煤层气排采井口温降计算与保温装置设计

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1、第28卷第9期机械设计Vol．28No．92011年9月JOURNALOFMACHINEDESIGNSep．2011*煤层气排采井口温降计算与保温装置设计11112牛文杰，吴建军，刘新福，綦耀光，张中慧(1．中国石油大学(华东)机电工程学院，山东东营257061;2．胜利石油管理局采油工艺研究院，山东东营257000)摘要:煤层气有杆泵排采井口在较低的环境温度下作业时，煤层气在管道中发生节流效应导致井口冰冻，严重影响气井正常生产，为此设计一种结构简单、成本低廉的燃气炉和管道组成的保温装置。该装置的设

2、计依据节流效应原理，利用气体BWRS状态方程，给出焦耳－汤姆逊系数的计算方法，得到煤层气排采井口的制冷量。利用少量井口排采出的煤层气，在满足制冷量要求的情况下，得到燃气炉主要结构的设计参数。通过产生的烟气，把管道的热量传递给井口装置，防止装置发生结冰现象。井口保温装置的设计与研制对保证煤层气井的正常稳定排采具有重要的应用价值和现实意义。关键词:煤层气井口;节流效应;保温;燃气炉;结构设计中图分类号:TD842文献标识码:A文章编号:1001－2354(2011)09－0071－05近20年来，煤层气

3、已成为美国天然气的重要来源换一般很小(可以忽略不计)，此过程可以视为绝热节之一，2002年美国煤层气产量达到453×108m3，与中［7］流过程。［1－2］国常规天然气产量相当。在我国煤层气井排采主要依靠抽油机、抽油杆和抽油泵为主的有杆抽吸系统，正常生产作业中，煤层气井的井口需要安装气嘴等节［3－4］流装置，以此控制气井产量和井口压力。煤层气通过这些突然缩小的截面孔道时，由于局部的阻力较大，出现压力降低、比热容增大、温度降低的现象。温图1井口管道节流效应示意图度降低过大导致煤层气井口排采出的水产生结

4、冰现实际气体在节流前和节流后分别处于平衡态，各象，阻碍气井的正常生产。为避免这种不良工况的发种参数在节流过程中发生变化，由于气体基本与外界生，有必要对井口结冰现象进行分析，依据煤层气井口的制冷量，设计出简单的井口保温结构，这对保证煤层无热量交换，亦无净功量的交换，可以假设气体在节流气井的正常生产有着重要的现实意义。后的高度和流速不变，即忽略重力势能和宏观动能的变化，由此节流后气体的焓H2与节流前的焓H1相等，1煤层气井口节流效应［8］即气体在绝热节流时，节流前后的焓值不变。实际气体的焓值是温度压力的

5、函数，所以节流后的温度发煤层气体在管道中流过突然缩小的截面孔道时会生变化，这一现象称为焦耳－汤姆逊效应，其函数可由产生强烈的涡流，使得压力显著下降，发生节流现下式求得:［5－6］象。如图1所示，流体在接近孔口时，截面积很快Tμj=()(1)缩小，流速迅速加快，经过孔口之后，截面积又扩大，流pH速又减慢。根据等焓原理和热力学一般关系式，得出焦耳－煤层气通过节流装置时，孔口附近的气体产生强汤姆逊系数μj为:烈的涡流，因此节流是不可逆的过程。由于压力下降，－vTvμj=+(2)气体的流速很快，气体通

6、过孔口时与外界进行热量交cpcpT*收稿日期:2010－12－27;修订日期:2011－03－28基金项目:国家科技重大专项资助项目(2009ZX05038－004);山东省科技发展计划资助项目(2009GG10007008)作者简介:牛文杰(1967—)，男，甘肃宁县人，副教授，硕士生导师，博士，研究方向:机械设计及理论。72机械设计第28卷第9期3式中:v———比体积，m/kg;ìρcB=A1+B1wT———温度，K;ïρAcï=A2+B2wcp———比定压热容，J/(kg·K)。RTcï对于

7、实际的煤层气体，节流后温度的变化决定ïρcc=A+Bwï333RTc式(2)中分子的正负，包括下列3种情况:ïï2ρcγ=A4+B4w(1)T(v)＞v时，μj＞0，节流后温度降低;ï2Tpïρcb=A5+B5wïï3vρcα=A6+B6w(6)(2)T()=v时，μj=0，节流后温度不变;íTpïρ2Ccï3=A7+B7wvRTc(3)T()＜v时，μj＜0，节流后温度升高。ïTpï2ρcD煤层气井实际排采中，节流前压力一般为几兆帕，ï4=A8+B8wRTcï即μ＞0，使得井口产生冷效

8、应。ï2djρcï2=A9+B9wRTcïïï22确定煤层气绝热节流系数ρcE=A+Bwexp(－3.8w)î51010RTc式中:Aj，Bj———气体通用常数，j=1，2，…，11;煤层气排采中的节流温降可利用焦耳－汤姆逊系Tc———煤层气的临界温度，取Tc=190.69K;数求得，节流前、后气体温降为:3ρc———煤层气的临界密度，取ρc=10．15kg/m;p1ΔT=∫μjdp(3)w———煤层气的偏心因子，取w=0．013。p2压力p不变时，式(5)两端对T求