劉勇峰，劉 俊，李 瑜，李 熹，閆明龍

（中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司 西南分公司， 四川 成都 610041）

井下節(jié)流工藝技術(shù)是將井下節(jié)流器置于井筒某一適當(dāng)位置，來實現(xiàn)井筒節(jié)流降壓，以充分利用地?zé)峒訙兀构?jié)流后氣流溫度高于節(jié)流后壓力條件下的水合物形成初始溫度，這樣在井筒內(nèi)不會形成水合物堵塞，從而達到地面管線壓力降低，控制氣井產(chǎn)量，取消地面加熱保溫裝置的一種采氣工藝技術(shù)。與傳統(tǒng)的地上節(jié)流工藝相比，它具有非常明顯的優(yōu)勢[1]。

目前，該技術(shù)已經(jīng)在蘇格里氣田[2]，長慶氣田[3]，川渝氣田[1]，遼河油田[4]得到現(xiàn)場應(yīng)用，并取得了很好的效果。國內(nèi)外學(xué)者對于井下節(jié)流器進行了深入的研究，設(shè)計了很多新型的節(jié)流器[5-7]，但是主要是針對井下節(jié)流器的打撈，密封等問題進行的研究，對于節(jié)流器節(jié)流嘴使用壽命的研究很少。因為在節(jié)流的過程中，節(jié)流嘴內(nèi)的氣體流速非常快，對于節(jié)流嘴產(chǎn)生了很嚴重的沖刷腐蝕，會嚴重影響節(jié)流器的使用壽命，影響氣田的工作進度。

筆者利用計算流體力學(xué)來研究井下節(jié)流器節(jié)流嘴的沖刷腐蝕，可以為提高井下節(jié)流器的使用壽命提高指導(dǎo)。

1 模型的建立

計算流體力學(xué)就是用數(shù)值計算的方法直接求解描述流體運動基本規(guī)律的非線性數(shù)值方程組，研究流體運動的規(guī)律。它的優(yōu)勢在于可以給出比較完整的定量研究結(jié)果，節(jié)省研究成本和工作量，擴大研究的范圍。

1.1 數(shù)學(xué)模型

流體的流動要遵守基本的定律，主要包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，如果流動屬于紊流，還要遵守紊流輸運方程。控制方程就是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述，天然氣在節(jié)流器中的流動也要遵守這些定律，主要控制方程如下：

（1）連續(xù)性方程

式中：ρ—混合物的密度；

ui—（x，y）兩個方向上的速度。

（2）動量守恒方程

其中：

算子：

（3）能力守恒方程

式中:Cp—比熱容；

T—溫度；

k—流體的傳熱系數(shù)；

ST—流粘性耗散相。

湍流模型的微分方程：

式中：k—湍動能；

Ε—湍流耗散率；

ui—速度張量；

Gk—由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；

Gb—由于浮力引起的湍動能產(chǎn)生；

YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；

C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

1.2 物理模型

這里以最簡單的固定式節(jié)流嘴進行研究，如圖1是物理模型的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)文獻[8]提供的氣井井下節(jié)流器參數(shù)，節(jié)流器直徑為62 mm，節(jié)流嘴直徑為5.0 mm，入口段節(jié)流器長度為100 mm，節(jié)流嘴長度為20 mm，出口段長度為300 mm。節(jié)流器入口壓力為128.68 MPa，溫度為153.65 ℃，出口為88.35 MPa，溫度為114.9 ℃，天然氣的主要成分為甲烷，流動介質(zhì)為甲烷。

采用有限體積法對計算區(qū)域進行離散，運用SIMPLE 算法來求解上述封閉的非線性偏微分方程組。

圖1 節(jié)流器模型Fig.1 Choke model

2 模擬分析

節(jié)流器中只有氣體時，產(chǎn)生沖刷腐蝕的主要因素是介質(zhì)的流動沖刷，導(dǎo)致節(jié)流嘴內(nèi)壁不能形成保護膜，加快金屬氧化物的脫落，這一個因素主要與節(jié)流器中介質(zhì)的流速有關(guān)。如圖2所示，為節(jié)流器噴嘴壁的剪切應(yīng)力大小隨節(jié)流嘴長度的變化曲線圖。剪切應(yīng)力的變化趨勢是先變小再變大。

