一种可更换式引射装置的制作方法

1.本发明涉及能源采集技术领域，尤其是涉及一种可更换式引射装置。


背景技术：

2.天然气引射技术能够利用高压天然气能量来降低低压气井井口压力、提高气井产量，同时提高低压天然气输送压力，使其满足集输要求。天然气引射装置主要由高压气入口、低压气入口、喷嘴、混合室、扩散室(也称扩压室)等五部分组成。引射器本身不需要额外动力，结构简单，制造成本较低，安装简易，操作方便。近年来引射器已在国内外许多工程和科研设备中得到了广泛应用。
3.现有天然气田生产过程中往往存在如下问题：1.在气田开采过程中，地层能量不断下降，气井压力降低，降低到一定程度后就需要增压开采，造成采气工程系统压力日益增大；2.同一气田中，高低压井同时存在，尤其是丛式井生产中井间压力差异显著，压力过高的井需要进行节流，压力过低的井需要增压，高低压气井混输进一步加剧低压井的开采难度和成本。因此，优化采气工艺、实现气田稳产、填补产量缺口是一个迫在眉睫的问题。
4.引射技术是利用高压气井的能量来开采低压井的技术，这种技术可以延迟增压开采时间，显著降低生产成本，能够有效解决气井低压生产以及高低压气井采出气混输的问题，但是传统的引射装置的结构尺寸固定，适应的工况范围有限。在对引射装置进行设计时，一般根据特定的生产条件和压力参数进行设计，设计工况范围较窄，往往一种引射器尺寸只适用于有限的生产工况，不能在不同的天然气井得到广泛应用。另外，随着生产的进行，同一口天然气井的工况条件往往也变化很快，使得根据最初设计工况设计的引射装置很快就不再适用。在这样的应用环境下，如果工况稍有改变就需要重新设计加工新的具有其他结构参数的引射装置，如此，造成设计、加工、使用等成本上升，同时也影响生产过程的持续性。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可更换式引射装置，包括：外壳，其构造为包括第一入口通道部、汇合部、第二入口通道部和出口通道部，所述第一入口通道部与第一类气井管道连通，所述第二入口通道部与第二类气井管道连通，所述汇合部分别与各入口通道部的下游和所述出口通道部的上游连通，所述出口通道部的下游与外部输送管道连通；喷嘴，其与所述第一入口通道部的入口端可拆卸式连接；混合及扩张室，其与所述出口通道部的出口端可拆卸式连接；结构参数选择模块，其用于获取所述入口通道部的入口外部以及所述出口通道部的出口外部的实时压力，根据所述实时压力从预设装置几何参数表中选取相适应的喷嘴结构数据和混合及扩张室结构数据，以安装满足结构条件的相应部件。
6.优选地，所述第一入口通道部包括第一连接器和第一直管段，所述第一连接器与所述第一直管段的入口端外侧固定连接；所述喷嘴包括第二连接器、第二直管段和喷嘴变
径段，所述第二连接器与所述第二直管段的入口端外侧固定连接，其中，所述第一连接器和所述第二连接器采用法兰件连接，所述第一直管段的内径与所述第二直管段的外径相匹配。
7.优选地，所述出口通道部包括第三连接器和第三直管段，所述第三连接器与所述第三直管段的出口端外侧固定连接；所述混合及扩张室包括第四连接器和第四直管段，所述第四连接器与所述第四直管段的出口端外侧固定连接，其中，所述第三连接器和所述第四连接器采用法兰件连接，所述第三直管段的内径与所述第四直管段的外径相匹配。
8.优选地，所述第四直管段的内部通路构造为包括混合室段、混合室喉道段和扩张室段的第一变径结构，其中，所述混合室段采用渐缩结构，所述扩张室段采用渐扩结构，所述混合室段的入口端口径与所述扩张室段的出口端口径相同，所述混合室段的入口端口径大于所述混合室喉道段的口径；第二入口通道部包括第五连接器和第五直管段，所述第五连接器与所述第五直管段的入口端外侧固定连接；所述喷嘴的出口端延伸至所述汇合部内部；所述混合及扩张室的入口端延伸至紧邻所述出口通道部的入口处。
9.优选地，所述装置还包括装置结构设计模块，其中，所述装置结构设计模块，包括：工况参数生成单元，其用于获取与当前引射技术实施环境相符的第一类气井出口端、第二类气井出口端和输送管道入口端的初始环境参数的变化范围信息，利用预设的第一工况步长，生成针对不同工况下的初始环境参数；组合结构生成单元，其用于根据所述不同工况下的初始环境参数，对第一类气体经过所述喷嘴加速处理并携带第二类气体混合通过所述混合及扩张室的内部通路的过程进行模拟，得到针对每种工况下的包括喷嘴几何结构数据、和混合及扩张室几何结构数据在内的组合结构数据，形成为所述装置几何参数表。
10.优选地，所述装置结构设计模块，还包括：组合结构优化单元，其用于对多组所述组合结构数据进行归类处理，以根据归类后的若干组所述组合结构数据形成为所述装置几何参数表。
11.优选地，所述装置结构设计模块，还包括：组合结构校验单元，其用于根据经归类处理后的所述初始环境参数的变化范围信息，通过三维数值模拟软件，分别对每种工况所生成的所述组合结构数据进行模拟，得到每种组合结构数据对应的装置有效工作边界，而后将所有所述装置有效工作边界内的同类型参数及相应的数据范围进行整合，检测整合结果是否能够覆盖所述初始环境参数的变化范围信息内的出口环境参数变化范围，若满足，则通过校验。
12.优选地，所述组合结构校验单元，其还用于在没有通过校验时，对归类处理结果的数目进行加密或稀疏调整。
