¹中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京

²中联煤层气有限责任公司，北京

³中国石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆

收稿日期：2021年12月18日；录用日期：2022年1月19日；发布日期：2022年1月26日

摘要

建立了三维引射器物理模型，结合计算软件，对后缘开缝渐缩喷嘴对引射器效率的影响进行了研究。通过控制变量法，将开缝喷嘴引射器性能与普通喷嘴引射器进行了对比，分别分析了开缝的缝数、缝长、缝宽对引射器的引射效率的影响，发现适当的缝参数会使喷嘴出口形成流向涡，流向涡有助于卷吸引射流体，提高引射器的引射效率，流向涡强度越大，持续距离越长，则引射效率越高；缝数、缝长、缝宽皆存在最佳值，使引射器性能达到最佳；相比于普通喷嘴，在本文所研究的参数范围内，引射比最多提高了40.8%，引射流体压力喷嘴出口压力之差最多下降了25.3%。

关键词

引射器，后缘开缝喷嘴，引射效率，流向涡

Analysis of Notched Ejector Performance

Wenqi Ke¹, Fan Yang², Qiaoping Liu³, Guoxing Chai¹

¹Exploration & Production Research Institute, SINOPEC, Beijing

²China United Coalbed Methane Corporation Ltd., Beijing

³Chongqing Fuling Shale Gas Exploration and Development Co., Ltd., SINOPEC, Chongqing

Received: Dec. 18^th, 2021; accepted: Jan. 19^th, 2022; published: Jan. 26^th, 2022

ABSTRACT

The three-dimensional model of the ejector was established. The influence of the notched nozzle on the ejector efficiency was analyzed by using the calculation software. Compared with the ordinary ejector, the effect of the number, length and width of the slit on the notched ejector performance was respectively analyzed by variable control. The results showed that suitable slit caused steam-wise vortex around the nozzle exit. The steam-wise vortex can contribute to the suction of ejection fluid and thus improve the entrainment efficiency. The vortex with larger strength and a longer distance span results in higher efficiency. There are optimum values for the number of seams, the length of the seams and the width of the seams, which make the performance of the ejector reach the best. In the parameter range studied in this paper, compared with ordinary nozzles, the entrainment ratio increased by 40.8% at most, and the outlet pressure difference between the ejection fluid and nozzle outlet pressure decreased by 25.3% at most.

Keywords:Ejector, Notched Ejector, Entrainment Efficiency, Steam-Wise Vortex

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

当气田处于生产后期，地层压力、气井产能会大大下降，井筒温度梯度也会增大，天然气中的部分成分在井筒内会凝析而形成凝析液，当气井产气量不足以带出该部分凝析液时，凝析液就回落至井底，产生井筒积液，制约气井稳产高产。针对井口积液导致的气井低产问题，常用的解决方案有：降低井筒积液和压力损失，包括电潜泵、抽油机、射流泵、气举、泡排、涡流排水采气等；二是改变井口压力，包括调节喷嘴、压缩机降压采气、井口引射式增压(喷射引流技术)等。与其它方法相比，喷射引流技术优势突出，引射器体积小巧，结构简单，加工方便，成本低廉；整个工具中没有运动部件，稳定、可靠；维护方便，维护成本低且维护工作量小。同时，引射器不但自身结构较为简单，而且其与地面管汇的其他设备只需通过通用的变扣接头即可方便连接。因而釆用引射器解决低产问题既简单又经济 [1] [2] [3]。

喷射引流工具的基本特点就是不消耗机械能的情况下有效提高流体的压力。典型的喷射引流工具及内部压力速度变化如图1所示，引射工具主要由喷嘴、混合室、喉部、扩压段组成，工作流体通过工作流体入口经喷嘴降压并加速至超声速，在泵体腔内，由于喷嘴出口降压作用，出口流体压力小于引射流体压力，在压力差的作用下，引射流体被吸入，在边界层、激波系和剪切层的共同作用下，工作流体与引射流体在混合室内充分混合，经过喉部出口以激波形式从声速变为亚声速流，然后在扩压室内升压减速，最后喷出引射器。引射比是衡量引射工具的重要参数，是指引射流体流量和工作流体流量的比值，引射比越大证明引射效率越高，引射工具性能越好 [4] [5] [6]。

引射工具对工况十分敏感，工作流体压力、引射流体压力、出口压力过高或者过低都会影响引射器的引射效率 [7]，因此，要想延长引射器的使用时间就必须进一步提高引射器的引射效率，改变喷嘴结构增强流体的混合效果是提高引射效率的有效方法。为了提高引射效率，Chang [8] 研究了一种新型的花瓣型喷嘴，研究表明对于喉道与喷嘴的面积比较大的引射器而言，采用花瓣型喷嘴能够有效提高引射器的引射比。Yan [9] 在喷嘴出口加装了导叶，并研究了导叶喷嘴对引射效率的影响。Varga [10] 研究了喷嘴内加梭型结构对引射器性能的影响。Yang [11] 研究了不同形状喷嘴对引射效率的影响，结果表明，十字形喷嘴比圆形、椭圆形、矩形等喷嘴引射器的引射效率要高。屈晓航等 [12] 研究了波纹状喷嘴对引射器的影响，发现波纹结构使引射比增大是因为在混合室内形成了大量的涡结构。刘化勇 [13] 利用数值模拟的方法研究了喷嘴后缘开缝对拉法尔喷嘴引射器性能的影响，发现喷嘴后缘开缝可以诱导产生流向涡，从而提高引射器引射效率。目前，对于喷嘴后缘开缝研究局限于拉法尔喷嘴，且开缝方式均采用在喷嘴后缘加挡板的方式，在一定程度上缩短了喷嘴到喉道的距离，本文采用渐缩喷嘴，开缝方式为在喷嘴后缘切口造缝，研究了缝参数对引射器引射效率的影响，分析了缝参数对引射器的影响机理。

