基于有限元分析的气动力射流泵数值模拟研究论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要： 针对气动力射流泵排水采气进行数值模拟研究， 采用节点分析的方法对气动力射流泵排水采气系统对各处节点进行分析， 确 定气动力射流泵进气管柱 、返排管柱及气动力射流泵相关模型参数及气动力射流泵相关工况参数， 对气动力射流泵建模及网格划分 后将其导入 Fluent 进行数值模拟。在地面动力泵确定后， 能够改变的参数只有吸入液流量以及返排压力。 因此， 在动力气流量及吸 入液流量不变的条件下， 改变返排压力， 分析返排压力对气动力射流泵排水采气效果的影响; 在动力气流量 、返排压力不变的条件 下， 改变吸入液流量， 分析吸入液流量对气动力射流泵排水采气效果的影响。得出以下结论： 在动力气流量， 吸入液流量不变的条 件下， 反排压力降低时， 动力气压力也会随之降低。在相同动力气流量， 出口压力不变的条件下， 吸入液流量降低时， 动力气压力 也会随之降低。在相同的动力气流量下， 改变吸入液流量与返排压力这两个变量参数时， 返排压力对动力气压力的影响最大， 吸入 液流量对动力气压力的影响较小。

　　关键词：气动力射流泵,数值模拟,排水采气


　　Abstract：The numerical simulation research was carried out for the drainage and gas production of the pneumatic jet pump.The node analysis method was used to analyze the drainage and gas production system of the pneumatic jet pump.The node analysis method was used to determinethe relevant model parameters of the inlet pipe string，the return pipe string，the pneumatic jet pump and the working condition parameters of thepneumatic jet pump.After modeling and meshing the pneumatic jet pump，it was introduced into Fluent for numerical simulation.After the determination of the ground power pump，the only parameters that could be changed were the suction liquid flow and the backflow pressure.Therefore，under the condition that the dynamic gas flow rate and the suction liquid flow rate were unchanged，the influence of the backflowpressure on the drainage and gas production effect of the pneumatic jet pump was analyzed by changing the backflow pressure.Under thecondition that the dynamic gas flow rate and the backflow pressure were unchanged，the influence of the suction liquid flow rate on the drainagegas production effect of the pneumatic jet pump was analyzed by changing the suction liquid flow rate.The following conclusions are drawn：under the condition that the flow rate of power gas and suction liquid is constant，the power air pressure will also decrease when the backflowpressure decreases.Under the same dynamic air flow and constant outlet pressure，when the suction liquid flow decreases，the dynamicair pressure will also decrease.Under the same power gas flow rate，when the two variable parameters of suction liquid flow rate and backflowpressure are changed，the backflow pressure has the largest impact on the power gas pressure，while the suction liquid flow rate has a smallimpact on the power gas pressure.

　　Key words：pneumatic jet pumps;numerical simulation;drainage and gas collection


　　0 引言

　　在对气井进行开发的过程中， 井底会出现产水现象， 当地层水或烃类解析液进入井筒， 井中水的含量较小而 天然气的速度相对较大时， 水便会以液滴的形式被携带 到地面， 导致天然气的产出量降低， 随着天然气的储量 不断降低， 井底压力下降， 井筒中的水便无法被携带到地面， 就会在井底形成积液， 导致气井无法产出天然气， 此时， 便需要对气井采取排水采气的相关措施[1-3] 。本文主要讨论射流泵排水采气工艺， 传统的射流泵排水采气采用水做为动力介质， 而采用天然气做为动力介质时， 与液体介质所采取的管柱排列有所区别， 若气体介质与 液体介质采用相同的管柱排列， 则气动力射流泵无法达到所设计的效率， 因此需根据气体介质的管柱排列来确 定气动力射流泵的相关参数[4-5] 。

　　白雅婷等[6] 通过 Fluent 对射流泵进行了数值模拟研究， 得出了喷嘴距为 d~ 2.0d 时射流泵的效率较高， 以及 射流泵的性能与面积比有着很大的关系， 当面积比为 6.76时， 射流泵的性能最佳。张天礼等[7] 对酸性气田的射流泵排水采气进行了模拟研究， 得出了采用二级射流泵性 能可达 50%， 且采用二级射流泵时比一级射流泵有着更 好的排水采气效果。邢晓光等[8] 研究了智能分层射流泵 排液技术， 并进行了现场应用， 发现了排液成本降低而 排液效率提高了的成果。

