第四章 超声雾化排水采气工艺技术第一节 超声雾化原理及国内外应用情况在天然气开采过程中，人们都希望从地层进入井底的水及其它液体能够及时地被气流携带到地面，从而避免液体在井底聚积增大井底回压、降低产气量，气井积液严重时会被积液压死停产。
在实际生产中，气体从井底流向井口时，随着温度和压力的变化，水和烃类从气流中凝析出来，井底或多或少总有积液。
气井产量越低携液能力越差，井底积液越多，因而排液采气是低产气田开采所面临的一大生产问题。
目前，国内外所采用的排液方法主要有三大类：一是气体动力学方法，包括周期性放喷、小油管、虹吸管吹洗等；二是化学方法，包括注入泡沫活性剂等；三是机械方法，如柱塞举升、深抽泵等。
超声雾化作为一种新的排水采气工艺，相对于其他技术具有以下技术优点：1、不伤害油气层；2、依靠气井自身能量连续排液；3、无需外界能量，节约地面能源；4、不受积液介质的影响；5、超声旋流雾化排液装置下入井内不压井、不动管柱作业，用软钢丝实现投送和打捞，整套装置的动作在油管内实现，安装、管理方便等。
超声雾化排水采气是将一套超声波雾化装置，利用钢丝作业下入并卡定在井内油管的设计深度，借助天然气流动能量，将大液滴打碎、雾化。
超声雾化是利用超声能量使液体形成细微雾滴的过程。
雾化方式是处于振动表面的薄液层在超声振动的作用下激起毛细-重力波。
当振动面的振动幅度达到一定值时，液滴即从波峰上飞出成雾。
在较低流速的气流带动下，雾滴更容易从井内携带出来。
雾滴直径可由式（4-1）近似计算：3128⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=f Td ρπα…………………………………………（4-1）（4-1）式中：T ——液体的表面张力系数； ρ——液体的密度； f ——声振动频率；α＝0.3。
由式（4-1）可见，改变频率可方便地控制液滴直径的大小。
另一方面可以由杨川东的理论得到气体流速与液滴直径的关系是：()5.032.14⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=g g l g gd V ρρρ……………………………………（4-2）（4-2）式中：l ρ——液体密度，kg/m 3；——气体密度，kg/m 3；d ——液滴直径，m ；g V——气体流速。
从式（4-2）可以看出，气体携液流速与液滴直径的平方根成正比，即液滴直径与携液流速平方成正比，液滴直径增大，携液流速将大幅增加；反之，只要将液滴直径变小，需要的携液流速将大幅减小。
由（4-1）、（4-2）两式可得到Vg 与频率f 的关系是：5.0312891.0⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫⎝⎛=g g L g f T g V ρρρρπ………………………………（4-3）可见，气体流速Vg 与频率f 的三次方成反比，即发声装置发出的超声波频率越高，则需要的携液流速越低。
超声雾化装置中，采用了“亥姆赫芝哨”来产生超声波。
“亥姆赫芝哨”是一个简单的共振器，由两个腔体组成（如图4-1）。
由流体流动速度差形成扰动发声，其发声的基波频率（频率越高，雾化液滴的直径越小）由腔体决定，为：图4-1 亥姆赫芝哨示意图式（4-4）表达了“亥姆赫芝哨”发出的超声波频率与其尺寸之间的关系。
可以看出，只要尺寸V 足够合适，在足够气流速度差驱动下，能够发出足够高频率的超声波，就能将液体击碎成微米级直径的液滴，此时只需要相对较低的气体流速就能够将井底积液携带出井筒，实现排水采气的目的。
V rcf π2=………………………………………………（4-4）（4-4）式中c ——：声速；V ——：空腔体积；R ——：与腔连接管有关的系数。
为了能让“亥姆赫芝哨”在气液混合流动环境下能够发声，在流体流过“亥姆赫芝哨”之前采用了一个能够产生双旋流的分离装置将气液分离，使流过“亥姆赫芝哨”的流体为气体，且旋流分离装置也有一定破坏液体表面张力使液滴破gρ碎的作用；最后分离后的气和分离后的液再经过一雾化喷嘴（图4-2）再次雾化，三重作用使液体充分雾化。
图4-2 雾化喷嘴示意图资料表明,现有超声波技术应用于油气开采时主要集中在油井的解堵、稠油降粘、清蜡、除垢等领域。
近几年，我国超声雾化排水采气技术逐渐发展，中原油田已经开展了应用试验,大牛地气田也进行了6口井的试验,取得了较好的排液及提高气井自喷稳产期的效果。
第二节超声雾化装置及施工程序一、超声雾化装置超声雾化装置主要由雾化喷嘴、交叉分离头、锥状旋转分离器、柱状旋转分离器、密封装置、打捞头、凸轮卡定器等组成。
整套结构动作是通过钢丝、加重杆剪断不同直径的剪钉，在油管内部实现凸轮卡定、密封。
图4-3 超声雾化装置结构图装置卡定密封后气液混合物流经柱状旋转分离器，气液经初步分离后进入锥状旋转分离器加速，分离后的气体和液体经交叉分离头进入雾化喷嘴喷出，液体雾化成微小颗粒足以被气体带出地面，实现雾化排液采气，防止气井积液、延长气井稳产期。
二、超声雾化装置施工程序1、收集气井资料，编写施工方案；2、关井，用录井钢丝下Ф59mm通井规通井到预定井深，通井合格；3、用录井钢丝下卡定器座封于预定井深并丢手；4、组装超声雾化装置（安装计算好的气嘴），下入井内投放并卡在卡定器上；5、开井恢复生产，进行超声雾化排水采气试验，进行生产优化。