图1. 引射器结构及压力速度变化曲线

2. 模型与方法

2.1. 物理模型

引射器模型如图2(a)所示，引射器喷嘴采用渐缩喷嘴，喷嘴截面为圆形，结构如图2(b)所示。开缝喷嘴是在原有渐缩喷嘴的出口端沿轴向进行切口，缝沿周向均匀分布，切口数目即为缝数，缝长和缝宽，开缝喷嘴出口截面和侧面见图2(c)和图2(d)。喷嘴的基本尺寸见表1。

采用Workbench-Mesh进行网格划分，由于泵体结构复杂，因此喷嘴使用四面体结构化网格，其它部分使用六面体网格。为了细化转角和狭缝处的网格，高级尺寸函数(Use Advanced Size Function)选择On: Proximity and Curature选项，网格数目控制在50万左右。图3为引射器网格模型划分。

表1. 缝参数范围

图2. 引射器及喷嘴结构示意图。(a) 引射器模型；(b) 喷嘴模型；(c) 后缘开缝喷嘴出口截面(4缝)；(d) 后缘开缝喷嘴侧视图(4缝)

图3. 模型网格划分。(a) 引射器整体网格划分；(b) 喷嘴网格(无缝)

2.2. 数学模型

1) 数学模型

利用流体计算软件Fluent14.5进行模拟计算，引射器内部为完全湍流，气体具有较强的压缩性，且粘性系数都很小。文献 [14] [15] 用标准k-ε模型对引射问题进行分析，证实方法可行。本文选择基于密度法，使用标准k-ε湍流模型进行模拟。

2) 介质选择与边界条件

本文基于机理分析，选择空气作为工作介质，采用理想气体模型。以空气为例，重点分析开缝对引射压力、速度场变化影响。其分析结果可以借鉴用于相同马赫数条件下天然气引射工艺。

工作流体和引射流体都为压力入口边界，压力分别设置为10 MPa和4 MPa，出口为压力出口，压力值为5 MPa，引射器壁面绝热且无滑移。本模型采用耦合式求解器，压力方程使用标准离散格式，密度方程、动量、能量和湍流方程皆使用二阶迎风格式。计算过程当所有残差小于10⁻⁶，且引射器进口流量与出口流量的差值小于10⁻⁴ kg/s时默认迭代收敛。

3. 结果与讨论

3.1. 喷嘴后缘开缝对引射器性能影响

本节采用控制变量法研究缝数、缝长、缝宽对引射器性能的影响，研究缝数对引射效率影响时，维持缝长4 mm、缝宽1 mm不变，缝数分别为0、2缝、4缝、6缝、8缝、10缝，研究缝长对引射效率影响时，选择6缝喷嘴，缝宽设为1 mm，缝长分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm，研究缝宽对引射效率影响时，选择6缝喷嘴，缝长设为4 mm，缝宽分别为0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm。

图4表示的是引射器的引射比随缝参数的变化情况，参数的变化对引射器性能有较为明显的影响。缝数对引射比的影响如图4(a)所示，可以看出6缝渐缩喷嘴对引射器引射性能提高幅度最大，与普通渐缩喷嘴相比增大40.8%。4缝喷嘴和8缝喷嘴分别提高15.6%和7.2%，2缝喷嘴和10缝喷嘴对引射性能提高幅度最小，仅为1.3%和1.2%。缝长对引射比的影响如图4(b)所示，当喷嘴后缘开缝缝长为1 mm、2 mm时，引射比相比于普通喷嘴降低2%左右，当缝长为3 mm、4 mm、5 mm时，引射比开始增加，相比于普通喷嘴分别增加6%、45%、36%。缝宽对引射比的影响如图4(c)所示，缝宽为1 mm时，引射效率增长幅度越大，为40.8%，缝宽为0.5 mm时，引射效率增长不明显，为4.7%，缝宽大于1.5 mm时，相比普通渐缩喷嘴，引射效率反而降低，缝宽为2.5 mm时，引射比趋于0，引射器几何没有引射作用。