　　本文针对气动力射流泵进行数值模拟研究， 研究其 在不同的工况参数以及不同的结构尺寸下的排水采气性 能的变化规律。

　　1 气动力射流泵排水采气系统节点分析

　　节点分析主要用于分析气动力射流泵排水采气系 统中的气体介质流动管柱尺寸气井产量 、气体介质注 入量 、油管尺寸 、混 合 气 液 排 出 管 尺 寸 、压 缩 机 压 力 等参数对整个排水采气系统的影响， 优化排水采气系 统参数， 确定气动力射流泵气体介质入口速度及排出 管速度 。

　　在确定各个节点的参数时， 需先假设气井有多个不 同的产量， 针对每一个产量， 可根据地层气液流动状态 确定井底压力， 以此绘制流入曲线， 再假设气井有一 系 列的注气量， 针对每一个注气量， 确定其注气点及注气 深度， 以此确定气井的井底流压， 绘制流出曲线， 将流 出曲线与流入曲线互相迭加， 确定两曲线交点处的压力 及产量， 最后可根据数值模拟所确定的工况分别获得气 动力射流泵的流入压力及流出压力。通过这种方法获得 的设定工况条件下的参数更加准确， 可以建立出更加准 确的气动力射流泵物理模型， 数值模拟时所设定的边界 条件也更加准确， 使得模拟出的结果也更加具有可信度。 图 1 为系统节点分析图。


　　2 计算模型分析

　　气动力射流泵物理模型主要包括： 进气管 、吸液管、 喷嘴 、喉管 、扩散管及混合气液排出管， 其总体结构如 图 2 所示。根据研究的气井工况确定管柱的相关参数， 抽取气动力射流泵所在管柱的动力介质及混合气液流动区域在 Solidworks 中进行建模， 本文中模拟管柱的相关参数为入口管柱： 外径 48.3 mm 、内径 40.9 mm 、横截面 积 131 3.15 mm; 出口管柱： 外径 88.9 mm 、内径 76 mm、 横截面积 270 2.84 mm; 当量出 口管柱内径 58.68 mm、横截面积 270 3.02 mm。


　　气动力射流泵的结构参数为： 喷嘴直径 3 mm 、喷嘴距 6 mm 、喉管直径 3.8 mm 、喉管长度 48 mm 、扩散管角 度 6.05 度 、扩散管长度 51 mm。

　　压缩机将天然气压缩到一定压力后将天然气打入进 气管， 高压气体进入射流泵， 而后经喷嘴形成高速射流， 此时因高速气体射流地形成使得吸液管的压力远低于井 底压力， 产生抽吸的效应， 使得井底积液进入吸液管， 而后与告诉天然气一 同进入喉管， 进入喉管后两者进行 混合以及能量交换， 此时混合气液的速度降低压能逐步 升高， 随后进入扩散管进行进一步的混合以及能量交换，当压 能 升 高 到 一 定 程 度 时， 混 合 气 液 经 排 出 管 到 达 地面[9-11] 。

　　2.1 网格划分

　　气液两相在气动力射流泵内部的流动状态为有限空 间射流， 这种流动状态比较复杂， 因此在对气动力射流 泵进行仿真模拟时， 需对气动力射流泵的物理模型进行 网格划分， 通过网格划分， 能够得到在设定的工况条件 下的更加准确合理的流场分布。

　　抽取 射 流 泵 内 部 流 场 所 在 区 域 制 成 模 型。使 用 Workbench Meshing 对模型进行网格划分， 网格结构采用 三面体， 为确保网格的质量需对网格的尺寸进行调整， 在进行流场仿真之前对网格进行检验， 检验完成之后在 进行网格无关性验证， 对不同尺寸的网格进行仿真模拟， 当结果几乎不发生改变时， 便可采用当前的网格尺寸进 行仿真模拟， 此时所得到的仿真结果相对准确， 划分结 果图如图 3 所示。


　　将划分的网格模型导入 Fluent 中进行数值模拟， 动 力介质选择空气， 根据工况条件计算天然气的密度， 对动力介质进行相应的密度修改， 吸入液选择水。为了确保射流模拟的准确性， 选用 Realizable k -ε湍流模型，也可以更清楚地表现出流场的细节， 算法采用 Simplec，根据所要研究的工况确定各边界条件[12.13] 。

