天然气井井下节流后物性参数的变化模拟.pdf

石油 天然 气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0 年 6 月第 3 2 卷第 3 期 J o u r n a l o f O i l a n d Ga s T e c h n o l o g y J ． J P I J u n ． 2 0 1 0 V o 1 ． 3 2 N o ． 3 天然气 井井下节流后物性参数 的变化模 拟 朱 红钧 ，林元华 刘 辉 ，朱达江 西南石油大学石油管力学和环境行为重 点实验室， 四川成都。 ’ 。 。 0 [ 摘要]基 于空气动力学、计算流体力 学理论 ，对 天然气 井井 下节流 后 的流场 与温度 场 分布进 行 了模拟 ， 得 出了气体温度 、压 强、流速及 密度 沿井深 的分布 曲线 ，并对 局部 流场进 行 了细化分 析。模 拟发现 ，井 下节流可有效 降压 ，节流 嘴处 压强经 历 了减 小、增 大的过程 ，并于 出 t ／ 下 游稳定 后 ，随 井深 的减 小 又逐 渐减小 ；密度与压 强的变化趋 势基本一致 ；气体节流经 历 了亚音速一 音速一 超 音速一 亚 音速 的变化过 程；温 度 沿井深的分布趋势 与地 温梯度 基本 一致 ，在 节流嘴 出 口附近 存有 最小值 ，但 因地 温环境 和 气体 粘 性作 用使 温度仍保持 一定 高度 ，避 免 了水合物 的形成。模拟 结果 与工 程 实际数据 符合 较 好，证 实 了井下 节流 工 艺 降 压 、 保 温 的特 点 ， 实现 了流 场 、 温 度 场 分 布 的 可 视 化 ，探 索 了一 种 方 便 、 快 捷 的研 究 方 法 ， 为 设 计、安装节流器 与确定操作参 数提供 了有效的依据 [ 关键词]天 然气井；井下节流 ；流场 ；温度场 ；数值模拟 [ 中图分类号]TE 3 7 5 [ 文献标识码 ]A [ 文章 编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 0 O 3 0 1 4 7 一 O 5 2 O世 纪 8 O年 代 ，R o g e r Ta i l b y等 人[ 提 出在 水 平 井 产 层 段 安 装 井 下 节 流 嘴 可 有 效 地 控 制 油 井 产 量 ，减少 水 、气 的进入 。Va l b a t n e 等人 [ 2 结 合数 值 模 拟 和经 验 公 式 ，引 人 井 筒 阻 力 、节 流 嘴 压 降 等 因 素计算了产量和沿程压强 ，对 比了有无节流嘴的压强分布。现场工艺计算仍常采用 B r o wn ] 的焓熵图图 解法 ，但 缺乏 通 用性 和计 算 的连 续 性 。 于是 ，Ro s ] 、P ．o e t t ma n ] 、As h f o r d l 6 等 进 行 了 数 学模 型 的 大 量研究 ，但模 型都是在一定假设条件下推导得出，与工程实际存在一定的差距 。 国内，刘鸿文等l 7 推导了节流嘴的最小下入深度及忽略能量损失得出的流量关 系式 ，但没有整个井 筒 内压 强 、温度 的分 布 情 况 。郭 春 秋 等 ～ ” 在 假 设 气 体 动 能 相 对 焓 值 较 小 、忽 略 能 量 损 失 的条 件 下 ， 建立 了气 井井 下 节流 压强 、温 度 预 测模 型 。然 而 ，李 玉 星 [ 】 胡 指 出节 流前 后 温差 较 大 ，动能 项 不 能 简 单 忽 略 。蒋 代君 t 对 节 流临 界状 态 的判 别 方 法进 行 了理论 分 析 ，以确 定 实 际 流 态 。然 而 ，有 关 井 下 节 流 嘴 的应用 机理 ，用于设 计 计算 的 节流 嘴模 型还模 糊 不清 或与 实 际存在 差距 ，井下 节 流后全 井 段流 场分 布 的报 道也 很少 。 笔 者基 于空 气动 力学 、计 算 流体力 学 理论 ，模 拟得 出 了天然 气井 井 下节 流后 的 流场 与温 度场 ，给 出 了气 体 温度 、压 强 、流速 及密 度 沿井深 的 分布 曲线 ，并 对局 部流 场进 行 了细 化分 析 。 1 研究 问题及模 型 参考 川渝 地 区井 下节 流工 艺 的实 际参数 【 ，选用适 于 2 i n 7 3 ram油 管 的 固定 型 井下 节 流器 ， 节流 嘴孑 L 径 1 ． 