13.优选地，所述组合结构生成单元，其按照如下步骤生成一组所述组合结构数据：步骤一、获取当前工况下指定的所述初始环境参数，基于此，结合喷嘴出口压力给定值，利用预设的喷嘴结构气动模型，计算初始的喷嘴结构数据；步骤二、根据所述初始的喷嘴结构数据，利用预设的等压混合室气动模型和扩压室气动模型，依次计算混合室收缩比、混合室出口口径和扩张室扩压比，进一步得到包括扩张室出口静压在内的初始的混合及扩张室结构数据；步骤三、判断当前所述扩张室出口静压是否小于当前指定的初始环境参数内输送管道入口压力，若不满足，则返回所述步骤一，按照预设的降压步长，降低所述喷嘴出口压力给定值，以计算新的喷嘴结构数据、混合及扩张室结构数据，若满足，则进入下一步；步骤
四、将满足这一条件的前一组所述喷嘴结构数据、以及所述混合及扩张室结构数据作为当前工况下的所述组合结构数据的初始数据组。
14.优选地，在生成一组所述组合结构数据的过程中，还包括：获取若干组混合室长径比数据，基于此，结合所述初始数据组，采用三维数值模拟软件，建立相应的引射装置三维模型，并分别得到包括流场速度云图、压力云图和温度云图的装置流场云图；在表现出具有混合室出口截面的速度场分布均匀特点的所述装置流场云图中，选取混合室长度最短的所述装置流场云图，并将该图对应的混合室长径比写入当前初始数据组中，从而生成针对当前指定工况下的所述组合结构数据。
15.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
16.本发明提出了一种可更换式引射装置。该装置将喷嘴部件、混合及扩散室部件和外壳构造为分离式设置方式且可拆卸式安装方式；对不同引射装置的规格参数进行分析并归类，构建出能够适应于引射技术实施环境下的装置几何参数表格；通过表格中记录的针对不同工况下对应的相适应的喷嘴部件结构数据和混合及扩张室结构数据，形成为多套喷嘴、混合及扩散室的实体部件系列，建立可适用于更广操作工况下的统一规格引射装置。本发明能够克服天然气田生产中低压气井增压开采、高低压井混输以及传统引射器应用范围窄的问题，可显著扩展引射装置适用工况范围，使目标气田气井的引射装置设计和加工批量化、通用化，降低设计加工和生产成本。另外，由于使用这种可更换喷嘴、混合及扩张室的引射装置，不但扩大了引射装置适用的工况范围，还可使得装置使用周期增长，进一步降低装备的维护、安装等成本。
17.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
19.图1是本技术实施例的可更换式引射装置的整体结构示意图。
20.图2是本技术实施例的可更换式引射装置中外壳100的结构示意图。
21.图3是本技术实施例的可更换式引射装置中缩减喷嘴200的结构示意图。
22.图4是本技术实施例的可更换式引射装置中拉发尔喷嘴200的结构示意图。
23.图5是本技术实施例的可更换式引射装置中混合及扩张室300的结构示意图。
24.图6是本技术实施例的可更换式引射装置中装置结构设计模块500的工作流程图。
25.图7是本技术实施例的可更换式引射装置中组合结构生成单元520的流程示意图。
具体实施方式
26.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，
所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
27.另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
28.天然气引射技术能够利用高压天然气能量来降低低压气井井口压力、提高气井产量，同时提高低压天然气输送压力，使其满足集输要求。天然气引射装置主要由高压气入口、低压气入口、喷嘴、混合室、扩散室(也称扩压室)等五部分组成。引射器本身不需要额外动力，结构简单，制造成本较低，安装简易，操作方便。近年来引射器已在国内外许多工程和科研设备中得到了广泛应用。
29.现有天然气田生产过程中往往存在如下问题：1.在气田开采过程中，地层能量不断下降，气井压力降低，降低到一定程度后就需要增压开采，造成采气工程系统压力日益增大；2.同一气田中，高低压井同时存在，尤其是丛式井生产中井间压力差异显著，压力过高的井需要进行节流，压力过低的井需要增压，高低压气井混输进一步加剧低压井的开采难度和成本。因此，优化采气工艺、实现气田稳产、填补产量缺口是一个迫在眉睫的问题。
30.引射技术是利用高压气井的能量来开采低压井的技术，这种技术可以延迟增压开采时间，显著降低生产成本，能够有效解决气井低压生产以及高低压气井采出气混输的问题，但是传统的引射装置的结构尺寸固定，适应的工况范围有限。在对引射装置进行设计时，一般根据特定的生产条件和压力参数进行设计，设计工况范围较窄，往往一种引射器尺寸只适用于有限的生产工况，不能在不同的天然气井得到广泛应用。另外，随着生产的进行，同一口天然气井的工况条件往往也变化很快，使得根据最初设计工况设计的引射装置很快就不再适用。在这样的应用环境下，如果工况稍有改变就需要重新设计加工新的具有其他结构参数的引射装置，如此，造成设计、加工、使用等成本上升，同时也影响生产过程的持续性。
