高压天然气井拉伐尔结构参数优化研究.pdf

2 01 0 正 第 6 期 第 3 9卷 第 1 2页 石油 矿场 机械 OI L FI E LD E QUI P ME NT 2 0 1 0， 3 9 6 1 2 ～ l 5 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 0 0 6 0 0 1 2 0 4 高压天然气井拉伐尔结构参数优化研究 石 峰 辽河油 田 沈阳工程技术处 ， 沈阳 1 1 0 3 1 6 摘要 高压天然气在进入城市管网前需降压 ， 拉伐 尔节流阀是典型的节流装置 。针对辽河天然气井 8 0 1 O m。 ／ d 、 4 0 MP a的高压情况， 依据温降和压降数值计算对拉伐 尔节流阀进行 了结构参数优 化 。依据空气动力学原理， 首先对其锥 管式结构和曲线式结构进行对比分析 ， 选取喉道直径 5 ～ o 1 2 mm， 进行低压和高压 2种情况的数值计算， 给出不同喉道直径时的喉道直径与进、 出口直径最 优比， 以及进、 出口长度最优值 。在优化结构参数 的基础上， 分别就低压和 高压 2种情况 对压力 场 、 速度 场和 温度场进 行 了数值 计 算 。 关键 词 高压 ； 天然 气井 ； 拉 伐 尔； 节 流装 置 ； 数值 计 算 ； 优化 中图分类 号 TE 9 2 7 ． 7 文 献标识 码 A S t r u c t u r a l Pa r a me t e r s Op t i m i z a t i o n o f La v a l o f Hi g h Pr e s s u r e Na t u r a l Ga s W e l l s SHI Fe n g S h e n y a n g E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y Di v i s i o n ， L i a o h e Oi l f i e l d， S h e n y a n g 1 1 0 3 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Pr e s s ur e r e l e a s e i s r e q ui r e d be f o r e t he h i gh p r e s s u r e n a t u r a l g a s e nt e r i n g i nt o t he c i t y p i p e n e t wo r k， La v a l t h r o t t l e i s a t y p i c a l t h r o t t l i n g d e v i c e ， f o r g a s we l l s i n L i a o h e 8 1 0 m。 ／ d， 4 0 M Pa h i g h pr e s s u r e s i t u a t i o n． op t i mi z a t i o n o f s t r uc t u r a l p a r a me t e r s o f“ La va l ” 一 t he we l l he a d t h r ot - t l i n g d e v i c e wa s c a r r i e d o u t b a s e d o n n u me r i c a l c a l c u l a t i o n o f t e mp e r a t u r e d r o p a n d p r e s s u r e d r o p ． Ba s e d o n a e r o d yn a mi c p r i nc i pl e s ， t he c o ne t u be t y pe s t r uc t ur e a n d t he c ur v e s t r u c t u r e o f “ La v a l ”wa s a n a l y z e d c ompa r a t i v e l y f i r s t ， t he t h r o a t d i a me t e r o f 5～ 1 2 m m wa s s e l e c t e d， nu me r i - c a l c a l c ul a t i o n wa s c a r r i e d o ut wi t h bo t h l ow p r e s s u r e a n d h i g h pr e s s ur e c a s e s ， t he o p t i ma l r a t i o o f t h r o a t