jet parameters and coal particle characters to impinging depth was revealed.The results show that the arrangement of these parameters is jet distance,nozzle diameter,nozzle flow rate,and coal particle diameter according to their effects on impinging depth.The influence of nozzle flow rate,nozzle diameter and jet distance on impinging depth was obtained in detail by further single factor experiment,and got the conclusion that on the condition that im-pinging depth reached 500 mm without moving the tubes,the nozzle flow rate can’t be lower than 15 m3/h,and the jet distance should be less than 100 mm.

coalbed methane well;jet;coal particle cleanout;impinging depth;influence factor

P618.11

A

0253－9993(2014)04－0713－06

刘 冰,綦耀光,张芬娜,等.煤层气井射流冲煤粉装置冲击深度的研究[J].煤炭学报,2014,39(4):713－718.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1419

Liu Bing,Qi Yaoguang,Zhang Fenna,et al.The impinging depth of coal particles cleanout jet device for coalbed methane well[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):713－718.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1419

2013－09－30 责任编辑:韩晋平

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05062－004);国家自然科学基金资助项目(51174224);中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(13CX06078A)

刘 冰(1982—),男,山东青岛人,博士研究生。Tel:0532－86983310,E－mail:liubing5195@163.com