6 ram，高 度 2 0 c m，在 3 0 0 0 m 生产 井 中安 装 深度 为 2 0 0 0 m；井 底 产 层 压 强 2 5 MP a ，井 口 压 强 1 ． 4 MP a ； 井 口 环 境 温 度 2 O ℃ ，地 温 梯 度 3 C／ 1 0 0 m； 天 然 气 相 对 密 度 0 ． 6 6 7 9 ， 比 热 容 2 2 2 2 J ／ k g K ， 导热系数 0 ． O 3 3 2 w mK ，动力粘度 1 ． 0 8 7 1 0 P as 。建立几何模型与网格划 分如 图 1所示 。 天然 气视 为 可压缩 流体 ，并 考 虑粘 热效 应 。计算 基 于有 限 体 积法 l_ l ，选 用 S I MP L E法进 行 压 强 [ 收稿 日期]2 0 0 9～0 7 0 2 [ 基金项 目] 新世 纪优秀人才支 持计划 项 目 N C ET 一 0 8 0 9 0 7 ；四川省 杰出青年学科带头人培养基金项目 O 6 Z QO 2 6 0 2 8 中 国石油天然气集团公 司应用基础研 究项 目 2 0 0 8 A 一 3 0 0 5 。 [ 作者简介]朱红钧 1 9 8 3一 ，男 ，2 0 0 7年大学毕业 ，硕士 ，讲师 ，现主要从事油气计算流体力学的教学与科研工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0 年 6月 速 度耦合 ，离 散为 二阶迎 风格式 ，模 型为 可实现 模型 ] 。其控 制方 程为 P警 一 去[ O k 一 一 y ．o塞 一 去[ 去] 一 z G 式 中 ， k为单位 质量 湍动 能 ， m ／ s 。 ； e 为单位 质量湍 动能 耗 散 率 ， IT I ／ s 。 ； 』D为 流 体 密 度 ， k g ／ m。 ； t为 时 问 ， S ； 一 1 ， 2 ， 3 代表 3 个 方 向 ； S为平均 应变 率 ， S ； 为 分子 动 力粘性 系数 ， P a S ； 为湍流 粘性 系数 ， P a S ； u 为分 子 运动粘 性 系数 ， m ／ s ； G 为平均 速度梯 度引起 的 湍动 能 ， N／ m s ； G 为浮力 影 响引起 的湍 动能 ，N／ m。 s ； y 为 可压 缩 湍 流 脉 动 膨 胀对 总耗 散 率 的 影 响 ， k g ／ r n s 。 ； C l 、 C 2 、 C 3 、 k 、 为常数 ， 取 C 1 一 1 ． 4 4 ， C 2 1 ． 9 ， C 一 1 ， k 1 ． 0 ， O “E 1 ． 2 ； C 1 为经验 常数 ， c 一 m a x 4 3 ， l。 2 数值结果与分析 1 2 图 1 几何模型与网格划分 图 2为安装 井下 节流 嘴后 的天然气 井筒 内以及 节 流嘴处 各物性 参数 的变化 曲线 。由图 2可 见 ，井 底 的高压通过节流嘴后得到有效地降低 ，从节流前 的 2 2 ． 9 8 MP a 减小到 8 ． 1 2 ．MP a ，使得节流后的井筒内 压强保持稳定 ，也有效降低了节流嘴上部油管与井 口的压强，提高了井筒安全可靠性。从图 2 b 可 以看出，压强经历了减小 、增大的过程 ，人 口处因气体为亚音速 ，截面积减小使 流速增大 、压强减小 ； 节流嘴出口处 ，气体为超音速，截面积扩大使流速继续增大 ，压强继续减小；出口下游一定深度内，高 速气 体 与周 围气 体混 合 ，流速逐 渐减小 ，压 强有 一定 回升 ，直到 稳定 。稳定 后 至井 口，由于摩 阻 作用 ， 压 能被 消耗 ，压 强又 逐渐减 小 。 气 流密度分 布 与压强分 布相 似 ，符合 气 体 动力 学 基本 理论 。从井 底 至节 流嘴 前 ，密 度无 显 著 变 化 。节流嘴内，因压强的急剧降低导致 了气体体积的骤然膨胀 ，密度发生突降。节流后 ，随着深度的减 小 ，压强逐渐降低 ，气体缓慢膨胀，密度亦逐渐减小。 因实 例 中节 流嘴直 径与井 筒 管径 比为 0 ． 