31.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种可更换喷嘴、混合室及扩散室的引射装置，该装置包括外壳、喷嘴、混合及扩张室和结构参数选择模块。本发明预先构建有基于当前引射技术实施场景内的引射装置外部环境变化范围而构建的装置几何参数表，该表格记录有变化范围内不同工况下需要使用的喷嘴内部结构参数和混合及扩张室结构参数。具体地，外壳为一体化成型结构，包括与高压气井连通的第一入口通道部、与低压气井连通的第二入口通道部、用于汇合引射气体和被引射气体的汇合部、以及分别与汇合部出口端和外部输送管道连通的出口通道部；喷嘴与第一入口通道部的入口端可拆卸式连接；混合及扩张室与出口通道部的出口端可拆卸式连接。其中，在引射技术实施过程中，由结构参数选择模块实时检测并获取第一入口通道部的入口端外部、第二入口通道部的入口端外部、以及出口通道部的出口端外部的实时压力数据，根据这些实时压力数据，从装置几何参数表中选择相适应的喷嘴部件、混合及扩张室部件的结构数据，并将符合当前结构条件的喷嘴和混合及扩张室分别安装在外壳的指定位置上。
32.本发明的引射装置克服了天然气田生产以及传统引射器应用中存在的适用工况范围窄的局限性的问题，通过建立形成适用于更广操作工况下的统一规格引射装置几何参数表，可显著扩展引射装置适用工况范围，简化了目标气田气井引射装置的设计过程，能够达到加工批量化和通用化的目的，降低设计加工和生产成本。另外，本发明使用这种可更换
喷嘴、混合室及扩压室的引射装置，由于适用工况范围的扩大，可使用的周期也增长，可进一步降低装备的维护、安装等成本。
33.图1是本技术实施例的可更换式引射装置的整体结构示意图。如图1所示，本发明中的引射装置至少包括：外壳100、喷嘴200、混合及扩张室300和结构参数选择模块400。参考图2，外壳100构造为包括第一入口通道部110、汇合部120、第二入口通道部130和出口通道部140。其中，第一入口通道部110与当前引射技术实施场景内的第一类气井管道连通(第一类气井优选为当前引射技术实施环境下的高压气井，第一类气井管道指的是当前高压气井的高压气输出管道)。第二入口通道部130与当前引射技术实施场景内的第二类气井管道连通(第二类气井优选为当前引射技术实施环境下的低压气井，第二类气井管道指的是当前低压气井的低压气输出管道)。汇合部120分别与第一入口通道部110的下游端口、第二入口通道部130的下游端口、以及出口通道部140的上游端口连通，用于将从第一入口通道部110内的喷嘴200流出的高压气体(引射气体)与从第二入口通道部130输送的低压气体(被引射气体)进行混合后输送至出口通道部140内的混合及扩张室300内。出口通道部140的下游端口与当前引射技术实施场景内的外部输送管道连通。优选地，上述第一入口通道部110、汇合部120、第二入口通道部130和出口通道部140一体化成型，以形成为相应的外壳100。
34.进一步，喷嘴200从第一入口通道部110的入口端插入，喷嘴200与第一入口通道部110的入口端处构造为可拆卸式连接。更进一步地说，喷嘴200的出口延伸至汇合部120的内部。喷嘴200用于对通入的高压引射气体进行加速。
35.进一步，混合及扩张室300从出口通道部140的出口端插入，混合及扩张室300与出口通道部140的出口端出构造为可拆卸式连接。更进一步地说，混合及扩张室300的入口延伸至靠近出口通道部140的入口端出。混合及扩张室300用于将从喷嘴200引射出的高压气体与通入的低压气体进行等压混合，并将等压混合后的气体进行稳压后输送至外部输送管道。这样，通过将混合后的气体输送至效力较低的低压天然气储层，以提高输送压力，对低压天然气储层进行增压开采，对高压井进行节流调节的基础上，又对压力低压井进行了增压改造。
36.为了解决现有技术中，引射装置适用工况范围窄的问题，预先根据当前引射技术实施场景内的引射装置外部环境变化范围构建了一种针对变化范围内的不同工况下所适用的引射装置内部结构参数的表格(装置几何参数表)，针对每种特定工况都对应有相应的喷嘴内部结构参数、以及混合及扩张室结构参数。这样，根据装置几何参数表内的数据，对不同结构的喷嘴部件、以及不同结构的混合及扩张室部件进行加工生产，在后续引射技术现场实施过程中，能够根据现场检测到的实时的外部环境数据，选择相适应的喷嘴部件、以及混合及扩张室部件，分别安装于外壳相应位置出，使得引射装置能够适应当前环境下的各种类型的工况范围。
37.进一步，结构参数选择模块400用于检测并获取第一入口通道部110的入口外部(入口外围)且紧邻该入口处的实时压力、第二入口通道部130的入口外部(入口外围)且紧邻该入口处的实时压力、以及出口通道部140的出口外部且紧邻该出口处的实时压力，根据这些实时压力数据(这些实时压力数据即为上述外部环境数据)，从预设装置几何参数表中选取相适应的喷嘴结构数据、和混合及扩张室结构数据，以安装满足结构条件的喷嘴部件
200和混合及扩张室部件300。
38.进一步，在一个优选实施例中，上述喷嘴结构数据包括但不限于：喷嘴类型、喷嘴出口压力、喷嘴尺寸信息、喷嘴出口马赫数等。其中，在喷嘴类型为缩减喷嘴时，喷嘴尺寸信息包括但不限于：喷嘴的出口口径等；在喷嘴类型为拉发尔(缩放)喷嘴时，喷嘴尺寸信息包括但不限于：喷嘴的出口口径、喷嘴喉道直径等。上述混合及扩张室结构数据包括但不限于：混合室出口口径、混合室长径比、扩张室扩压比和(最优)扩张室出口静压等。
