劉興鐸，祝　賀，周發(fā)學(xué)，李中華，嚴(yán)金林

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)①

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水下采油樹本體內(nèi)生產(chǎn)流道流動(dòng)性數(shù)值模擬分析

劉興鐸1，2，祝賀1，2，周發(fā)學(xué)1，李中華1，2，嚴(yán)金林1，2

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)①

摘要：水下采油樹內(nèi)部管道是海洋油氣生產(chǎn)通道，具有多次轉(zhuǎn)向、變徑的特點(diǎn)，生產(chǎn)流道內(nèi)流體流動(dòng)十分復(fù)雜。建立了水下采油樹本體內(nèi)部管道流體域模型，采用CFD流場(chǎng)分析軟件，以速度入口、壓力出口、光滑壁面為邊界條件，分析不同輸出管道夾角α、不同尺寸的輸出管道對(duì)本體生產(chǎn)流道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)特性的影響。分析結(jié)果表明，當(dāng)生產(chǎn)流道內(nèi)流體的流向發(fā)生變化時(shí)，近壁面處產(chǎn)生較高的流速，嚴(yán)重沖蝕管壁；合理尺寸的輸出管道可以獲得均勻的流體，避免產(chǎn)生較大的壓力降。該研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)水下采油樹的生產(chǎn)流道提供參考。

關(guān)鍵詞：水下；采油樹；生產(chǎn)流道；流動(dòng)性；數(shù)值模擬；CFD

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的主要作用之一就是保障海底油氣的平穩(wěn)流動(dòng)，其內(nèi)部管道對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生重要影響[1]。通過(guò)分析大量模型的出油管線的數(shù)量、直徑、路徑對(duì)流動(dòng)特性的影響，可以為選擇水下生產(chǎn)設(shè)施、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供幫助[2]。水下采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要設(shè)施，其油管懸掛器的生產(chǎn)流道出口是保障水下采油樹內(nèi)油氣平穩(wěn)流動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)[3]。一般情況下，水下采油樹的油管懸掛器生產(chǎn)流道與側(cè)向出口呈90°連通[4]。沈丹丹等[5]研究了水下臥式采油樹內(nèi)部環(huán)空通道的流動(dòng)特性，揭示了環(huán)空流道的管型特點(diǎn)，以及冪律流體的流動(dòng)特性。秦蕊等[6]研究了水下采油樹油管懸掛器的結(jié)構(gòu)，指出優(yōu)化內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)，防止生成水合物，保障液體流動(dòng)的穩(wěn)定性。趙旭東等[7]研究水下采油樹生產(chǎn)流道的流動(dòng)特性，指出合理布置采油樹部件，應(yīng)該減少流道拐彎次數(shù)。本文運(yùn)用CFD流場(chǎng)分析軟件，研究不同輸出管道夾角α、不同尺寸的輸出管道對(duì)流體速度、壓力分布的影響，可為設(shè)計(jì)采油樹本體生產(chǎn)流道提供參考。

1水下采油樹結(jié)構(gòu)

水下采油樹主要包括采油樹本體閥組、輸出閥組、環(huán)空閥組、生產(chǎn)閥組、油管懸掛器與采油樹帽等部件。根據(jù)油管懸掛器與閘閥的位置特點(diǎn)[8]，水下采油樹分為立式采油樹和臥式采油樹，如圖1所示。

a　臥式采油樹

b　立式采油樹

2數(shù)學(xué)及物理模型

2.1流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)方程

在水下采油樹生產(chǎn)流道內(nèi)，實(shí)際的油氣流動(dòng)狀態(tài)具有復(fù)雜性。在數(shù)值模擬計(jì)算中，不考慮液流的重力以及固體顆粒的影響，將其簡(jiǎn)化為單項(xiàng)湍流模型。借助RNGk-ε方程湍流模型，通過(guò)大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的黏度項(xiàng)，忽略小尺度運(yùn)動(dòng)的影響，其輸運(yùn)方程[9]為

(1)

(2)

式中：μ為動(dòng)力黏度；μt為湍動(dòng)黏度；μeff為修正湍動(dòng)黏度；κ為湍動(dòng)能；ε為耗散率；ρ為流體密度；Eij為主流的時(shí)均應(yīng)變率；Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.09；C1ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取1.42；η0取4.377；β取0.012。

2.2三維物理模型

水下采油樹的流動(dòng)通道主要有油管懸掛器本體通道、采油樹本體通道和環(huán)空通道。本文研究的流動(dòng)通道從油管懸掛器開始，經(jīng)過(guò)采油樹本體通道、生產(chǎn)閥組，最后到輸出管道為止。運(yùn)用UG軟件建立相應(yīng)的流體域集合模型，如圖2所示。