0 2 1 9 ，天 然 气通 过 节 流 嘴时 截 面积 经 历 了突 缩 和 突扩 的 变 化 ，在节 流嘴 内速度可 达到 临界速 度 ，并 于 出 口处形 成超 声速 ，流 出节流 嘴后发 生高 度欠膨 胀射 流 ，最 高速度 可达 5 4 8 ． 4 4 m／ s ，后经过 一 系列 的膨 胀 、压缩 ，再膨 胀 、再 压缩 的周 期性变 化过 程 ，能量逐 渐 衰 减 。节 流前气 流流速为 4 ． 3 5 m ／ s ，节流稳定后流 速为 1 5 ． 1 3 m／ s 。之后 因压强 的降低 和井壁 的摩 阻 ，流速随 井深的减小缓慢增 加 。 温度沿井深基本呈线性分布，仅在节流嘴附近出现突变，并存有最小值，为 1 3 ． 9 ℃，大于水合物的生 成温度 ，避免 了节 流器安装在地面 时易生 成水合物 的风险 。可见 ，节流器 安装在 井下 时可充分 利用地 热与 流动的气体发生热交换，使得节流温降后的温度仍可高于水合物形成温度 ，达到了井下节流的目的。 图 3 ～5为节 流嘴处 各物性 参数 分布 云 图。在人 口前 气 体流 速很 小 ，经 节 流 嘴后 急剧 增 大 ，后 与周 D 围速度较小的气体发生能量交换，动能逐渐减少 ，最终达到平衡状态 ，见 图 3 。由节流前后压 比 i b一 』o 0 ． 3 5小于临界压比 一 0 ． 5 4 6 知 ， 节流嘴出口处为超临界流动状态_ 2 。因流体粘性作用 ，在节流嘴壁 面附近 形成一 层 附面层 ，见 图 4 。从 马赫数 云 图的放大 图 图 4右边 中 可 以看 出 ，临界状 态 出现 在 节 流嘴 中间位 置 ，在 该位 置附 面层厚 度最大 。从 临界截 面到 节流 嘴出 口截面 ，附 面层 的厚度逐 渐减 小 ，并 于 出 口截面 达到最 小 ，相 当于形成 了一个 逐渐 扩张 的管道 。因此 ，气 体节 流其 实是在 类似 于拉伐 尔喷 管 } 一 ，， ● ●I ． T ■I ． ●●● ●． - { 量0 0 0 N 旨 0 I I 1 0 0 0 _【 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 3期 朱红钧等 天然气井 井下 节流后物性参数的变化模拟 l 4 9 内流动 ，经历 了亚音 速一 音速一 超 音 速一 亚音 速 的变 化过 程 。 0 5 O 0 1 咖 ‘1 5 0 0 欺． 2 o o o -2 5 0 0 ． O 0 -3 0 O 00 0 - 3 5 0 o ． o o 0 -5 O O -1 0 0 0 。1 5 0 0 求 ． 2 o o o - 9 9 95 0 -伯 9 96 o -1 嘲 7 0 -1 9 9 9 ． 8 0 一-1 9 ∞ 9 o 2 O O OO 0 欺 ．2 0 0 o1 o -2 O O O ． 2 o 一2 咖 3 0 2 0 o o ． 4 0 ．2 口 0 o5 0 O∞ 2 5 O 5O 0 7 ． 5 o 1 Oo o 1 25 o住 0 o 1 7 ． 5 o 2 0o o 2 25 o 2 5 0 0 6 肿 8O 0 1 O ． o o 1 20 o 0 o 1 eo o 1 e ． o D 2 o 舯2 2o o 2 4 o 0 O0 o 2 o0 o 柏 ． o o ∞ ． O 0 8 0 ． 0 0 1 0 0 ． 0 o 1 2 0 ． O 0 1 4 0o o 密 度／ k g m。 暑 5 ∞ 媾 嫩．硼 -2 5 ∞ 4o o 0 ． 3 姗 O 1 o o 2 o o 3 o o 4 o 0 速度／ m S 1 O 舯 2 0 ． 0 0 3 0 ． 0 0 4 0 ．0 0 轴 ． ∞ ； O J O 0 7 0 m 柚 ． O 0 帅 肿 1 0 0 ． 0 0 1 1 0 ． 叩 温度／ ℃ a 全井段 -t 9 ∞ 5 O -t 訇 。 9 6 o 1 嘲 ． 1 嘲 8 0 一1 9 0 9 ． 9 0 -2 0 0 0O 0 欺 I 2 o o o ．1 o _ 舢． 2 o -2 0 0 03 0 2 o o o 4 0 -2 o o o ． 5 0 1 9 ∞ ． 5 o -1 9 0 9 ． 6 0 1 9 9 9 7 0 一 日 9 9 8 o 一 -1 9 9 9 。 o -2 0 0 0 0 o 欺 ． o o 。 ． 