39.图2是本技术实施例的可更换式引射装置中外壳100的结构示意图。如图2所示，第一入口通道部110包括第一连接器111和第一直管段112。第一连接器111与第一直管段112的入口端外侧(外围)固定连接。第一直管段112内部具有第一直管通路113用于容纳喷嘴200。第二入口通道部130包括第五连接器131和第五直管段132。第五连接器131与第五直管段132的入口端外侧(外围)固定连接。第五直管段132内部具有第五直管通路133用于输送从第二类气井管道输送的第二类气体(低压被引射气体)。优选地，上述第五连接器131采用法兰件。在天然气田安装使用时，第五连接器131(法兰)与低压井气体管道出口处的法兰件通过螺栓固定连接，使得第五直管通路133与第二类气井管道连通。出口通道部140包括第三连接器141和第三直管段142。第三连接器141与第三直管段142的出口端外侧(外围)固定连接。第三直管段142内部具有第三直管通路143用于容纳混合及扩张室300。
40.图3是本技术实施例的可更换式引射装置中缩减喷嘴200的结构示意图。图4是本技术实施例的可更换式引射装置中拉发尔喷嘴200的结构示意图。参考图3、图4，喷嘴200包括：第二连接器201、第二直管段202和喷嘴变径段203。其中，第二连接器201与第二直管段202的入口端外侧(外围)固定连接。第二直管段202内部具有第二直管通路204用于输送从第一类气井管道通入的第一类气体(高压引射气体)。上述第一连接器111与第二连接器201采用法兰件连接。进一步，在天然气田安装使用时，第一连接器111(法兰)、第二连接器201(法兰)同时与高压井气体管道出口处的法兰件通过螺栓固定连接，使得喷嘴200内的第二直管通路204与第一类气井管道连通。另外，上述第一直管段112的内径(第一直管通路113的口径)与第二直管段202的外径相匹配。
41.进一步，喷嘴变径段203的外轮廓(纵向截面)采用渐缩结构。如图3所示，缩减喷嘴的内部具有第一结构的喷嘴通路205，喷嘴通路205的入口端口径与第二直管通路204的口径相同，其中，第一结构为圆锥收缩结构。如图4所示，拉发尔喷嘴的内部具有第二结构的喷嘴通路205，喷嘴通路205的入口端口径与第二直管通路204的口径相同，其中，第二结构构造为逐渐收缩的圆锥管段结构206、圆弧过渡的喉道段结构207、以及逐渐扩张的圆锥管段结构208。
42.图5是本技术实施例的可更换式引射装置中混合及扩张室300的结构示意图。参考图5，混合及扩张室300，包括：第四连接器301和第四直管段302。其中，第四连接器301与第四直管段302的出口端外侧固定连接。第四直管段302内部具有构造为缩-直-放结构(第一变径结构)的第四通路，用于将汇合部120输送进来的引射气体和被引射气体先后进行等压混合、稳压和增压处理后，送入外部输送管道内。上述第四连接器301与第三连接器141采用法兰件连接。进一步，在天然气田安装使用时，第四连接器301(法兰)、第三连接器141(法兰)同时与外部输送管网管道入口处的法兰件通过螺栓固定连接，使得混合及扩张室300内的上述第四通路与外部输送管道连通。另外，上述第三直管段142的内径(第三直管通路143
的口径)与第四直管段302的外径相匹配。
43.进一步，如图5所示，第四通路构造为第一变径结构。具体地，第四通路构造为包括混合室(段)303、直管过渡的混合室喉道(段)304、以及逐渐扩张的扩散室(段)305。其中，混合室段303采用渐逐渐收缩的圆锥结构，扩张室段305采用逐渐扩张的圆锥结构，混合室段303的入口端的口径与扩张室段305的出口端口径相同或相近，混合室段303的入口端口径大于混合室喉道段304的口径。
44.在实际应用过程中，从高压气井输送来的高压天然气体通过引射装置的第一入口通道部110的入口端进入，通过引射装置喷嘴200完成加速降压过程，在使用减缩喷嘴时，气体在喷嘴出口加速到亚音速状态，在使用拉发尔喷嘴时，气体在喷嘴出口加速到超音速状态。同时，从低压气井输送来的低压天然气体通过引射装置的第二入口通道部130的入口端进入，流经第五直管段132后，进入引射装置喷嘴200出口之后所在的汇合部120形成为的低压区，在压差及喷嘴出口高速气流的裹挟作用下，引射气体和被引射气体进入引射装置混合室303。而后，从喷嘴200流出的高速气流(引射气体)与从低压气井来的低速气流(被引射气体)在混合室303内进行等压混合，速度分布在混合室出口达到近似均匀分布状态。然后，混合室出口混合均匀的气体经过混合室喉道管段304，流动状态进一步平稳(如果混合室305出口为超音速气流，在喉道内经由激波变为亚音速气流)，接着，在混合气流通过混合室喉道304后，进入扩散室305，气流速度进一步降低，压力逐步增高，直至恢复到大于或等于出口管网压力。此时，混合气流通过引射装置出口流出，进入输送管网。
45.在对本发明实施例所述的引射装置内的引射结构进行说明后，进一步对上述装置几何参数表的构建过程进行详细说明。参考图1，引射装置，还包括：装置结构设计模块500。图6是本技术实施例的可更换式引射装置中装置结构设计模块500的工作流程图。下面结合图1和图6，对装置结构设计模块500的内部结构和工作流程进行说明。