模拟结果表明缝数、缝长、缝宽皆存在最佳值，使得引射器的引射比达到最优，如果缝数、缝长、缝宽过小，引射器性能提高不明显，缝长过小甚至会使引射比低于普通渐缩喷嘴引射器，若缝数、缝长、缝宽过大，引射器性能也会降低，甚至回流，最终达不到提高引射比的效果。喷嘴出口压力的变化与引射比变化正好相反，喷嘴出口压力越小，引射流体压力与喷嘴出口压力差值就越大，大压力差会引射更大流量的流体，使引射性能增强。

3.2. 喷嘴后缘开缝引射器性能分析

图5~7分别为不用缝数、缝长、缝宽条件下，距离喷嘴出口不同距离处垂直引射器轴向截面的流线分布情况，x表示的是截面到喷嘴出口的距离。从图5可以看出，不同缝数条件下，不同的缝数在喷嘴出口处会形成不同的流线场，当喷嘴无缝或缝数为2、8、10时，截面流线均未形成流向涡，当喷嘴缝数为4时，在x = 1、2、3、4的截面上均有流向涡的形成，直至x = 5截面流向涡消失，当喷嘴缝数为6时，在所有截面上均有流向涡的形成，但x = 5截面流向涡强度变小，开始呈现衰减的趋势。

图4. 缝参数的变化对引射比的影响。(a) 缝数的变化对引射比的影响；(b) 缝长的变化对引射比的影响；(c) 缝宽的变化对引射比的影响

图5. 不同缝数下的喷嘴出口流线分布。(a) 无缝喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(b) 2缝喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(c) 4缝喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(d) 6缝喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(e) 8缝喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(f) 10缝喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图

图6显示了不同喷嘴缝长在喷嘴出口处会形成不同的流线场，当喷嘴无缝或缝长为1 mm时，截面流线相对均匀，皆没有形成涡结构。当喷嘴缝长为2 mm时，在x = 1截面形成流向涡，在x = 2截面，涡强度开始衰减，在x = 3截面，流向涡消失。当喷嘴缝长为3 mm或5 mm时，x = 1和x = 2截面均形成流向涡，在x = 3截面，涡强度开始衰减，在x = 4截面，流向涡完全消失。当喷嘴缝长为4 mm时，在所有截面均有流向涡产生，持续距离长于其他缝长情况，且在x = 1至x = 4截面，流向涡强度均高于其他缝长下的流向涡。

图7显示了不同喷嘴缝宽在喷嘴出口处会形成不同的流线场。从图中可以清楚地看出，只有缝宽为1 mm时，喷嘴出口才有流向涡的形成，其他缝长条件下，喷嘴出口均无流向涡产生。

结合3.1节可以发现，引射器的引射效率与流向涡的形成密切相关，流向涡强度越强，持续距离越长，引射器的引射效率也就越高，这是因为流向涡有助于对引射流体的卷吸作用，而喷嘴后缘开缝可以在喷嘴出口端形成流向涡，从而提高引射效率。缝数、缝长、缝宽都存在最优值，使得喷嘴出口端形成的流向涡强度最大，持续距离最长，缝数偏少或偏多、缝长和缝宽值偏小或偏大都会降低流向涡的强度和持续距离，尤其是缝宽偏大，缝宽过大在一定程度上增大了喷嘴出口到喉道的距离，当孔吼距变大时，流体流经泵体腔所受阻力越大，泵体腔内流体速度变小，导致喷嘴出口压力增大，引射效率变低，甚至出现回流的现象。

图6. 不同缝长下的喷嘴出口流线分布。(a) 无缝喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(b) 缝长1 mm喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(c) 缝长2 mm喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(d) 缝长3 mm喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(e) 缝长4 mm喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(f) 缝长5 mm喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图

图7. 不同缝宽下的喷嘴出口流线分布。(a) 无缝喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(b) 缝宽0.5 mm喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(c) 缝宽1.0 mm喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(d) 缝宽1.5 mm喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(e) 缝宽2.0 mm喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图；(f) 缝宽2.5 mm喷嘴出口流线图，x = 1至x = 5分别为喷嘴出口1 mm至5 mm流线图

4. 结论

本文设计了后缘开缝喷嘴引射器，并讨论了在不同缝参数条件下，引射比得变化规律以及流向涡的形成规律，结果如下：

1) 喷嘴后缘开缝会提高引射器的引射效率，对于本文所设计的引射器，长4 mm，宽1 mm的6缝得喷嘴引射器引射效率最高，相比于普通喷嘴，引射比提高了40.8%，引射流体压力喷嘴出口压力之差下降了25.3%；

2) 随着缝数的增加，引射器的引射比先增大后减小；

3) 适当的开缝会在喷嘴出口形成流向涡，流向涡有助于卷吸引射流体，提高引射器的引射效率，流向涡强度越大，持续距离越长，则引射效率越高。

基金项目

页岩气井井口引射式增压工具优化研究(中国石化页岩油气勘探开发重点实验室基金G5800-17-ZS-ZZZY004)。

文章引用

柯文奇,杨 帆,刘乔平,柴国兴. 渐缩后缘开缝喷嘴引射器性能分析
Analysis of Notched Ejector Performance[J]. 矿山工程, 2022, 10(01): 64-76. https://doi.org/10.12677/ME.2022.101009

参考文献