任冠龍 孟文波 王宇 余意 王瑩瑩
(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司 3.中國石油大學(xué)(北京))
水下采油樹連接了來自地層深處的油氣和外部的油氣運(yùn)輸管道,可以控制油氣的開采速度及實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整生產(chǎn)情況。長期以來,全球僅有國外5家公司掌握水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù),導(dǎo)致我國水下油氣裝備采辦周期長、價(jià)格高、維保難,制約著國家海洋石油自主邁向深水開采的步伐。2022年我國首套國產(chǎn)化深水水下采油樹正式投入使用,這標(biāo)志著我國已具備深水水下采油樹成套裝備的設(shè)計(jì)建造和應(yīng)用能力,對保障國家能源安全和推動我國海洋石油工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[1]。
水下采油樹生產(chǎn)通道是從采油樹主體及閥門到跨接管之間的油氣過流管道,海底高溫油氣經(jīng)過生產(chǎn)油管到達(dá)水下采油樹生產(chǎn)通道,其對生產(chǎn)的油氣進(jìn)行流量控制,并對生產(chǎn)壓力、環(huán)空壓力、溫度、地層出砂量及含水量等油氣井參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。由于深水具有海底低溫、儲層疏松、流體組分多、相態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn),地層流體流經(jīng)水下采油樹生產(chǎn)通道時(shí),會產(chǎn)生復(fù)雜流動的傳熱過程及管壁和彎角沖蝕現(xiàn)象[2-4]。如果處理不當(dāng),生產(chǎn)通道將形成水合物,進(jìn)而造成堵塞閥門、管路等風(fēng)險(xiǎn),或者產(chǎn)生因管壁沖蝕引發(fā)泄漏等事故,因此對水下采油樹生產(chǎn)通道進(jìn)行流動安全分析具有重要意義。
目前在水下采油樹主體、油管懸掛器以及生產(chǎn)通道方面的傳熱計(jì)算分析較多,國內(nèi)學(xué)者已建立了一些水下采油樹穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)條件下的傳熱控制方程及邊界條件,可以對混合天然氣比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)以及對流換熱系數(shù)等進(jìn)行計(jì)算[5-7]。但對油氣井生產(chǎn)通道內(nèi)溫壓場動態(tài)缺乏精細(xì)表征,對生產(chǎn)通道內(nèi)部和節(jié)流閥后水合物的生成和防治,以及對生產(chǎn)通道的出砂沖蝕研究較少。本文在前期研究的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬方法建立采油樹生產(chǎn)通道有限元模型,對油氣井生產(chǎn)期間的溫壓場動態(tài)進(jìn)行精細(xì)表征,對水合物生成風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測,對生產(chǎn)通道進(jìn)行沖蝕特性研究,從而為水下采油樹生產(chǎn)通道內(nèi)的油氣流動安全提供技術(shù)支持,以保障水下采油樹的正常運(yùn)行和油氣井的安全生產(chǎn)。