46.如图1所示，装置结构设计模块500至少包括：工况参数生成单元510和组合结构生成单元520。其中，工况参数生成单元510用于(步骤s601)获取与当前引射技术实施环境相符的第一类气井出口端、第二类气井出口端和输送管道入口端的初始环境参数的变化范围信息，(步骤s602)基于此，利用预设的第一工况步长，生成针对不同工况下的初始环境参数。在实际应用过程中，由于引射技术所实施地理位置、天气环境等因素的影响，使得实施这种技术的应用环境的变化范围具有一定的差异，因而，变化范围内所包含的工况情况也会有所差异。因此，在构建上述装置几何参数表，需要获取到第一类气井出口端外部且紧邻当前出口处的(装置第一入口)初始环境参数的变化范围信息、第二类气井出口端外部且紧邻当前出口处的(装置第二入口)初始环境参数的变化范围信息、以及输送管道入口端外部且紧邻当前入口处的(装置出口)初始环境参数的变化范围信息，以这些信息作为构建装置几何参数表的数据基础。
47.进一步，在本发明的一个实施例中，上述装置第一入口的初始环境参数包括但不限于：入口压力、温度、流量和管道直径(第一入口的口径)等。上述装置第二入口的初始环境参数包括但不限于：入口压力、温度和管道直径(第二入口的口径)等。上述装置出口的初始环境参数包括但不限于：出口外部且紧邻当前出口的压力等。
48.需要说明的是，在本发明实施例中，虽然利用工况参数生成单元510获取到了装置出口的初始环境参数，但在生成针对不同工况下的初始环境参数过程中，仅需要根据两处
装置入口初始环境参数的变化范围信息而生成。具体地，需要根据两处入口位置处的初始环境参数的变化范围信息，针对不同类型的参数，采用单一控制变量法，先确定其中一类参数的变化范围并为其设置相应的第一工况步长，将该类参数设置为变量且将其他类型参数设为定量，列出当前变量的所有控制量值以及与其他类型参数设为定量控制量组合下的多组组合后的初始环境参数；再先确定另一类参数的变化范围并为其设置相应的第一工况步长，将该类参数设置为变量且将其他类型参数设为定量，列出当前变量的所有控制量值以及与其他类型参数设为定量控制量组合下的多组组合后的初始环境参数；以此类推，在将所有类型参数均作为变量后，得到若干组不同组合形式的初始环境参数，每种组合对应有一种工况，每种工况对应有指定具体数值的初始环境参数。
49.进一步，为了简化上述不同工况的种类数量，可以选择对引射技术影响较大的参量作为变量进行控制而生成若干组不同组合形式的初始环境参数。例如：仅以高压气井出口(第一入口)处的压力、温度和流量；以及以低压气井出口(第二入口)处的压力和温度为变量生成不同工况的组合。
50.进一步，组合结构生成单元520用于(步骤s603)根据不同工况下的初始环境参数(每种工况对应有的指定具体数值的初始环境参数)，对第一类气体经过喷嘴200加速处理并携带第二类气体，混合通过混合及扩张室300的内部通路的过程(结合空气动力学原理、流体力学原理等)进行模拟，得到针对每种工况下的(装置)组合结构数据，形成为装置几何参数表。其中，每种(装置)组合结构数据包括：喷嘴结构数据、和混合及扩张室结构数据。
51.进一步，虽然能够针对当前引射技术实施环境来设计出适用工况范围更广的引射装置，但考虑到技术应用环境的变化范围、应用环境的变化频率、更换喷嘴和混合及扩张室时的经济成本代价、频繁更换部件时对引射技术实施过程的影响、以及频繁更换部件时对其他相关设备的影响等等因素，因此，需要进一步减少上述装置几何参数表的工况数量，以对表格进行简化。
52.在本发明一优选实施例中，继续参考图1，上述装置结构设计模块500还包括：组合结构优化单元530。其中，组合结构优化单元530用于(步骤s604)对上述组合结构生成单元520生成的多组组合结构数据进行归类处理，以根据归类后的若干组组合结构数据，从而形成为新的经过归类优化处理的装置几何参数表。具体地，对于不同工况条件下(每种工况对应有指定具体数值的初始环境参数)计算得到的组合结构数据，对喷嘴结构尺寸相近、并且混合及扩张室结构尺寸相近的装置组合结构，在相近的尺寸范围内选择一种尺寸参数，进行归类，同时，将这些相近尺寸对应的具体数值的初始环境参数进行归类生成有相应的子范围，从而形成一系列不同喷嘴结构参数、混合及扩散室结构参数的装置组合结构数据，并且每组装置组合结构数据对应有相应的初始环境参数子范围。其中，归类的原则是：针对喷嘴部件的结构尺寸，选择喷嘴出口压力低的；针对混合及扩散室部件的结构尺寸，选择喉道尺寸(混合室出口口径)位于中间位置的。
53.进一步，在实际应用过程中，由于上述组合结构优化单元530在进行归类处理时，仅考虑到了装置组合结构数据的相近性，并未实际考虑这种装置组合数据的可行性。因此，为了提高上述装置几何参数表的准确度，需要进一步对组合结构优化单元530所生成的装置几何参数表进行可行性检验。在本发明一优选实施例中，继续参考图1，上述装置结构设计模块500还包括：组合结构校验单元540。组合结构校验单元540用于(步骤s605)根据经归
类处理后的初始环境参数的变化范围信息，通过三维数值模拟软件(例如：fluent软件)，分别对每种工况所生成的组合结构数据进行模拟，得到每种组合结构数据对应的装置有效工作边界，而后(步骤s606)将所有装置有效工作边界内的同类型参数及相应的数据范围进行整合，(步骤s607)对当前整合结果是否能够覆盖初始环境参数的变化范围信息内的装置出口环境参数变化范围进行检测。