1 o -2 o o O ． 2 O -2 o o O ． 3 0 2 o o o ． 4 0 - 2 ∞ O ． 5 o 1 嘲 ． 5 o 1 9 ∞ ． ∞ -1 9 9 9 ． 7 0 -1 9 9 9 ． 8 O 一1 9 9 9 ． 9 O ’ 。 。 。 。 叩 ． 2 o o 0 1 o ． 2 O o o ． 2 o ． 2 口 O 0 ． 3 0 ． 2 O o 0 ． 4 0 - 2 O o o ． 5 O 2 o ． o 舶 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 密度／ l g m 。 l O O 2 0 0 3 o o 4 0 0 5 o o 6 o o 速度／ m 1 0 2 o 3 o 柏 5 o ∞ 7 o 8 o 温度／ ℃ b 节流处局部放大 图 2全井段与节流段压 强、密度、速度、温度沿井深分布 曲线 ∞ ∞ ∞ m ∞ ∞ ∞ ∞ 。 吾 l 咖 ∞ ∞ 僦 i毫 Ⅲ／ 聪欺 栅 枷 。 棚 枷 喜 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2 卷第 3期 朱红钧等 天然 气井井下节流后物性参数 的变化 模拟 3 结 论 1 模 拟发 现 ，井 下节 流可 有效 降压 ，节 流 嘴处 压强 经历 减小 、增 大 的过 程 ，并 于出 口下游 稳定 后 ， 随井 深 的减 小 又逐 渐减 小 ；密度 与 压强 的变 化趋 势基 本一 致 ；气 体节 流其 实是 在类 似 于拉 伐尔 喷管 内流 动 ，经历 了亚 音速一 音 速一 超 音 速一 亚音 速 的变 化 过 程 ；节 流 嘴 出 口处 为 超 临 界 流动 状 态 ，发 生 高 度欠 膨 胀 射 流 ，经过 一系 列 的膨胀 、压 缩 ，再膨 胀 、再 压缩 的周 期性 变 化过 程 ，能量 逐渐 衰减 ；温度 沿井 深 的 分布趋势与地温梯度基本一致 ，在节流嘴出口附近存有最小值 ，但 因地温环境和气体粘性作用使温度仍 保持一定高度 ，避免了水合物的形成。 2 模 拟所 得各 物性 参数 分 布均 与实 际情 况符 合 较好 ，且 流场 的形 象 可 视化 为 设 计 、安 装 节 流器 与 确 定操作 参 数提 供 了有效 的依 据 。 [ 参考文献] [ 1 ]T a i l b y Ro g e r ，Al b e s t a d J o s t e i n ，He n r i q u e z Ad o l f o ． S i mu l a t i o n s h o ws e f f e c t i v e n e s s o f d o wn h o l e c h o k e s i n h o r i z o n t a l we l l s[ J ]． Oi l a n d Ga s J o u r n a l ，1 9 9 1，8 9 7 8 3～8 7 ． [ 2 ]Va l b a t n e P H，S e r v e J ， Du r l o f s k y L J ． E f f i c i e n t mo d e l i n g o f n o n c o n v e n t i o n a l we l l s wi t h d o wn h o l e i n f l o w c o n t r o l d e v i c e口]． J o u r n a l o f Pe t r o l e u m S c i e n c e a n d En g i ne e r i n g， 2 0 0 3， 3 9 2 9 9 ～ 1 1 6 ． E 3 3 B r o wn G G． A s e r i e s o f e n t h a l p y e n t r o p y c h a r t s f o r n a t u r a l g a s[ J ]． T r a n s ． AI ME，1 9 4 5 ，6 0 3 6 5 ～6 8 ． E 4 3 R OS N C J ． An a n a l y s i s o f c r i t i c a l s i mu l t a n e o u s g a s ／ l i q u i d f l o w t h r o u g h a r e s t r i c t i o n a n d i t s a p p l i c a t i o n t o f l o w me t e r i n g[ J ]． Ap p 1 ． S c i ． Re s ．