我國首套國產(chǎn)化深水水下采油樹為臥式采油樹,其應(yīng)用于南海西部東方1-S井。該井井深3 691 m,垂深1 306 m,儲層溫度80 ℃,壓力系數(shù)1.01~1.06,滲透率9.6~97.0 mD,孔隙度21.9%~24.5%,烴體積分?jǐn)?shù)27.2%,CO2體積分?jǐn)?shù)66.2%,該井配產(chǎn)50×104m3/d。臥式采油樹主要由采油樹主體、油管懸掛器、閥門和井口連接器等組成,油氣井中的油氣從井口頭流出,流經(jīng)油管懸掛器、生產(chǎn)通道和節(jié)流閥,再經(jīng)過生產(chǎn)管道輸送給水下管匯。由于深水海底復(fù)雜的地理環(huán)境和多管道控制生產(chǎn)的要求,水下采油樹的生產(chǎn)通道比較復(fù)雜,有很多的轉(zhuǎn)彎和閥門,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 臥式采油樹及生產(chǎn)通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram for horizontal Christmas tree and structure of production fairway
采油樹生產(chǎn)通道主要功能是控制整個(gè)油氣田系統(tǒng)的開采操作流程,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)油氣流量調(diào)節(jié)。該采油樹生產(chǎn)通道全長5.8 m,管徑130.6 mm。對該采油樹的生產(chǎn)通道進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,建立數(shù)值模型并劃分網(wǎng)格,可將其分為15個(gè)短管部件,其中最后一個(gè)部件為變徑管,模擬生產(chǎn)油嘴。最終確立的網(wǎng)格數(shù)約390萬個(gè)四面體CFD網(wǎng)格,如圖1c所示。
該采油樹的生產(chǎn)油嘴采用籠套式節(jié)流閥,其核心零件是籠套和柱塞。其工作原理是:通過閥桿控制內(nèi)部柱塞移動,柱塞通過遮擋籠套上的節(jié)流孔來調(diào)節(jié)節(jié)流孔數(shù)量和過流面積,進(jìn)而影響流體通過節(jié)流閥的能力,最終達(dá)到節(jié)流降壓的目的?;\套式節(jié)流閥的三維模型如圖2所示。出口和入口的管道內(nèi)徑為130.6 mm,其中的節(jié)流孔結(jié)構(gòu)沿籠套軸線平行布置,每行孔沿籠套圓周設(shè)置,布置角度設(shè)置為60°×6排,每排小孔個(gè)數(shù)為5個(gè),節(jié)流孔總個(gè)數(shù)為30個(gè),單排直徑從入口向出口大小分別是15、12、9、6和3 mm。
1—籠套;2—閥桿;3—柱塞。
水下采油樹生產(chǎn)通道內(nèi)油氣的實(shí)際流動狀態(tài)是復(fù)雜的三維流動,假設(shè)流體為不可壓縮流體,忽略重力的影響,采用湍流模型進(jìn)行分析,建立連續(xù)性方程及能量方程,具體如下:
(1)
(2)
建立Realizablek-ε模型:
(3)
C1εε/k(Gk+C3εGb)-C2ερε2/k+SE
(4)
式中:ρ為流體密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;ui為X方向上的速度,m/s;T為溫度,℃;U為速度矢量,m/s;k為湍動能,m2/s2;cp為比熱容,J/(kg·K);ST為黏性耗散項(xiàng),Pa·s·K/m2;ε為湍動能耗散率,m2/s3;μ為流體傳熱系數(shù)k與湍流動能耗散ε的函數(shù)(湍動黏度),Pa·s;Gk為平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項(xiàng),Pa/s;Gb為浮力影響所引起的湍流動能產(chǎn)生項(xiàng),Pa/s;C1ε、C2ε、C3ε為湍流動能和湍流動能耗散率對應(yīng)的普朗特?cái)?shù);SE為用戶自定義項(xiàng),Pa/s2。
深水水下采油樹所處的低溫高壓環(huán)境是水合物生成的有利條件,一旦在采油樹通道內(nèi)形成水合物,會造成生產(chǎn)通道堵塞,并將對生產(chǎn)設(shè)備及油氣井造成極其嚴(yán)重的威脅。