第三节超声雾化选井条件、优点及适应性分析一、优点超声雾化排水采气技术适用于深层、低渗气藏，有一定能量，但产气量相对较小，不足以将井内的液体完全带出地面的气井（将要积液的气井或靠激动式放喷排液维持正常生产的气井），将雾化装置下到积液位置，利用机械、气动、超声波雾化的多重作用，使液体形成微细雾滴，在井筒内形成雾状流，减少滑脱损失，提高自身携液能力，提高排液效率，达到防止气井积液、延长气井稳产期的目的。
超声雾化具有以下技术优点：1、不伤害油气层；2、依靠气井自身能量连续排液；3、无需外界能量，节约地面能源；4、不受积液介质的影响；5、超声旋流雾化排液装置下入井内不压井、不动管柱作业，用软钢丝实现投送和打捞，整套装置的动作在油管内实现，安装、管理方便等。
二、选井条件超声雾化选井条件如下：1、通井合格，油管内径Φ62mm；2、井深2500—3500m；3、日产气5000—20000m3；4、日产液不大于10m3；5、将要积液的气井；6、靠激动式放喷排液维持正常生产的气井。
三、适应性分析大牛地气田目前共有生产井714口，井深一般为2500-3500m，油管内径为Φ62mm的气井占生产井的80%左右，大部分气井日配产在0.5×104m3/d至2.0×104m3/d之间，日产液0.1m3至12m3不等，平均约0.5m3/d。
气田中产量在1.0×104m3/d以下的气井约占总井数的55％，这部分井普遍携液能力差，井底积液较多，需要采取排水工艺措施才能维持生产。
从以上情况分析可知，大牛地气田很多气井的条件适合超声雾化工艺要求。
第四节超声雾化工艺设计方法及制度优化一、设计方法超声雾化工艺设计原则和设计思路：不压井、不动管柱作业，用软钢丝实现投送和打捞，整套装置的动作在油管内实现。
井下配套工艺技术：（1）支撑装置:接箍式油管卡定器；（2）投送装置:投送接头；（3）打捞装置:弹簧爪打捞筒。
超声旋流雾化器的技术参数：最大外径：Φ57mm；总长度：850mm；雾化直径：SMD78-88μm；雾化程度：≥93.6%。
二、下入深度和气嘴大小计算1、气流持液率对装置的影响持液率,又称真实含液率或截面含液率，它是指在水气两相流动过程中，液相的过流断面面积Al 占总过流面积A 的比例，即盒=Al/(Al+Ag)。
如果井内气流持液率太高，双旋流分离器将不能有效将气液分离，没有足够的气体驱动，超声雾化装置将不能发挥作用。
如表4-1、图4-4为DK16井2007年3月1日，也就是试验制度1的最后一天所测得压力梯度数据，可以看出在井深1278米以下井内流体密度明显变大，超声雾化装置处流体持液率高达83％，该制度的流速无法及时把超声雾化装置位置的流体持液率保持在较低的水平，超声雾化装置无法正常发挥作用，该生产制度下积液严重。
表4-1 DK16井2007年3月1日井流压梯度测试数据表图4-4 DK16井2007年3月1日流压线性回归曲线经过调整后，制度3的流体流速虽然低于正常的临界携液流速近一半，但其流速就能够保持超声雾化位置的流体持液率在比较低的水平，持液率在32%左右，超声雾化装置可以有效工作，使液体雾化。
可以得出的经验是，超声雾化装置在持液率30%左右运行才能发挥较好效果，过高则效果不好。
表4-2、图4-5是在2007年6月5日，即在制度3末期测得的流压梯度测试数据及线性回归曲线图。
681012141618050010001500200025003000压力(M P a )井深(m)图4-5 DK16井2007年6月5日流压线性回归曲线图表4-2 DK16井2007年6月5日流压梯度测试数据表2、下入深度对装置的影响气井在一定气产量下，井内油管内的持液率是随井深位增加而增加的。
图4-6是PIPESIM 软件对DK16井制度3生产制度条件下的生产状态进行模拟后，得出的井深与持液率的关系曲线。
可见在2555m 处持液率为30%左右，与实际相情况相符。
如果把超声雾化装置下入深度上移，能够将液体有效雾化的瞬时流量可以进一步减小。
鉴于此设想2007年选D47-30井进行了超声雾化工艺的实验。
利用PIPESIM 软件对生产状态进行模拟分析后，设计D47-30井超声雾化装置下至井深1770m 进行试验。
通过D47-30和DK16数据对比发现，雾化装置下入深度减小，装置上部持液率减小，相对较小的瞬时流量就能够有效雾化装置上部的积液。
但是，如果超声雾化装置下入过浅，装置以下的积液过多会造成井底回压过大，不利于长期生产。
因此，装置下深应当尽量接近油管底部。
雾化装置安装后开始运行初期，可能会遇到持液率过高导致雾化效果不佳的情况，可采取短时间提产帮助排除积液降低持液率2～3次；若持液率此后仍然升高导致雾化效果不佳，那么只有上提装置到持液率为30％左右（根据流压测试数据）处运行。
681012141618050010001500200025003000压力(M P a )井深(m)图4-6 DK16井在制度3条件下井深与持液率的关系曲线3、流速和气嘴大小的影响从公式4-2、4-3可知，携液流速和液滴直径的平方根成正比，和频率的三次方成反比，频率和液滴直径成反比，即频率越大，液滴直径越小，所需携液流速越小。
从“亥姆赫芝哨”原理和图4-2可知，经过气嘴流速和频率成正比，即流速越大，频率越大。
雾化气嘴越小，流速越大，则频率越大。
综上所述，当经过气嘴流速产生的频率足够大时，携液流速就会等于或小于经过气嘴流速，气体就能够顺利的带出积液。