54.进一步，由于此处的初始环境参数的变化范围信息是上述组合结构优化单元530处得到的经过归类处理的初始环境参数变化范围信息，即上述多组初始环境参数子范围，故需要对每组初始环境参数子范围对应的装置组合结构数据进行模拟，确定出每组装置组合结构数据的装置有效工作边界。其中，装置有效工作边界优选为扩张室305的出口静压力的范围区间。需要说明的是，在对某一组初始环境参数子范围对应的装置组合结构数据进行模拟时，先生成针对当前子范围下的不同工况对应的具有具体数值的初始环境参数(该过程与上述工况参数生成单元510利用第一工况步长生成不同工况下的具有具体数值的初始环境参数的过程类似，此处不作赘述)；而后，通过三维数值模拟软件，分别对每种工况在当前装置组合结构数据限制下的引射过程进行模拟，针对每种工况都得到相应的扩张室出口静压力；最后，将当前子范围内的所有扩张室出口静压力整合为相应的范围区间，从而形成有针对当前装置组合结构数据的装置有效工作边界(范围)。
55.进一步，在得到所有装置组合结构数据对应的装置有效工作边界后，将装置有效工作边界进行整合，得到整个(统一规格的)引射装置的有效工作边界范围。最后，将整个(统一规格的)引射装置的有效工作边界范围与上述工况参数生成单元510获取到的输送管道入口端(装置出口端)的初始环境参数的变化范围信息进行对比。其中，如果整个(统一规格的)引射装置的有效工作边界范围能够覆盖当前装置出口端的初始环境参数变化范围，则表示当前组合结构优化单元530生成的装置几何参数表通过校验，能够直接应用于引射技术实施现场。
56.另外，上述组合结构校验单元540还用于在没有通过校验时，对归类处理结果的数目进行加密或稀疏调整。具体地，如果整个(统一规格的)引射装置的有效工作边界范围不能够完全覆盖当前装置出口端的初始环境参数变化范围(例如：出现超范围、或中间有部分范围未覆盖到、或者属于不同组的装置有效工作边界范围相互之间重叠的部分过多等情况)，则当前组合结构优化单元530生成的装置几何参数表未通过校验，不能直接应用于引射技术实施现场，并返回上述组合结构优化单元530中，以对归类处理进行加密或稀疏调整。
57.举例说明，如果所有单个装置有效工作边界范围合起来不能覆盖、整个(统一规格的)引射装置的有效工作边界范围，即不同组的工作边界范围之间存有未覆盖区域，则需要返回组合结构优化单元530中，调整结构归类划分方案，一般是进行加密调整；如果不同组的工作边界互相之间重合部分过大，则同样返回组合结构优化单元530中，调整结构归类划分方案，减少表格中的组合数目，进行稀疏处理。这样，可以减少部件数量，降低更换部件所需成本，使得表格中的工况数目更为合理化。
58.进一步地，在上述组合结构生成单元520中，需要根据每种工况对应有的指定具体数值的初始环境参数，计算出针对当前工况下的装置组合结构数据，以为后续形成装置几何参数表提供一组结构数据。由于每种工况对应的装置组合结构数据的计算过程都相同，
故本发明实施例一其中一组装置组合结构数据的计算过程进行说明。
59.图7是本技术实施例的可更换式引射装置中组合结构生成单元520的流程示意图。如图7所示，步骤s701获取当前工况下的指定的初始环境参数，根据这些指定的初始环境参数，结合喷嘴出口压力给定值，利用预设的喷嘴结构气动模型，计算喷嘴结构数据。
60.进一步，在本发明一优选实施例中，通过一维数值算法，计算喷嘴的几何结构参数。所述一维数值计算是基于空气动力学理论，理论模型简化包括如下设计原则：1、气体为理想气体(比热、比热比为常数)；2、气体流动为一维、无粘、轴向、绝热的等熵流动；3、引射气流和被引射气流在混合区入口静压匹配；4、气体不发生化学反应、在混合区出口已完成充分混合；5、摩擦损失忽略不计；6、出口流速低于音速。
61.进一步，在本发明一优选实施例中，按照如下过程计算喷嘴的几何结构参数：
62.1)获取当前工况下具有具体数值的初始环境参数中的装置第一入口的初始环境参数、装置第二入口的初始环境参数、以及装置出口的初始环境参数，包括但不限于：高压气体入口压力、温度、流量和管道直径；低压气体的入口压力、温度和管道直径；混合气体出口压力、温度和管道直径。
63.2)根据步骤1)获取到的各类初始环境参数，计算在给定数值工况条件下的当前装置内每个入口的入口基础参量。其中，入口基础参量包括但不限于：实际流速、气体常数、当地音速、马赫数、入口总压等。
64.3)根据步骤1)获取到的所有关于入口的初始环境参数数值、以及步骤2)得到的每个入口的入口基础参量，利用喷嘴结构气动模型，计算喷嘴200的初始的结构数据。其中，喷嘴结构数据包括但不限于：喷嘴临界压力、喷嘴类型、喷嘴出口压力、喷嘴出口马赫数和喷嘴结构尺寸等。进一步，缩减喷嘴的结构尺寸包括但不限于：喷嘴出口直径(口径)等；拉法尔喷嘴的结构尺寸包括但不限于：喷嘴出口直径(口径)和喷嘴喉道直径(口径)等。喷嘴结构气动模型利用如下表达式(1)～(6)表示：
[0065][0066]
其中，p
*
表示喷嘴临界压力，p
ni
表示喷嘴入口压力，m
ni
表示喷嘴入口马赫数，γ表示高压气体的比热比。当喷嘴临界压力小于或等于喷嘴入口压力(高压气体入口压力)p
l
时，即p
*
≤p
l
，喷嘴类型为减缩喷嘴；当喷嘴临界压力大于或等于喷嘴入口压力p
l
时，即p
*
≥p
l