深水油氣井測試及生產(chǎn)期間井筒內(nèi)水合物生成研究已較為成熟。由于深水井筒內(nèi)流體存在大溫差交變的特點(diǎn),井底高溫流體在海底段井筒內(nèi)的溫度會急劇降低,在該過程中,因井筒內(nèi)存在低溫高壓環(huán)境,極易生成水合物[8]。將井筒中的溫壓曲線與水合物相平衡曲線進(jìn)行對比,判斷井筒中的水合物生成區(qū)域,通過不同開井時(shí)間的溫壓曲線對比,隨著開井時(shí)間的延長,井筒溫度逐漸升高,井筒溫壓場曲線與水合物相平衡曲線相交的區(qū)域減小,即井筒中的水合物生成區(qū)域逐漸減小,變化情況如圖3所示。
圖3 投產(chǎn)初期井筒水合物生成區(qū)域變化(30×104 m3/d)Fig.3 Variation of hydrate generated area in wellbore in the initial stage of production (30×104 m3/d)
水下采油樹正常生產(chǎn)過程中,生產(chǎn)油嘴處節(jié)流效應(yīng)明顯,但節(jié)流閥處急速流動的油氣一方面會立刻帶走水分,另一方面閥門處達(dá)到水合物生成條件的位置很少,即使生成了水合物,也會被高速的氣流帶走。但是在生產(chǎn)油嘴下游出口段,因?yàn)榻孛孀兇笫沟脷怏w流速降低,水合物和水分不易被帶走,故其沉積在下游時(shí)就會停留,當(dāng)溫度達(dá)到水合物生成的臨界溫度和壓力時(shí),水合物就會大量生成并堵塞在生產(chǎn)通道中[9]。
水下采油樹生產(chǎn)通道內(nèi)設(shè)有化學(xué)藥劑注入點(diǎn),通過注入水合物抑制劑可以有效降低節(jié)流效應(yīng)產(chǎn)生的水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)。由于不同生產(chǎn)工況下生產(chǎn)通道內(nèi)的溫壓分布會發(fā)生顯著變化,所以需要根據(jù)實(shí)際操作時(shí)注入點(diǎn)處的壓力來計(jì)算地面化學(xué)注入泵的注入?yún)?shù)。其中,甲醇、乙二醇等抑制劑注入過程中,地面注入泵的最低壓力計(jì)算如下:
ps≥pz+Δpf+Δpj-Δph
(5)
式中:pz、Δpf、Δpj及Δph分別為注入泵的最小注入壓力、注入點(diǎn)的井筒內(nèi)壓力、沿程摩阻壓降、注入點(diǎn)的局部壓力損失及抑制劑的靜液壓力,MPa。
醇類抑制劑注入量一方面要保證,另一方面需要考慮其在氣相中的損失。抑制劑注入速率計(jì)算式如下:
(6)
式中:qs為抑制劑的注入速率,L/min;qw為產(chǎn)水速率,L/min;ql為抑制劑在氣相中的損失速率,L/min;c為抑制劑的注入質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。
抑制劑注入量根據(jù)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)抑制劑對應(yīng)的水合物相平衡曲線確定,由不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的水合物相平衡曲線可得抑制水合物生成的最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)。抑制劑最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)與含水體積分?jǐn)?shù)結(jié)合可得出所需水合物抑制劑量計(jì)算式:
M=(Vgnwwρw)/(1-w)
(7)
式中:M為每天所需抑制劑質(zhì)量,kg/d;Vg為氣井產(chǎn)氣量,104m3/d;nw為氣井產(chǎn)出氣體含水體積分?jǐn)?shù),10-4m3/m3;w為所需抑制劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ρw為水的密度,g/cm3。