圖2　水下采油樹本體生產(chǎn)流道示意

2.3網(wǎng)格劃分與邊界條件

采用四面體網(wǎng)格劃分流體域模型，得到三維網(wǎng)格模型，如圖3所示。并采用ANSYS CFX軟件進(jìn)行流體分析。

計(jì)算流體域如圖4所示。邊界條件為速度進(jìn)口，壓力出口，光滑、無(wú)滑移壁面。

圖3　水下采油樹生產(chǎn)流道網(wǎng)格模型

圖4　流體域邊界條件

3數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1不同輸出管道的夾角

管道內(nèi)流速云圖如圖5所示，顯示了輸出管道內(nèi)流速隨夾角增大而變化的情況。當(dāng)輸出管道與輸入管道的夾角α小于90°時(shí)，輸出管道流體受到壁面的分離作用，在管道分離處近壁面流速接近0；由于固體顆粒的重力作用，固體顆粒不會(huì)沉積在管道的內(nèi)表面。當(dāng)輸出管道與輸入管道的夾角α等于或大于90°時(shí)，輸出管道流體受到管壁的限制作用，管道的近壁面受到流體最大流速的沖蝕；而在相對(duì)一側(cè)，流速近似為0，這樣容易破壞管道內(nèi)壁的堆焊層，造成水下采油樹本體生產(chǎn)流道的腐蝕，也不利于及時(shí)帶走沉積的固體顆粒。所以，當(dāng)油氣井正常工作時(shí)，改變輸出管道的夾角α，流體的流速將發(fā)生變化。

a　α小于90°

b　α等于90°

c　α大于90°

3.2不同比率下的輸出管道

輸出管道最大流速與輸入流速的比率變化曲線如圖6所示。當(dāng)輸出管道直徑變大時(shí)，輸出管道的最大流速逐漸減小。

壓力降隨進(jìn)、出管道直徑比率的變化曲線如圖7所示。輸出管道內(nèi)的壓力降隨著管道直徑變大而降低。

圖6　流速比率隨直徑比率的變化曲線

流體流速矢量圖、管道內(nèi)壓力云圖如圖8～9所示。當(dāng)輸出管道與輸入管道的直徑比率為0.6～0.7時(shí)，輸出管道內(nèi)流體的流速、壓力降較大，不利于輸出管道的安全使用。所以，合理選擇輸出管道的直徑可以減少震動(dòng)，延長(zhǎng)管道的使用壽命。

a　進(jìn)出管道直徑比率0.6

b　進(jìn)出管道直徑比率1.0

a　進(jìn)出管道直徑比率0.6

b　進(jìn)出管道直徑比率1.0

4結(jié)論

1)水下采油樹本體的輸出管道與輸入管道夾角為銳角時(shí)，輸出管道內(nèi)流體不會(huì)沖蝕管道內(nèi)壁，有利于獲得良好的速度。因此設(shè)計(jì)輸出管道時(shí)，可以考慮將輸出管道設(shè)計(jì)成與輸入管道成銳角的方向，減少固體沉積物的積聚，有利于保護(hù)管道內(nèi)壁的堆焊層。

2)水下采油樹本體的輸出管道直徑接近輸入管道直徑時(shí)，輸出管道內(nèi)的流速、壓力降較??；相反，輸出管道越小于輸入管道，則產(chǎn)生的流速、壓力降越大，不利于安全合理地使用管道。因此，根據(jù)實(shí)際需要，選擇合理尺寸的輸出管道。

參考文獻(xiàn)：

[1]王定亞，鄧平，劉文霄.海洋水下井口和采油裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].石油機(jī)械，2011，39(1)：75-79.

[2]琚選擇.水下生產(chǎn)系統(tǒng)的流動(dòng)保障設(shè)計(jì)分析[C]//第十五屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京：海洋出版社，2011.

[3]劉偉強(qiáng)，張鵬舉，李博，等.水下臥式采油樹油管懸掛裝置結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].科技視界，2014(7)：26-28.

[4]孫傳軒，王定亞，鄧平，等.水下油管懸掛器技術(shù)現(xiàn)狀與研制要點(diǎn)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43(4)，91-95.

[5]沈丹丹，朱宏武，丁礦，等.水下臥式采油樹內(nèi)部環(huán)空通道的流動(dòng)性分析[J].石油機(jī)械，2014，42(2)：40-44.

[6]秦蕊，葉道輝，李清平，等.水下采油樹油管懸掛器的結(jié)構(gòu)研究[C]//第十五屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京：海洋出版社，2011.

[7]趙旭東，王定亞，劉文霄，等.基于CFD的水下采油樹生產(chǎn)通道流動(dòng)數(shù)值模擬[J].石油機(jī)械，2014，42(11)：105-108.

[8]姜立杰.臥式采油樹油管掛設(shè)計(jì)研究[D].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2011.

[9]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Numerical Simulation Analysis of Flow Characteristic of the Production Channel in Subsea Tree Body

LIU Xingduo1，2，ZHU He1，2，ZHOU Faxue1，LI Zhonghua1，2，YAN Jinlin1，2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentEngineeringResearchCenter，Baoji721002，China)

Abstract：The inner channel of the subsea tree is the oil and gas outflow channel for the subsea well with the characters of multiple turning and multiple mutation of the tube diameters.So the flow in the production channel is full of complexity.The inner flow domain in the subsea tree body was set up in the essay.Based on the velocity inlet，pressure outlet and smooth wall boundary condition，through CFD software，to analyze the influence on flow in the production path with different angles and various diameters of the outlet channel.The results show when the flow in the production channel is changing，the maximum velocity is near the wall，resulting in serious erosion of wall.The proper diameter of outflow channel could produce steady flow and avoid great pressure drop.The research result could provide the reference to production channel design of the Subsea tree.

Keywords：subsea；christmas tree；production channel；flow characteristic；numerical simulation；CFD

中圖分類號(hào)：TE952

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.012

作者簡(jiǎn)介：劉興鐸(1984-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，碩士，主要從事海洋石油裝備研究，E-mail：liaoning0419@163.com。

收稿日期：①2015-09-27 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“水下臥式采油樹系統(tǒng)研制”(2012AA09A204)

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0054-04