气举柱塞流场特性及运动规律研究
天然气作为国家能源重要组成部分，其生产量和消费量逐年递增。由于天然气开采过程中，地层伴随出水现象，严重时形成井底段塞，最终造成气井停产。为了进行排水采气，通常采用连续式抽吸排水和间歇式气举排水工艺。针对气举工艺中的关键环节，柱塞运动及柱塞与油管环空间隙气液漏失问题，本文采用数值分析的方法，计算得到了柱塞运动过程中外壁多道凹槽的密封机理，探究了偏心运动状态对柱塞气举性能的影响规律，建立了两种柱塞运动失效准则。此外，基于柱塞外壁凹槽密封机理设计了波浪形凹槽结构，并以环空间隙湍动能和漏液量为目标参数，对凹槽结构进行了多目标优化。 柱塞环空间隙流动及凹槽密封特性研究结果显示:在柱塞上升过程中，流体流经多级凹槽后，一部分气体动能由于涡流的形成而逐渐消散，另一部分由于与液体的相互作用而消散。外壁多道密封槽湍动能随压差增大而增大，其凹槽密封特性良好;且压差较低时流场内主要出现气体上窜现象，压差较高时大量液体回落。 柱塞运动规律研究结果显示:当柱塞同心移动时，其外壁凹槽密封效果较好;当柱塞偏心运动时，液体泄漏率和气体滑脱率均随偏心距的增大而增大，柱塞密封效果衰退。当密封失效达到一定程度，造成压差推动力不足，无法将柱塞和液柱举升到井口，柱塞在举升过程中会突然跌落到井底;如果漏失严重，上部液柱将在柱塞运动过程中全部漏失，柱塞未实现其特有的排水采气目的。 针对现有机械式柱塞密封及运动规律研究，本文提出波浪形凹槽结构。计算结果显示:其环空流场平均湍动能值相比于传统结构可提高29.91％，有效增加了环空动密封效果。此外，针对波浪形凹槽结构参数进行了敏感度分析及多目标优化，结果表明幅值参数对湍动能和漏液量的影响较大，敏感度分别为54.91％和89.79％。并以凹槽计算域平均湍动能及漏液量作为优化目标，迭代计算得到了3组优化结构。与原结构相比，优化结构凹槽计算域湍动能平均升高9.45％，漏液量平均降低20.77％。
天然气开采;气举柱塞;凹槽结构;多目标优化;流场特性;运动规律
西安石油大学
硕士
化工过程机械
崔璐;程嘉瑞
2022
中文
TE933.502
2023-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）