水下采油樹所處的環(huán)境惡劣,油氣成分復(fù)雜且含砂量大,流道內(nèi)外部因素都對沖蝕具有很大影響,且彼此相互影響。夾雜在油氣中的固體顆粒在以一定速度通過采油樹內(nèi)部油氣流通道、節(jié)流閥等時(shí),由于管徑的不同和彎管的存在,流體速度和方向發(fā)生變化,沖蝕嚴(yán)重部位恰好位于流速變化和流向改變的位置,而流體中砂粒的存在大大加快了沖蝕速率。影響沖蝕的因素主要包括顆粒特性和結(jié)構(gòu)特性。顆粒特性主要包括顆粒的硬度、大小、運(yùn)動速度、撞擊時(shí)的入射角以及固體顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等;結(jié)構(gòu)特性則表現(xiàn)為固體結(jié)構(gòu)的材料性能、生產(chǎn)通道等的轉(zhuǎn)彎半徑和內(nèi)徑、節(jié)流閥的過流面積等。而沖蝕速率的大小通常與固體顆粒的質(zhì)量、速度和沖蝕角度有關(guān)。
水下采油樹生產(chǎn)通道內(nèi)油氣速度既存在低至0的區(qū)域,即盲管段,又有高至30 m/s以上流速的區(qū)域,油氣在盲管段會形成靜水區(qū),從而避免流體攜帶顆粒物90°撞擊流道,引起較大沖蝕,通常流道內(nèi)沖蝕角度為0°~45°。油氣中所含的砂是主要的磨粒,同時(shí)油氣中也可能含有碎石屑,磨損方式為球狀圓滑磨粒的犁削和多角磨粒的切削。時(shí)間對沖蝕的影響只有在積累到一定程度才會發(fā)生,采油樹的設(shè)計(jì)年限一般是20 a,后期防護(hù)極為重要。采油樹的外部環(huán)境溫度極低,但內(nèi)部油氣流具有很高的溫度,溫度對沖蝕的影響很復(fù)雜,隨著材料屬性的不同,材料沖擊流道表面時(shí)的熱量轉(zhuǎn)換也會影響沖蝕,且其影響更為復(fù)雜[10-11]。
本文采用Oka模型對生產(chǎn)通道沖蝕特性進(jìn)行分析,該模型適用于以石英砂、玻璃珠等沖擊不銹鋼、碳鋼等材料時(shí)的沖蝕預(yù)測,且該模型不僅將材料塑性變形效應(yīng)積累和顆粒對材料微切削效應(yīng)積累考慮在內(nèi),而且充分考慮了顆粒碰撞角度、速度、顆粒粒徑、材料硬度等的影響,其方程如下:
(8)
(9)
式中:ER為沖蝕速率,kg/(m2·s);C為常數(shù);f(α)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的沖擊角函數(shù);ρ為所分析構(gòu)件的密度,kg/m3;α為沖擊角,(°);Hv為所分析構(gòu)件的維氏硬度;V′為參考腐蝕速度,m/s;V為腐蝕速度,m/s;n1、n2為速度指數(shù);d′為參考腐蝕深度,m;d為腐蝕深度,m;k1、k2、k3為常數(shù)。
通過建立節(jié)流閥和三維生產(chǎn)通道模型,運(yùn)用數(shù)值模擬方法,對在不同節(jié)流閥開度下的溫度場、壓力場、速度場進(jìn)行了精細(xì)刻畫。建立的三維模型確立了CFD網(wǎng)格,為提高計(jì)算精度,將節(jié)流孔及彎管處網(wǎng)格加密,節(jié)流閥設(shè)計(jì)單日氣體處理量超100×104m3,滿足作業(yè)能力,模擬分析東方1-S井節(jié)流閥不同開度(產(chǎn)量),以及不同下游填充壓力下生產(chǎn)通道速度、溫度、壓力場分布。節(jié)流閥開度為31.25%、37.50%、43.75%及50%,模擬結(jié)果見圖4和圖5。
圖4 不同節(jié)流閥開度生產(chǎn)通道速度、溫度、壓力云圖Fig.4 Cloud chart for velocity,temperature and pressure of production fairway at different openings of throttle valve
圖5 節(jié)流閥開度為31.25%、下游填充壓力為6 MPa時(shí)的速度、溫度、壓力云圖Fig.5 Cloud chart for velocity,temperature and pressure at a throttle valve opening of 31.25% and a downstream fill pressure of 6 MPa
