深水钻井防喷器温度场数值模拟研究.pdf

第 4 1 卷 第 3 期 2 0 1 3年 5月 石 油 钻 探 技 术 P ETROL EUM DRI L LI NG TECHNI QUES Vo 1 ． 4 1 No ． 3 M a y， 2 0 1 3 ． _深水钻井完井专题 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 0 9 深水钻井防喷器温度场数值模拟研究 赵欣欣 ， 吴雪峰，高永海， 李 昊， 郭艳利 中国石油大学 华东 石 油工程学院 ， 山东青 岛 2 6 6 5 8 0 摘要 深水防喷器所处环境为低温高压， 如有气侵出现， 容易在防喷器位置生成天然气水合物， 阻塞防喷器， 产生井 12 安 全隐患。为此 ， 结合 深水钻 井工 况， 建 立 了深水钻 井条件下 闸板防喷器与环形 防喷器的三维 空间模 型， 并利用 F l u e n t 软件进行 了温度 场数值模拟 ， 得 到 了防喷 器不 同位置的 温度 场分布 。在此基 础上 ， 结合天 然气水合 物生成条件 分析 了防喷 器的温度场分布 ， 以及加 热 管对防喷 器温度 场的影响 规律 ， 并优 选 了加 热管 的布置位 置。 结果表明， 在模拟环境条件下， 闸板防喷器横向位置依靠防喷器通径内壁加热即可满足天然气水合物预防要求， 在 纵向侧面 1 ／ 4处布置加热管效果较好； 管线数量对环形防喷器温度场的影响很大， 为满足温度高于天然气水舍物 形成温度的要 求， 可以将优化 加热管数 量与保温措施结合起来进行 。 关键词 深水钻井 防喷器 温度 分布 数值模拟 天然气水合物 中图分 类号 T E 5 2 ； T E 9 2 1 ‘ 。 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 3 0 0 4 6 0 5 Nu me r i c a l S i m u l a t i o n o f Te mp e r a t u r e Di s t r i b u t i o n o f Bl o wo u t Pr e v e nt e r s i n De e p wa t e r Dr i l l i ng Zha o Xi n xi n，W u Xu e f e ng，Ga o Yo ng ha i ，Li Ha o，Guo Ya n l i S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Hu a d o n g ， Qi n g d a o ， S h a n d o n g， 2 6 6 5 8 0， Ch i n a Ab s t r a c t I n c a s e o f g a s c u t t i n g ， h y d r a t e i s l i k e l y t o f o r m i n d e e p wa t e r b l o wo u t p r e v e n t e r s d u e t o l O W t e mp e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e a n d b l o c k t h e b l o wo u t p r e v e n t e r s ， wh i c h mi g h t c o mp o s e s a f e t y t h r e a t a t we l l h e a d ． Co mb i n i n g d e e p wa t e r d r i l l i n g c o n d i t i o n s ， 3 D mo d e l s o f r a m p r e v e n t e r s a n d a n n u l a r b l o wo u t p r e v e n t e r s i n d e e p wa t e r d r i l l i n g c o n d i t i o n we r e b u i l t u p， a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f t e mp e r a t u r e f i e l d wa s p e r f o r me d t o o b t a i n t h e t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a c r o s s t h e p r e v e n t e r ． Th e n o p t i ma 1 h e a t i n g l o c a t i o n s o f p i p e s we r e c h o s e n a c c o r d i n g t o t h e e f f e c t o f h e a t i n g p i p e o n b l o wo u t p r e v e n t e r t e mp e r a t u r e f i e l d ． Re s u l t s h o we d i n t h e s i mu l a t e d t e mp e r a t u r e t h a t h e a t i n g b y a n n u l u s i t s e l