时，喷嘴类型为拉发尔喷嘴。
[0067]
进一步，利用如下表达式计算减缩喷嘴的出口马赫数：
[0068][0069]
其中，m
ne
表示出口马赫数，p
ne
表示喷嘴出口压力，p0表示喷嘴入口总压。
[0070]
进一步，利用如下表达式计算减缩喷嘴的出口直径d
ne
：
[0071]
[0072]
其中，d
ni
表示喷嘴入口直径。
[0073]
进一步，利用如下表达式计算拉发尔喷嘴的喉道直径d
nt
：
[0074][0075]
进一步，利用如下表达式计算拉发尔喷嘴的出口马赫数m
ne
：
[0076][0077]
进一步，利用如下表达式计算拉发尔喷嘴的出口直径d
ne
：
[0078][0079]
在完成喷嘴结构数据计算后，进入到步骤s702中。步骤s702根据步骤s701得到的喷嘴结构数据，利用预设的等压混合室气动模型和扩压室气动模型，依次计算混合室收缩比、混合室出口口径和扩张室扩压比，从而得到包括扩张室出口静压在内的初始的混合及扩张室结构数据。
[0080]
进一步，在本发明一优选实施例中，通过一维数值算法，计算混合及扩张室的几何结构参数。
[0081]
进一步，在本发明一优选实施例中，按照如下过程计算初始的混合及扩张室结构数据：
[0082]
1)利用预设的等压混合室气动模型，计算混合室收缩比、混合室出口口径。首先，基于混合室入口处的压力分布原理，引射和被引射入口压力用如下表达式表示：p
p
＝p
s
＝p
ne
(7)，其中，p
p
表示主流即引射气流(高压气体)在混合室入口处的压力，p
s
表示次流即被引射气流(低压气体)在混合室入口处的压力，p
ne
表示喷嘴出口压力。
[0083]
基于气动函数关系式方程：其中，λ表示速度系数，m表示马赫数。
[0084]
进一步，将上述式(7)改写为如下形式：p
0p
π(λ
p
,γ
p
)＝p
0s
π(λ
s
,γ
s
)(10)，得到由此，利用表达式(11)计算次流气体的速度系数。其中，p
0p
表示主流总压，λ
p
表示主流速度系数，γ
p
表示主流气体比热比，p
0s
表示次流总压，λ
s
表示次流速度系数，γ
s
表示次流气体比热比。
[0085]
基于气动函数关系式方程：
[0086]
进一步，基于上述表达式(8)～(13)，依次利用如下表达式计算混合室收缩比φ：
[0087][0088]
其中，收缩比a
m
表示混合室出口流道的横截面积，a
p
表示主流流道的横截面积，a
s
表示次流流道的横截面积，比热比c
pp
表示主流气体定压比热，c
ps
表示次流气体定压比热，总温比t
0p
表示主流总温，t
0s
表示次流总温，k表示引射系数，气体特性常数r表示气体常数，r
p
表示主流气体常数，r
s
表示次流气体常数，r
m
表示混合室出口气体常数，γ
m
表示混合室出口气体的比热比，p
0m
表示混合室出口气体的总压，α表示主流与次流流道的面积比，
[0089]
进一步，由动量守恒方程进一步，由动量守恒方程得到λ
m
，其中，λ
m
表示混合室出口速度系数，t
0m
表示混合室出口气体总温。
[0090]
进一步，根据等压混合室等压条件p
m
＝p
p
(22)，得到其中，p
m
表示混合室出口气体压力，p
0m
表示混合室出口气体总压。
[0091]
这样，通过上述等压混合室气动模型(优选为表达式7～表达式23)完成了混合室收缩比、以及混合室出口口径(混合室出口口径根据上述混合室出口流道的横截面积计算得到)等混合室段内部结构参数的计算。
[0092]
2)利用预设的扩压室气动模型，计算扩张室扩压比。
[0093]
当混合室出口为超音速气流时，通过如下表达式计算扩张室扩压比：
[0094][0095]
其中，λ
d
表示扩压室出口速度系数，γ
d
表示扩压室出口气体比热比，σ
m
表示混合室出口气体经过激波后的总压恢复系数，σ
d
表示扩压室亚音速段的总压恢复系数，ψ表示扩压室扩压比，a
d
表示扩压室出口流道的横截面积。
[0096]
进一步，由于在式(24)中，进一步，由于在式(24)中，通过迭代计算方法，求解方程(25)得到扩压室出口速度系数λ
d
。
[0097]
进一步，利用如下表达式依次计算扩压室出口总压、扩张室出口静压和引射装置恢复系数：
[0098]
p
0d
＝p
0m
σ
m
σ
d
ꢀꢀꢀ
(26)
[0099]
p
d
＝p
0d
π(λ
d
,γ
d
)
ꢀꢀꢀ
(27)
[0100][0101]
其中，p
0d
表示扩压室出口总压，p
d
表示扩张室出口静压，h表示引射装置恢复系数。这样，在步骤s701确定当前应使用拉发尔喷嘴时，通过上述表达式(24)～(28)计算得到初始的混合及扩张室结构数据。
[0102]
当混合室出口为亚音速气流时，通过如下表达式计算扩张室扩压比：
[0103][0104]
其中，由于在式(29)中，通过迭代计算方法，求解方程(29)得到扩压室出口速度系数λ
d
。
[0105]
进一步，利用上述表达式(26)～(28)依次计算当前工况下的扩压室出口总压、扩张室出口静压和引射装置恢复系数。这样，在步骤s701确定当前应使用缩减喷嘴时，通述表达式(26)～(30)计算得到初始的混合及扩张室结构数据。
[0106]
由此，通过上述扩压室气动模型(优选为表达式24～表达式30)完成了扩张室扩压比、以及扩张室出口静压等扩张室段内部结构参数的计算，从而进入到步骤s703中。