由圖4可知,生產(chǎn)油嘴處壓降大、速度高,節(jié)流效應(yīng)明顯,最低溫度出現(xiàn)在生產(chǎn)油嘴出口位置,該處壓力、溫度、速度波動劇烈,但影響區(qū)域較小。隨著節(jié)流閥尺寸增加,節(jié)流效應(yīng)降低,節(jié)流閥下游處生產(chǎn)通道的低溫區(qū)減小,生產(chǎn)通道溫度提升。由圖5可知,同一下游填充壓力下,隨著產(chǎn)量的增加,節(jié)流閥后最低溫度升高,生產(chǎn)通道回溫時(shí)間減少;隨著下游填充壓力的降低,節(jié)流閥后最低溫度明顯降低,生產(chǎn)通道回溫時(shí)間顯著增加。通過開展不同下游填充壓力、不同產(chǎn)量下生產(chǎn)通道溫壓預(yù)測分析后可知,為避免節(jié)流閥后出現(xiàn)-40 ℃低溫,推薦預(yù)填充壓力≥8 MPa。
結(jié)合采油樹生產(chǎn)期間的生產(chǎn)通道溫壓場分布情況,對投產(chǎn)期間生產(chǎn)通道節(jié)流閥上、下游的水合物生成風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,在預(yù)填充壓力為8 MPa條件下,節(jié)流閥上游在2~3 h后溫度可以升至水合物相平衡溫度點(diǎn)以上;節(jié)流閥下游因節(jié)流效應(yīng),溫度升至水合物相平衡溫度點(diǎn)以上所需時(shí)間較長,為6~10 h;當(dāng)產(chǎn)量較低時(shí)抑制劑需持續(xù)注入12 h以上,風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果如圖6所示。生產(chǎn)通道節(jié)流閥處水合物抑制劑注入方案如表1所示。
表1 生產(chǎn)通道節(jié)流閥處水合物抑制劑注入方案Table 1 Scheme for hydrate inhibitor injection at throttle valve of production fairway
圖6 生產(chǎn)通道節(jié)流閥上游、下游的水合物生成風(fēng)險(xiǎn)分析Fig.6 Analysis on hydrate generation risk at upstream and downstream of throttle valve of production fairway
通過建立的SolidWorks流體域模型,將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件,定義網(wǎng)格模型的出口、入口和壁面,結(jié)合Realizablek-ε湍流模型和高階離散格式對采油樹生產(chǎn)管道內(nèi)部的流場進(jìn)行模擬分析??紤]到混輸顆粒流體在流動過程中受到重力作用,將重力考慮在內(nèi),設(shè)置Y方向加速度為9.8 m/s2。
根據(jù)東方1-S井最高油氣輸送的速度和質(zhì)量流量,進(jìn)行沖蝕模擬分析,生產(chǎn)通道沖蝕云圖如圖7所示。由圖7可知,生產(chǎn)通道靠近入口側(cè)的豎直管道內(nèi)速度分布均勻且相等,但是在進(jìn)入橫向通道時(shí)速度發(fā)生了變化。由于生產(chǎn)通道豎直段內(nèi)頂部有盲管段,左邊豎向通道中的流體在流向盲管段時(shí)會與盲管段內(nèi)的流體發(fā)生碰撞,而且豎向通道中流體速度較大,使得盲管段內(nèi)流體速度逐漸降為0,于是在盲管段內(nèi)形成一個(gè)靜壓區(qū),使得流體在進(jìn)入橫向通道時(shí)發(fā)生了一個(gè)類45°反射。粒子在45°反射后以較大速度碰撞靠近左側(cè)拐角處的橫向通道外壁面和靠近右側(cè)拐角處的豎向通道外壁面,這5處的沖蝕速率分別為5.53×10-10、4.43×10-10、3.32×10-10、1.33×10-10及2.21×10-9kg/(m2·s)。在同樣的條件下,管道直壁面內(nèi)的沖蝕分布均勻且沖蝕量小,在入口90°的拐角處沖蝕量大,并且在出口端流體撞擊壁面角度大的地方?jīng)_蝕較嚴(yán)重。