f i n t h e t r a n s v e r s e d i r e c t i o n o f t h e r a m B O P， a n d h e a t i n g p i p e a r o u n d 1 ／ 4 p a r t o f t h e l o n g i t u d i n a l s e c t i o n c o u l d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f p r e v e n t i n g g a s h y d r a t e f o r ma t i o n ． Qu a n t i t y o f h e a t i n g p i p e s h a s l a r g e i n f l u e n c e o n t h e t e mp e r a t u r e f i e l d o f a mml a r BOP． Op t i mi z a t i o n o f p i p e q u a n t i t y a n d i n s u l a t i o n c o mb i n a t i o n s h o u l d b e c o n s i d e r e d t o k e e p t h e t e mp e r a t u r e a t a n n u l a r BOP o v e r h y d r a t e f o r ma t i o n t e mp e r a t u r e ． Ke y wo r d s d e e p wa t e r d r i l l i n g ； b l o wo u t p r e v e n t e r ； t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n； n u me r i c a l s i mu l a t i o n； n a t u r a l g a s h y d r a t e 水下防喷器是保证钻探安全的重要设备之一 ， 更是开井 、 关井 的关键设备 。防喷器处深水 的低温 和高压环境 ， 尤其是关井后和开井前的流动间歇极 易形成天然气水合物， 造成 防喷器阻塞， 产生安全隐 患[ 1 ] 。因此 ， 必须要对水下 防喷器的温度分布进行 分析 ， 以研究天然气水合物 的分布情况_ 2 ] 。C ． R ． L i n等人[ 4 ] 曾经对海底防喷器温度场进 行 了分析， 采用三维有限元模型研究 了深水防喷器和橡胶密封 件的温度场分布 ； 同时， 还对二维分析结果和三维有 限元分析结果进行了对 比， 证 明两者在温度分布上 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 1 ； 改回 日期 2 0 1 3 - 0 5 - 1 3 。 作者简介 赵 欣欣 1 9 7 7 一 ， 女 ， 河北涿 州人 ， 2 0 0 0年毕业 于山 东工程 学院机械 电子工程 专业 ， 2 0 0 3获石油大学 华 东 油气井工程 专业硕 士学位 ， 讲师 ， 现从 事油气井流体力学和传热方 面的教 学与研 究工作。 联 系方式 0 5 3 2 8 6 9 8 1 9 2 8 ， z h a o x u p c ． e d u ． c r l 。 基金项 目 国家自然科 学基金项 目“ 深水钻井中的气液两相流传 热规律研 究” 编号 5 1 0 0 4 1 1 3 、 国家科技重大专项子课题“ 深水钻井 水力学及 井控 关键技术研 究” 编号 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 0 0 1 ～ 0 2 、 教 育部 “ 长江学者和创新 团队发展计划” 项 目“ 海 洋油气井钻 完井理论 与工 程” 编号 1 RT1 O 8 6 和 中央高校基本科研 业务 费专项资金资助项 目 编号 l 3 C X 0 5 0 0 6 A 资助。 第4 1卷第 3 期 赵欣欣等． 深水钻井防喷器温度场数值模拟研究 具有相同的趋势； 但是， 其中并未结合深水环境下容 易形成天然水合物的具体情况进行研究。因此， 笔 者对 防喷器的温度场分布进行 了模拟， 并结合天然 气水合物生成温度确定 了防喷器 中天然气水合物的 生成 区域 ， 提 出了初步的加热方案 ， 以避免天然气水 合物在防喷器关键 区域生成。 1 防喷器模型的建立 防喷器可分为闸板防喷器和环形防喷器 。用长 方体模拟单 闸板 防喷器 ， 圆柱体来模拟环形防喷器 。 中心圆柱空腔为防喷器通径 ， 取实际尺寸， 用以安放 钻杆 和密封胶塞 。采用 Ga mb i t软件 进行 防喷 器建模与网络划分 。 1 ． 1 几何模型 1 _ 1 ． 1 闸板防喷器 以 C A ME R O N公司的一款闸板防喷器为原型建 模。防喷器通径为 3 4 6 ． 1 r n m， 钻杆尺寸为 1 3 9 ． 7 i r ff n 。 该防喷器的结构和尺寸如图 1 所示 。 哪 咽 l l0 图 1 闸板 防喷 器 买 际 结构 F i g ． 1 S t r u c t u r e o ft h e r a i n B OP 为便于运算 ， 将单闸板 防喷器简化为一个长方 体 ， 模型如图 2 所示 。图 2中， 中心圆柱为防喷器通 径 ， 尺寸为 3 4 6 ． 