di a m e l e r wi t h i n l e t a n d o u t l e t d i a me t e r whe n d i f f e r e n t o f t he t hr oa t di a me t e r we r e g i v e n， a s we l l a s t he o p t i ma l v a l ue o f t he l e ng t h o f i mpo r t a nd e xp o r t ． Ba s e d o n t he o p t i mi z a t i on o f t he s t r uc t u r e p a r a me t e r s ， nu m e r i c a l c a l c ul a t i o n of t h e p r e s s u r e f i e l d， v e l o c i t y f i e l d a nd t e m p e r a t u r e f i e l d we r e c a r r i e d o ut wi t h l o w a nd h i gh p r e s s ur e r e s pe c t i v e l y ． Ke y wo r d s h i gh p r e s s ur e； na t ur a l g a s we l l ； La v a l ； t hr o t t l i ng de v i c e ； nu me r i c a l c a l c u l a t i o n； o pt i m i ～ z a t j o n 微 型拉伐 尔 喷管 是 微 流 动 系统 中的 重 要部 件 ， 主要用来产生超声速气流 ， 其模型如图 1所示 。拉 伐尔喷管在超声速及高超声速风洞喷管、 超声速飞 机 、 火箭的尾喷管上得到广泛应用。周兴付Ⅲ、 马占 林嘲等对高压气井井下节流进行了研究 ， 计算流体 动力学软件在油 田各 领域 的应用 已相 当广泛 。 本文基于气体动力学原理 ， 应用 F L UE NT E 。 软件 对喷管 内的气体流动进行 了数值模拟 ， 分析 了不同 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 - 2 1 基金项 目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 “ 高压天然气井 拉伐 尔结 构参数优化研究” 项 目 2 O O 5 c b 2 2 1 3 O 4 作者简介 石峰 1 9 7 4 一 ， 男 ， 吉林松原人 ， 工程 师 ， 2 0 0 0年毕业 于大庆石 油学 院石油工 程专业 ， 现从事井 下修井 作业 工 作 ， E ma i l s f 2 0 0 4 1 2 1 5 1 2 6 ． t o m。 第 3 9卷第 6期 石峰 高压天然气井拉伐尔结构参数优化研究 构形 和压力边 界 条件 对 流 动 的 影 响 ， 研究 成 果 可 用 于高压天然气井节流装置构形的设计与选取 。 ≤ i ／ Q 1 数学模型 图 1 拉伐 尔喷嘴模 型 口 气体状态方程为 一 七 姐 气体一元稳定流动连续方程为 d A／ A d v ／ v 一0 气体动量方程为 生一一 一d v 一一 -V i a z D f 气体能量方程为 1 1 T 1 l 2 一 T z 专 i 一常数 马 赫数为 Ma 一 { c 一 { 俪 式中， P为气体 压力 ， P a i T为温 度， ℃； p为密度 ， k g ／ m。 ； A 为面积 ， r n i 为气 体速 度， m／ s i c为声 速 ， m／ s i C 。 为定 压 比热 ， J ／ k g。 C ； R 为气 体常 数 ； k为绝 热 指数 或 比热 比； Ma为 马赫 数， 无 量 纲 量 。 2结构 参数优化 2 ． 1 锥 管式 结构 与 曲线设 计结构 对 比 选取喉道直径 D。 一6 mm， 在低压 0 ． 4 MP a和 高压 5 5 MP a两种情况下 ， 对 比分析 了锥 管式结构 和曲线式结构的拉伐尔压降 ， 结果发现锥管结构设 计优 于 曲线结 构设 计 ， 如 表 1 。 表 1锥管式结构和 曲线式结构的拉伐尔压降对比 2 ． 2拉伐 尔结构 参数 优化 如表 2 喉管直径 D 分别取 5 0 1 2 mm的 8种情况 ， 低压选取0 ． 2 ～1 ． 0 MP a ， 高压选取8 ～5 5 MP a 。 a 拉伐 尔喉 道进 口段 长度 、 扩 张段 长 度 L 一 L 2 2 5 mm， 对 D2 ／ D1 0 ． 4 、 0 ． 5 、 0 ． 