， 1 9 6 0， 2 6 5 3 7 3 ． [ 5 ]P o e t t ma n n F E，B e c k R I J ． Ne w c h a r t s d e v e l o p e d t o p r e d i c t g a s l i q u i d f l o w t h r o u g h c h o k e s[ J ] ． Wo r l d Oi l ，1 9 6 3 ，l 8 4 3 9 5 ～ 1 O O． [ 6 ]As h f o r d F E，P i e r c e P E． D e t e r mi n i n g mu h i p h a s e p r e s s u r e d r o p s a n d f l o w c a p a c i t i e s i n d o wn h o l e s a f e t y v a l v e s[ J ]． J o u r n a l o f P e t r o l e u m Te c hn o l o g y， 1 9 7 5， 5 6 5 1 1 4 5 ～ 1 1 5 2 ． [ 7 ]刘鸿 文 ，刘德 平 ．井 下油嘴节流机理研 究及应用 l J ]．天然气工业 ，l 9 9 0 ，1 0 5 5 7 ～6 2 ． [ 8 ]郭春秋 ，李颖 J I I ．气井压 力温度 预测综 合数值模拟 [ J ]．石油学报 ，2 0 0 1 ，2 2 3 1 ∞～ 1 0 4 ． [ 9 ]李颖 川 I，胡顺 渠，郭春秋 ．天然气节流温降机理模型 [ J ]．天然气工业 ，2 0 0 3 ，2 3 3 7 O ～7 2 ． [ 1 O ] 余朝毅 ，李川 东 ，雷振中 ，等 ．井下节流工 艺技术在气 田开发中的应用 [ J ]．钻采工艺 ，2 0 0 3 ，2 4 S 1 5 2 ～5 6 ． [ 1 1 ] 刘建仪 ，杜志敏 ，李颖川 I，等 ．新的水合物生成条件预测模型 [ J ]．天然气工业 ，2 0 0 4 ，2 4 1 2 9 6 ～9 8 ． [ 1 2 ]刘建仪 ，李颖 川 I，杜志敏 ．高气液比气井气液两相节流预测数学模型 [ J ]．天然气工业 ，2 0 0 5 ，2 5 8 8 5 ～8 7 ． [ 1 3 ] 王宇，佘朝毅 ．井下节流 防止井筒 、管汇中形成水合物的新方法 [ J ]．石油科技论坛 ，2 0 0 6 ，2 5 1 4 6 ～4 8 ． [ 1 4 ]李 玉星 ．气嘴 流动特性 及温降计算 方法 _ J ]．油气储运 ，2 0 0 2 ，2 1 2 1 5 ～1 9 ． [ 1 5 ]蒋 代君 ，陈次昌 ，钟 孚勋 ，等 ．天然气井下节流临界状态的判别方法 [ J ]．天然气工业 ，2 0 0 6 ，2 6 9 1 1 5 ～1 1 7 ． [ 1 6 ] 陶文铨 ．数值传 热学 [ M]．第 2版 ．西安 西安交通 大学 出版社 ，2 0 0 1 ． [ 1 7 ] 王福军 ．计算 流体 动力学分析 c F D软件原理与应用 [ M]．北 京清华大学 出版社 ，2 0 0 4 ． [ 1 8 ] 王瑞金 ，张凯 ，王刚 ． F I UE NT技术基础与应用实例 [ M]．北京 清华大学 出版社 ，2 0 0 7 ． [ 1 9 ] 韩 占忠 ，王敬 ，兰小平 ． F I UE NT流体工程仿真计算实例与应用 [ M]．北京 北京理 工大学 出版社 ，2 0 0 4 ． [ 2 0 ]赵承庆 ，姜毅 ．气体 射流动力学 [ M]．北京 北京理工大学 出版社 ，1 9 9 8 ． [ 2 1 ]西北工业大学 ，南京航空学院 ，北京航空学院 ，等 ．气体动力学基础 [ M]．北京 国防工业 出版社 ，1 9 8 0 ． [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m