[0107]
在实际应用过程中，要想保证混合气体能够自主流出引射装置出口的条件必须满足当前扩张室出口静压大于输送管道入口压力值，但又要尽量接近于输送管道入口压力值，才能达到既满足引射装置对引射技术正常实施的条件，又保障了引射能量的高效化利用，使得引射系数最大化。因此，在计算当前指定初始环境数值的工况下，要想得到一组装置组合结构数据计算结果，需要寻找到最优的装置出口压力实际值，即上述扩张室出口静压p
d
。因此，在步骤s701～s705中，需要通过逐渐降低喷嘴出口压力给定值的方法，寻找到满足上述引射技术效能最大化的需求的最优扩张室出口静压(装置出口压力)，并对其进行检测。
[0108]
步骤s703判断当前扩张室出口静压p
d
是否小于当前指定具体数值的初始环境参数内输送管道入口压力(装置出口压力工况参数)p
e
，在扩张室出口静压p
d
大于或等于当前指定具体数值的输送管道入口压力p
e
时，步骤s704按照预设的降压步长，将当前喷嘴压力给定值与降压步长进行差值计算，得到新的喷嘴压力给定值；而后，返回至上述步骤s701中将新的喷嘴压力给定值赋值给当前喷嘴压力给定值，从而利用新的喷嘴压力给定值，来重新计算当前工况下的初始的喷嘴结构数据、以及初始的混合及扩张室结构数据。
[0109]
另外，在步骤s703中，在扩张室出口静压p
d
小于当前指定具体数值的输送管道入口压力p
e
时，进入下一步步骤s705中。步骤s705将满足这一条件时对应的当前初始的喷嘴结构数据、以及初始的混合及扩张室结构数据删除，直接将前一组(前一次降压操作对应的)喷嘴结构数据、以及混合及扩张室结构数据作为当前工况下的装置组合结构数据的初始数据组。这样，便确定出了在满足步骤s703所述的判断条件之前的一组装置组合结构数
据，才是符合引射能量的高效化利用的最佳装置组合结构数据。由此，便通过上述步骤s701～步骤s705得到了针对当前指定工况对应的装置组合结构数据。其中，装置组合结构数据内所需的混合室长径比数据可以根据经验值得到。
[0110]
进一步，为了提高上述混合室长径比数据的准确度，从而提高装置组合结构数据的整体性准确度，在本发明一优选实施例中，上述混合室长径比数据还可以通过模拟软件来生成模拟当前指定工况下的装置内气体运动模型得到。继续参考图7，在步骤s705之后，还包括步骤s706和步骤s707。
[0111]
步骤s706获取若干组混合室长径比数据，基于此，结合上述步骤s705得到的初始数据组，采用三维数值模拟软件，针对每组混合室长径比数据分别建立对应的引射装置三维模型，并得到相应的装置流场云图。其中，装置流场云图分别包括流场速度云图、压力云图和温度云图。装置流场云图是一种三维模型，该模型展示了在当前指定工况下，引射装置内引射气体和被引射气体在混合流动过程中的空气动力场云图，能够分别展示出流动场的在装置内部不同位置处的速度分布情况、压力分布情况以及温度分布情况。
[0112]
接着，步骤s707首先，从多个装置流场云图中，初步筛选出混合室出口截面的速度场分布均匀的装置流场云图，而后，从经过初步筛选的若干个装置流场云图中，再次筛选出混合室长度最短的装置流场云图，并将最终筛选出的装置流场云图对应的混合室长径比写入上述步骤s705得到的装置组合结构数据中，从而得到了针对当前指定工况下的更加准确的装置组合结构数据。
[0113]
在本发明所述的引射装置投入使用时，根据实际工况和预先构建好的装置几何参数表，选取最佳的喷嘴结构数据、混合及扩张室结构数据，以达到最优引射效率。在引射技术实施环境的实际工况发生显著改变时，及时重新选择装置组合结构数据，更换引射装置内的适用于新工况环境的喷嘴部件、混合及扩散室部件。
[0114]
本发明提供了一种可更换式引射装置。该装置将喷嘴部件、混合及扩散室部件和外壳构造为分离式设置方式且可拆卸式安装方式；对不同引射装置的规格参数进行分析并归类，构建出能够适应于引射技术实施环境下的装置几何参数表格；通过表格中记录的针对不同工况下对应的相适应的喷嘴部件结构数据和混合及扩张室结构数据，形成为多套喷嘴、混合及扩散室的实体部件系列，建立可适用于更广操作工况下的统一规格引射装置。本发明能够克服天然气田生产中低压气井增压开采、高低压井混输以及传统引射器应用范围窄的问题，可显著扩展引射装置适用工况范围，使目标气田气井的引射装置设计和加工批量化、通用化，降低设计加工和生产成本。另外，由于使用这种可更换喷嘴、混合及扩张室的引射装置，不但扩大了引射装置适用的工况范围，还可使得装置使用周期增长，进一步降低装备的维护、安装等成本。
[0115]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
[0116]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0117]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构
或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0118]
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。