6 、 0 ． 7及 D2 ／ D。 一0 ． 4 、 0 ． 5 、 0 ． 6 、 0 ． 7的不同情况进行数值计算 ， 优化 喉道 直径 与进 、 出 口直径 之 比 。 b 对 进 口段 长 度 L 1 2 0 、 2 5 、 3 0 、 3 5 、 4 0 、 4 5 、 5 0 mm及扩 张段 长度 L 2 2 0 、 2 5 、 3 0 、 3 5 、 4 0 、 4 5 、 5 0 mm 的不同情况进行数值计算 ， 优化喉道进、 出口长度。 表 2拉伐尔结构参数优化 第 3 9 卷第 6 期 石峰 高压天然气井拉伐尔结构参数优化研究 天然 气从 地层 进 入 地 面 流程 主要 包 括 地 层 、 井 筒 、 地面 3个流动过程 ， 由于天然气在高压、 低温 、 含 水情况下极易生成水合物 ， 压力越高， 水合物生成温 度 越高 ， 越 易发 生水 合物 堵塞 ， 从 而堵塞 井筒 生产 管 柱和地 面 流程 ， 影 响 气井 的正常 生 产， 降低 开 井 时率。 对天然气井不 同产量、 不同压力、 不同含水率情 况下的生成水合物的厚度进行了估算 ， 日产天然气 量4 O 1 0 m。 ， 不同实际含水率 、 不 同入 口压力时管 线 内水合物生成情况如表 3 。 表 3水合物 生成厚 度 4 结论 1 拉伐尔结 构参数 优化 结果 喉 道直径 与 人 口之 比 D ／ D 0 ． 5 、 喉 道 直 径 与 出 口直 径 之 比D。 ／ D 0 ． 5 时 ， 压 降效果 更为理 想 ， 计算 了不 同 喉道 直 径对 应 的 最 优 喉 道 直 径 与 入 口 、 出 口直 径 比 ； 入 口至喉道处 的长度 与喉道 至 出 口的长度 最优情况为L 一L ， 计算 了不 同喉 道直径对 应 的 最 优 入 口长 度 和 出 口长 度 ； 锥 管 式 结 构 优 于 曲 线 式 结 构 。 2 在 以上优化 结构 的基础 上 ， 计算 了不 同 喉 道 直 径 在 1 ． 5 ～5 4 ． 5 MP a 压 力 区 间情 况 下 对 压 降 、 温降、 速 度 、 流量 等进 行 了数值 计 算 ， 可 以得 出 在喉 道直 径一 定 的情况 下 ， 不 同入 口压 力 产 生 的压 降为线性变 化 ， 人 口压力对 出 口温 降影 响 较 小 ， 对 喉 道 处 的 温 降 影 响 较 大 。 喉 道 直 径 对 出 口温度影 响较 小 ， 随着 喉道直 径 的增大 ， 喉道 处 的温降减小 。 参 考文 献 [ 1 ] 周兴付 ， 杨功 田， 李春 ， 等． 高压气井井下节流工艺设 计方法研究 E J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 7 ， 3 0 1 5 7 6 0 ． E 2 ] 马 占林 ， 汝新英． 井下节流 防治气井水合物技术研 究与 应用E J ] ． 大庆石油地质与开发 ， 2 0 0 8 ， 2 7 4 8 6 8 9 ． E 3 ] 魏存祥 ， 腾龙 ， 王勇刚 ， 等． 固定节流阀流场数值模 拟 研究E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 5 4 7 4 9 ． [ 4 ] 杨国安 ， 黄聪 ， 于丽． 基 于 F L UE NT的钻井泵 阀隙 流场仿 真计 算E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 3 4 1 4 4 ． E s ] 钟 功祥 ， 庞学东 ， 吕志 中． 井 下油水 分离漩 流器数 值仿 真分析 E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 2 5 5 5 8 ． E 6 ] 王雷 ， 房军 ， 尹文波 ， 等． 低频水力脉 冲延 时先导阀 设计 计 算 及 仿 真 E J ] ． 石 油 矿 场 机 械， 2 0 0 9 ， 3 8 5 3 5 3 8． E 7 3 张晓东 ， 李 俊华． 基 于 F L UE N T 的锥形节 流阀流场数 值模拟E J 3 ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 9 5 0 5 2 ． E 8 ] 杨树人 ， 汪志 明， 何光渝 ， 等． 工程流体力 学E M] ． 北京 石 油工业 出版社 ， 2 0 0 6 1 8 6 1 9 7 ． [ 9 ] 韩 占忠 ， 王 敬 ， 兰 小平．F L UE NT流体 工程仿 真计 算实例与应用E M] ． 北京 北京理工大学 出版社 ， 2 0 0 4 65 97 ．