圖2 剪切應(yīng)力分布曲線圖Fig.2 Distribution curve of shear stress

圖3 入口速度矢量圖（局部放大）Fig.3 Vectorgraph of inlet speed(local amplification)

由圖2可知，在噴嘴入口處剪切應(yīng)力先降低后逐漸的升高，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是由于立體流速的變化。如圖3所示為噴嘴入口處流速的矢量圖，在入口處，由于節(jié)流器結(jié)構(gòu)的突變，流體流動方向發(fā)生變化，速度變大，方向向噴嘴中心流動，由于流體的慣性，在入口處流體主要流向中心，所以在入口的兩邊流體流速不是很大，還有回流的現(xiàn)象。流體在噴嘴內(nèi)流動，由于流體的粘性，必然要在管壁處形成流體邊界層，邊界層內(nèi)速度梯度越大，將導(dǎo)致管壁處速度梯度變大，從而引起管壁上的剪切應(yīng)力變大。噴嘴第一個點直接受流體的沖擊影響，流體速度很大，受到的剪切應(yīng)力也就最大。隨后幾個點的部位速讀變小，所以剪切應(yīng)力變小。隨后隨著速度的變大，剪切應(yīng)力變大。所以，節(jié)流嘴內(nèi)沖刷腐蝕主要發(fā)生在入口和節(jié)流嘴后端。

3 沖刷腐蝕影響因素分析

圖4 不同入口壓力下最大剪切應(yīng)力的變化曲線Fig.4 Change curve of the maximum shear stress under different pressure

圖5 不同粘度下最大剪切應(yīng)力的變化曲線Fig.5 Change curve of the maximum shear stress under different viscosity

對于一個固定的節(jié)流器，對其內(nèi)部流動影響最大的因素就是入口的壓力和流體的粘度，在其它條件不變的情況下，改變?nèi)肟诘膲毫?，兩個區(qū)域的最大剪切應(yīng)力都隨著入口壓力的上升而變大，這主要是由于入口壓力的上升，噴嘴內(nèi)流體的速度變大，速度梯度變大，造成剪切應(yīng)力變大。在其它條件不變，改變流體粘度時，兩個區(qū)域的最大剪切應(yīng)力隨著流體壓力的粘度變大而變大，粘度變大，流體和噴嘴壁之間的摩擦變大（圖4，5）。

4 結(jié) 論

根據(jù)數(shù)值計算的結(jié)果，噴嘴的主要磨損部位在入口和噴嘴后端，形成這一現(xiàn)象的原因是噴嘴內(nèi)流體流速的分布不一樣形成的。噴嘴壁的最大剪切應(yīng)力隨入口壓力和流體粘度的增加而變大。研究的結(jié)果可以為節(jié)流器噴嘴設(shè)計提供指導(dǎo)。

［1］佘朝毅.井下節(jié)流機理研究及現(xiàn)場應(yīng)用[D].成都：西南石油大學(xué),2004:4-9.

［2］韓丹岫,李相方,侯光東. 蘇里格氣田井下節(jié)流技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2007,27(12): 116-118.

［3］吳革生,王效明,韓東. 井下節(jié)流技術(shù)在長慶氣田試驗研究及應(yīng)用[J].然氣工業(yè),2005, 25(4):65-67.

［4］王錦生. 氣井井下節(jié)流器工藝技術(shù)[J].石油天然氣學(xué)報(江漢石油學(xué)院學(xué)報),2005, 27(3):510-511.

［5］肖述琴,于志剛,商永濱. 新型卡瓦式井下節(jié)流器打撈工具研制及應(yīng)用[J].石油礦場機械,2010,39(12):81-83.

［6］王曉榮,徐文龍,谷成義. 新型氣井井下節(jié)流器[J].石油機械,2010,38(12):88-89.

［7］段寶玉,劉力軍,徐曉峰.免鋼絲投撈井下節(jié)流器的研制與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝, 2010,33(1):126-128.

［8］劉德生.柯克亞深層凝析氣藏井下節(jié)流模擬[D].成都：西南石油大學(xué),2007:51-54.