　　2.2 湍流模型

　　湍流是不规则 、多尺度 、有结构的流动， 其流动状 态一般是三维的 、非定常的， 在流动的过程中具有很强 的扩散性和耗散性。从物理结构上看， 湍流是带有旋转 结构的涡叠合而成的流动， 这些涡有着各种不同的尺度， 且尺度的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的 涡会不断的从主流获得能量， 小尺度的涡通过与大尺度 的涡进行涡间作用来获得能量。但由于流体具有粘性， 因此在流动的过程中， 小尺度的涡会不断消失， 这样流 体的机械能就会慢慢转化为热能 。在能量转化的同时， 由于边界 、扰动及速度梯度的作用， 流体中又会不断产生新的涡， 使得湍流运动得以继续存在并得到发展和延续 。标 准 的 k -ε模 型 作 为 流 场 计 算 中 的 主 要 工具， 有着适用范围广 、经济 、合理的精度等 优 点 。湍 动能输运方程是经过精确的方程推导得到的， 耗散率 方程是通 过 物 理 推 导， 数 学 上 模 拟 相 似 原 型 方 程 得 到的 [14.15] 。



　　3 条件参数设置

　　3.1 边界条件

　　射流泵模型有两个进 口， 即一个动力气介质入口和一个引射液的吸入口。进口边界条件为动力气入口和吸 入液入口的轴向进口速度 u， 纵向速度 v， 取动力液入口 断面和吸入口断面的平均流速。射流泵有一个出 口， 射 流泵的出口边界条件取出口压力边界。 中心边界条件应 满足对称性， 即在中心边界线处：


　　壁面采用无滑移边界条件， 壁面 附 近 采 用 边 界 层理论。

　　3.2 求解器设置与求解

　　采用三维双精度求解器， 采用耦合求解法， 算法采用隐式算法， 三维， 定常流动， 采用绝对速度。设置湍流模型 (Define-Modles-Viscous Model) 模型采用二阶方 程的 k-epsilon， 且使用标准 k-ε模型参数。设置求解控 制器 ( solve-controls-solution )， 选择连续性方程， 湍流方程， 并采用软件系统默认的计算系数。

　　3.3 数值模拟结果及分析

　　根据射流泵排水采气系统实际工况条件， 在地面 动力泵确定后， 气体介质压力基本保持不变， 因此对 气动力射流泵排水采气效果有显著影响的变量条件只 有吸入液流量 以及气动力射流泵下入深度， 对此分别 取吸入液流量为 50 m3/d 及 25 m3/d 、出 口压力 45 MPa 及 35 MPa， 在气体介质 7 500 不变的条件下进行仿真研 究， 研究在这两个变量条件下对气动力射流泵排水采气效率的影响规律。

　　(1) 喷嘴 3 喉管 3.8 动力气 7 500 m3/d 吸入流量50 m3/d 出 口压力 45 MPa 条件下， 动力气速度场分布图 如图 4 所示， 静压力场分布图如图 5 所示。


　　(2) 喷嘴 3 喉管 3.8 动力气 7 500 m3/d 吸入流量50 m3/d 出口压力 35 MPa 条件下， 动力气速度场分布图 如图 6 所示， 静压力场分布图如图 7 所示。


　　(3) 喷嘴 3 喉管 3.8 动力气 7 500 m3/d 吸入流量25 m3/d 出口压力 35 MPa 条件下， 动力气速度场分布图 如图 8 所示， 静压力场分布图如图 9 所示。


　　3.4 结果分析

　　数值模拟结果表明： 在动力气流量 7 500 m3/d 、出口压力 35 MPa 不变的情况下， 吸入流量从 50 m3/d 降至25 m3/d 过程中， 动力气压力从 36.91 MPa 降至 36.75 MPa， 下降了 0.16 MPa; 在动力气流量 7 500 m3/d 、吸入流量从 50 m3/d 不变的情况下， 改变出口压力， 动力气压力从 46.91 MPa 降至 36.91 MPa， 下降了 10 MPa。


　　4 结束语

　　(1) 在动力气流量， 吸入液流量不变的条件下， 反 排压力降低时， 动力气压力也会随之降低， 压力下降幅 度在 10 MPa 左右。

　　(2) 在相同动力气流量， 出 口压力不变的条件下，吸入液流量降低时， 动力气压力也会随之降低， 压力下降幅度在 0.16 MPa 左右。

　　(3) 在相同的动力气流量下， 改变吸入液流量与返 排压力这两个变量参数时， 返排压力对动力气压力的影 响最大， 吸入液流量对动力气压力的影响较小。

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