劉士吉

摘 要：一種新型頁(yè)巖氣用井下多相流體控制系統(tǒng)包括套筒通過(guò)細(xì)桿連接滑槽，上述通過(guò)小鋼球鎖止球頭機(jī)構(gòu)在兩個(gè)工作位置，.此種新型井下流體控制器可在下行工作位置打開(kāi)通流孔使液柱與其相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)有低的動(dòng)能損失，在上行工作位置有效分隔氣液。對(duì)其建立模型、CFD分析比較多種新型控制器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)存在較大優(yōu)勢(shì)，其中一種比其他受壓減小3%-8%，在頁(yè)巖氣井中有很高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：多相流；控制系統(tǒng)；頁(yè)巖氣；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.095

1 引言

頁(yè)巖氣具有資源量大、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。中國(guó)有頁(yè)巖氣區(qū)塊54個(gè)，面積約17×104km2[2]。由于頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層在產(chǎn)氣的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生其他液體，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)液體及積液?jiǎn)栴}日益突出[3]。且產(chǎn)液體量上升迅猛，產(chǎn)量大，一旦產(chǎn)出液體氣產(chǎn)量迅速下降。

頁(yè)巖氣井內(nèi)流體成分復(fù)雜，需要一種在氣體連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中可以在井下油管中動(dòng)態(tài)分隔生產(chǎn)的多余液體與氣體的方式來(lái)控制井內(nèi)的多相流體。上世紀(jì)提出了一種可用于分隔液氣體的控制系統(tǒng)。其在井中下降時(shí)依靠重力運(yùn)行到定位系統(tǒng)，上升過(guò)程中依靠產(chǎn)層的高壓氣體推動(dòng)液體到達(dá)井口，阻礙生產(chǎn)的液柱被排出，管線可連續(xù)采收氣體。此后研究者做出了改進(jìn)，包括PSC公司的專利結(jié)構(gòu)使其在下降時(shí)液體產(chǎn)生湍流曝氣減小阻力[6]；和可開(kāi)關(guān)內(nèi)部通流結(jié)構(gòu)的構(gòu)型。

2 新型控制器介紹

近年，研究得出減小流體經(jīng)控制器時(shí)的能量損失有助提高頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)?；诖?，IPS公司設(shè)計(jì)的兩級(jí)流體控制系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)擁有大內(nèi)部通流截面積的套筒以及一個(gè)較小的先導(dǎo)球頭。先釋放球頭再釋放套筒，由于內(nèi)部形成大通流，兩級(jí)都可以使流體快速且順暢的通過(guò)；在上行工作期間，球頭堵住套筒下端，在氣藏壓力作用下形成密封面。其設(shè)計(jì)具有先進(jìn)性，但由于使用了兩個(gè)體，實(shí)際運(yùn)行時(shí)難以兩級(jí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

Mobil公司提出一種新型一體式頁(yè)巖氣井下動(dòng)態(tài)控制器。控制器特征為為將分體式的球頭鎖定在控制器底部，球頭與控制器套筒之間通過(guò)細(xì)支架與滑槽連接，滑槽中兩個(gè)機(jī)構(gòu)鎖定套筒與球頭的相對(duì)位置。套管下部設(shè)計(jì)為引導(dǎo)流線型以減少撞擊液體時(shí)損失的動(dòng)能?？刂破饔猩舷聝蓚€(gè)行程。下行程中，套筒外有渦流發(fā)生槽和捕撈頭，滑槽鋼珠卡定在環(huán)槽中，鋼珠使滑槽通過(guò)流體段塞柱時(shí)與球頭不發(fā)生縱向的相對(duì)位移；先導(dǎo)桿由彈塊銷和尾椎被鎖止在球頭中，制造出通流減小流體損失的動(dòng)能。當(dāng)控制器遭遇定位裝置時(shí)，在沖量的作用下先導(dǎo)桿縮進(jìn)至與球頭下端部平齊，小鋼珠由滑槽上的環(huán)槽滑入先導(dǎo)桿上的環(huán)槽，慣性使套筒繼續(xù)下行，球頭連桿件則相對(duì)向上縮進(jìn)，使小鋼珠鎖止球頭與先導(dǎo)桿的位移一起向上縮進(jìn)，直至和管壁發(fā)生接觸形成密封面，在上行狀態(tài)時(shí)氣藏壓力維持結(jié)構(gòu)直至控制器上升至下一個(gè)定位裝置。

3 新型控制器的計(jì)算和仿真

在前文所述控制器的基礎(chǔ)上，需要對(duì)其在多相液體環(huán)境的兩個(gè)工作狀態(tài)中分別實(shí)現(xiàn)較少的液體漏失與較低的動(dòng)能損失的能力做出評(píng)估。建立受力的牛頓平衡方程：

式中m為總質(zhì)量，πr2Hρ1g為氣體浮力，F(xiàn)f2為上下壓差形成的阻力。根據(jù)控制器結(jié)構(gòu)的變量?jī)H有上下壓差，因此將沿軸向壓力代數(shù)和作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)，使用Fluent計(jì)算流體力學(xué)分析軟件包進(jìn)行仿真。

設(shè)控制器靜止，來(lái)流與其產(chǎn)生相對(duì)位移，根據(jù)控制器在多相流體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建立模型：a.流體介質(zhì)：水摻雜油蠟，入口流速：0.6m/s，入口壓力2.8mpa，溫度70℃，主控制方程選用K-e模型。其方程如下：

優(yōu)選方案建模，將切片導(dǎo)入Fluent。在選取的4種新型控制器中，A型采用高曲率頭部和橢圓形后端，滑槽加厚；B型在A型的基礎(chǔ)上將球頭改為圓形，球頭與滑槽連接處圓滑處理；C型在不改變A型球頭結(jié)構(gòu)，滑槽做為流型；D型有銳角菱形的頭部和與A型相同的滑槽；作為對(duì)照，加入了兩級(jí)流體控制器；所有控制器都呈下降或完全打開(kāi)狀態(tài)。從結(jié)果看，速度最高點(diǎn)出現(xiàn)在球頭最大直徑處，球頭后部形成負(fù)壓，連接處圓滑程度對(duì)流動(dòng)影響不大，滑槽的流線型設(shè)計(jì)展現(xiàn)了有利影響。圓形球頭相比于其他構(gòu)型來(lái)說(shuō)，球頭的能量損失最小，流體經(jīng)新型控制器后的流速損失（5～8e-01）相對(duì)于傳統(tǒng)控制器的流速損失（0～1.03e-01）都有較大提升，達(dá)到減小動(dòng)能損失的目的。

4 結(jié)論

本文介紹了一種新型流體控制器，對(duì)此控制器進(jìn)行了計(jì)算和仿真，明確了此控制器控制器具小動(dòng)能損失和較好的多相流體分隔效果的原因。此種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單零部件少，加大了生產(chǎn)效率。分析過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)這種控制器無(wú)法避免管壁摩擦阻尼，有進(jìn)一步的改進(jìn)空間。

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