圖7 采油樹生產(chǎn)通道沖蝕結(jié)果Fig.7 Erosion results of production fairway of Christmas tree
在顆粒速度為14.3 m/s、質(zhì)量流量為3.09×10-7kg/s條件下,模擬分析該氣井出砂顆粒直徑為60、64、68及70 μm時(shí)生產(chǎn)通道的沖蝕形貌,如圖7所示。經(jīng)計(jì)算,其沖蝕速率分別為1.40×10-9、1.44×10-9、1.43×10-9及1.33×10-9kg/(m2·s)。圖8模擬了該井在不同生產(chǎn)年份,不同顆粒直徑下的沖蝕速率變化情況。從圖8可知,沖蝕速率基本不隨顆粒直徑的變化而變化,主要是因?yàn)楫?dāng)顆粒直徑變化時(shí),單個(gè)顆粒質(zhì)量也會發(fā)生變化,當(dāng)質(zhì)量流量一定時(shí),顆粒數(shù)量將會發(fā)生變化。根據(jù)對該井設(shè)計(jì)年限內(nèi)沖蝕深度為3.2 mm時(shí)的質(zhì)量流量進(jìn)行反算,結(jié)果顯示,取質(zhì)量流量為最大值6倍才能達(dá)到3.2 mm的沖蝕深度,故得出該采油樹生產(chǎn)通道結(jié)構(gòu)安全,滿足抗沖蝕要求。
圖8 投產(chǎn)初年不同顆粒直徑下沖蝕生產(chǎn)通道情況Fig.8 Status of production fairway under erosion of particles with different diameters in different production years
2022年5月,該套國產(chǎn)化深水水下采油樹成功在東方1-S井投產(chǎn)使用,其安裝方位及精度滿足要求,功能測試正常,水下采油樹各密封測試全部合格,生產(chǎn)通道油氣流動安全。該井成功清噴測試,產(chǎn)氣量超配產(chǎn),預(yù)計(jì)該井每年可生產(chǎn)天然氣約2億m3。此次水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用后,較以往生產(chǎn)成本可降低約27%,同類型設(shè)備將在未來用于開發(fā)陵水、寶島等多個(gè)深水油氣田,預(yù)計(jì)節(jié)約成本可超10億元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
(1)在分析水下采油樹生產(chǎn)通道結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上,建立了生產(chǎn)通道三維模型,對不同節(jié)流閥開度下以及不同下游預(yù)充填壓力下的溫度場、壓力場、速度場進(jìn)行了精細(xì)模擬,以東方1-S井為例可知,為避免油井生產(chǎn)期間節(jié)流閥后出現(xiàn)-40 ℃的低溫問題,推薦節(jié)流閥下游預(yù)充填壓力≥8 MPa。
(2)結(jié)合油井生產(chǎn)期間的井筒及生產(chǎn)通道溫壓場分布情況,計(jì)算出該井清井、關(guān)井、初開井工況下的生產(chǎn)通道溫壓場變化規(guī)律,節(jié)流閥上游2~3 h后溫度可以升至水合物相平衡溫度點(diǎn)以上,節(jié)流閥下游6~10 h后溫度升至水合物相平衡溫度點(diǎn)以上,當(dāng)產(chǎn)量較低時(shí)水合物抑制劑需持續(xù)注入12 h以上。
(3)根據(jù)沖蝕影響因素分析優(yōu)選了生產(chǎn)通道沖蝕模型,對水下采油樹生產(chǎn)通道進(jìn)行了沖蝕參數(shù)化分析和沖蝕速率反演。結(jié)果顯示,取東方1-S井質(zhì)量流量為最大值的6倍才能達(dá)到生產(chǎn)通道設(shè)計(jì)年限內(nèi)最大沖蝕深度(3.2 mm),表明該井采油樹生產(chǎn)通道結(jié)構(gòu)安全,滿足生產(chǎn)期間的抗沖蝕要求。