1 mm； 分布的 4个直径 8 O mm的小 圆柱 为加热 管 ， 用 以提供热 源。加 热端 口直 径为 8 0 mm， 圆心坐标分别 为 7 1 2 ． 5 mm， 1 8 5 ． 0 ram 、 7 1 2 ． 5 mi t t ， 一1 8 5 ． 0 mm 、 一7 1 2 ． 5 rai n ， 1 8 5 ． 0 mm 和 --7 1 2 ． 5 mm， 一1 8 5 ． 0 ram 。 I ． 1 ． 2 环形防喷器 以 Hy d r i l 4 5 3 9 ． 8 mm 1 3 ． 8 MP a 环形防喷器为 原型建模 ， 将其简化为一个 圆柱体 ， 中心处为通径 。 钻杆尺寸为 1 3 9 ． 7 mm。该防喷器 的结构和尺寸如 图 3所示 。 图 2 模拟的单 闸板防喷器几何模型 Fi g ． 2 Ge o me t r i cmo de l o ft he s i n gl e r a n ]BOP 图 3环形防喷器实际结构 Fi g ． 3 St ur c t u r e o ft he an nu l a rBOP 模型如图 4所示。图 4中， 中心圆柱为防喷器 通径 ， 尺寸为 5 3 9 ． 8 mm， 用 于安放 钻杆 和密封 胶 塞； 分布的 4个直径 8 0 I n I n的小圆柱为加热管 ， 圆心 坐标分别为 4 6 3 ． 5 I T I I n ， 0 mm 、 O mm， 4 6 3 ． 5 r n m 、 一4 6 3 ． 5 mm， 0 ram 和 0 mm， 一4 6 3 ． 5 ram ， 用 以 提供模拟热源。 图 4模拟 的环形防喷器几何模型 昏 4 Ge o me t r i cmo d e l oft h e a n nu l a rBOP 1 ． 2 相关理论模型及边界条件 因为所建模 型中主要为径向传热 ， 所以忽略管 道沿轴线方向的传热， 分析能量守恒定律可以得出 其数学模型。 防喷器内部为热传导[ 8 ] 1 对于单闸板防喷器模型 叁 一 o㈤ 5 O 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 3年 5月 2 4 2 O 1 6 1 2 p 8 ＼ 舀 4 o 一 4 8 1 2 ； ／ ／ ／ 厂 - 方 式 加 热 ／ ＼ ／ 十 缸 方 式 加 热 ＼ 7 ／ ＼ 一 ． ．＼ ／ 。 一 一 一一一_ 至 陆 睹 昱 墨由 直 ／ m 图 9 闸板 防喷器的径向温度分布 F i g ． 9 Ra d i a l t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e s i n g l e r a m B0p 筒区域几乎未受加热影响； 4 x式布置对防喷器有较 好的效果， 可以使近井筒地带不生成天然气水合物， 是一种 比较理想的加热布置方式。 对于环形防喷器， 取较低的径向温度跟 1 0 MP a 下天然气水合物的生成温度进行 比较 ， 结果如图 1 0 所 示 。 6 4 2 O 一 2 一 4 一 6 8 1 0 1 2 - 1 4 ， ． 、． ． ． 一不加热 ＼ ＼ ＼ 、 一内置加热 。 宣 O 图 1 0环形防喷器的径向温度分布 Fi g ． 1 0 Ra d i a l t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e a n n u l a r B OP 由图 1 0可知 在模拟环境条件下 ， 沿边缘均匀 布置的 4根加热管加热效果不明显 ， 虽然 比未加热 时整体温度略高， 但仅有 3 5 的区域在天然气水合 物的生成温度 以上 ； 内置加热 时， 近井筒约 7 0 区 域的温度在临界温度以上 ； 布置 6根加热管时， 防喷 器整体温度进一步提高， 不会生成天然气水合物的 区域约 占 8 5 ， 该布置方案加热效果较好 。 5 结论 1 结合水深与天然气水合物的生成温度和压 力可确定防喷器所需的加热温度， 应合理布置加热 方式以及保温措施， 避免防喷器关键部件发生天然 气水合物阻塞。 2 闸板防喷器纵向尺寸大于横向， 横向依靠防 喷器通径内壁加热即可； 纵向位置需要对加热管布 置进行优化 ， 以取得较好的加热效果。计算结果表 明 ， 在纵向 1 ／ 4 位置布置加热管效果较好。 3 在模拟条件下 ， 环形防喷器在边缘布置 4根 加热管时效果不明显 ， 布置 6根加热管能保证环形 防喷器大部分温度高于天然气水合物的生成温度 ， 如要进一步提高环形 防喷器的温度 ， 需要结合其他 保温措施进行。 参考文献 【 1 ] S h in g Mi n g C h e n ． Un p l a n n e d s h u t i n a n d d e e p w a t e r g a s h y d r a t e p r e v e n t i o n [ R ] ． OT C 2 0 4 3 6 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 苏堪华， 管志川， 苏义脑． 深水钻井水下井口力学稳定性分析 _ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 6 1 - 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