深水鉆井防噴器溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究

趙欣欣， 吳雪峰， 高永海， 李 昊， 郭艷利

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

?深水鉆井完井專題?

深水鉆井防噴器溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究

趙欣欣， 吳雪峰， 高永海， 李 昊， 郭艷利

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

深水防噴器所處環(huán)境為低溫高壓，如有氣侵出現(xiàn)，容易在防噴器位置生成天然氣水合物，阻塞防噴器，產(chǎn)生井口安全隱患。為此，結(jié)合深水鉆井工況，建立了深水鉆井條件下閘板防噴器與環(huán)形防噴器的三維空間模型，并利用Fluent軟件進(jìn)行了溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，得到了防噴器不同位置的溫度場(chǎng)分布。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合天然氣水合物生成條件分析了防噴器的溫度場(chǎng)分布，以及加熱管對(duì)防噴器溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，并優(yōu)選了加熱管的布置位置。結(jié)果表明，在模擬環(huán)境條件下，閘板防噴器橫向位置依靠防噴器通徑內(nèi)壁加熱即可滿足天然氣水合物預(yù)防要求，在縱向側(cè)面1/4處布置加熱管效果較好；管線數(shù)量對(duì)環(huán)形防噴器溫度場(chǎng)的影響很大，為滿足溫度高于天然氣水合物形成溫度的要求，可以將優(yōu)化加熱管數(shù)量與保溫措施結(jié)合起來(lái)進(jìn)行。

深水鉆井 防噴器 溫度分布 數(shù)值模擬 天然氣水合物

水下防噴器是保證鉆探安全的重要設(shè)備之一，更是開(kāi)井、關(guān)井的關(guān)鍵設(shè)備。防噴器處深水的低溫和高壓環(huán)境，尤其是關(guān)井后和開(kāi)井前的流動(dòng)間歇極易形成天然氣水合物，造成防噴器阻塞，產(chǎn)生安全隱患[1]。因此，必須要對(duì)水下防噴器的溫度分布進(jìn)行分析，以研究天然氣水合物的分布情況[2-3]。C.R.Lin等人[4]曾經(jīng)對(duì)海底防噴器溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，采用三維有限元模型研究了深水防噴器和橡膠密封件的溫度場(chǎng)分布；同時(shí)，還對(duì)二維分析結(jié)果和三維有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明兩者在溫度分布上具有相同的趨勢(shì)；但是,其中并未結(jié)合深水環(huán)境下容易形成天然水合物的具體情況進(jìn)行研究。因此，筆者對(duì)防噴器的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬，并結(jié)合天然氣水合物生成溫度確定了防噴器中天然氣水合物的生成區(qū)域，提出了初步的加熱方案，以避免天然氣水合物在防噴器關(guān)鍵區(qū)域生成。

1 防噴器模型的建立

防噴器可分為閘板防噴器和環(huán)形防噴器。用長(zhǎng)方體模擬單閘板防噴器，圓柱體來(lái)模擬環(huán)形防噴器。中心圓柱空腔為防噴器通徑，取實(shí)際尺寸，用以安放鉆桿和密封膠塞[5-6]。采用Gambit軟件進(jìn)行防噴器建模與網(wǎng)絡(luò)劃分。

1.1 幾何模型

1.1.1 閘板防噴器

以CAMERON公司的一款閘板防噴器為原型建模。防噴器通徑為346.1 mm,鉆桿尺寸為139.7 mm。該防噴器的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示[7]。

圖1 閘板防噴器實(shí)際結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the ram BOP

為便于運(yùn)算，將單閘板防噴器簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體，模型如圖2所示。圖2中，中心圓柱為防噴器通徑，尺寸為346.1 mm；分布的4個(gè)直徑80 mm的小圓柱為加熱管，用以提供熱源。加熱端口直徑為80 mm,圓心坐標(biāo)分別為(712.5 mm,185.0 mm)、(712.5 mm,-185.0 mm)、(-712.5 mm,185.0 mm)和(-712.5 mm,-185.0 mm)。

1.1.2 環(huán)形防噴器

以Hydrilφ539.8 mm 13.8 MPa環(huán)形防噴器為原型建模，將其簡(jiǎn)化為一個(gè)圓柱體，中心處為通徑。鉆桿尺寸為139.7 mm。該防噴器的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3所示。

圖2 模擬的單閘板防噴器幾何模型Fig.2 Geometric model of the single ram BOP

圖3 環(huán)形防噴器實(shí)際結(jié)構(gòu)Fig.3 Sturcture of the annular BOP

模型如圖4所示。圖4中，中心圓柱為防噴器通徑，尺寸為539.8 mm，用于安放鉆桿和密封膠塞；分布的4個(gè)直徑80 mm的小圓柱為加熱管，圓心坐標(biāo)分別為(463.5 mm,0 mm)、(0 mm,463.5 mm)、(-463.5 mm,0 mm)和(0 mm,-463.5 mm)，用以提供模擬熱源。

圖4 模擬的環(huán)形防噴器幾何模型Fig.4 Geometric model of the annular BOP

1.2 相關(guān)理論模型及邊界條件

因?yàn)樗Ｐ椭兄饕獮閺较騻鳠?，所以忽略管道沿軸線方向的傳熱，分析能量守恒定律可以得出其數(shù)學(xué)模型。

防噴器內(nèi)部為熱傳導(dǎo)[8-9]：

1)對(duì)于單閘板防噴器模型

(1)

2)對(duì)于環(huán)形防噴器模型

(2)

式中：x，y，z為單閘板防噴器上一點(diǎn)的坐標(biāo)(以防噴器中心為原點(diǎn))；r為環(huán)形防噴器上一點(diǎn)的徑向坐標(biāo)(柱坐標(biāo)系)；λ為熱導(dǎo)率，W/(m·K)。

防噴器與海水為對(duì)流換熱：

1)對(duì)于單閘板防噴器模型

(3)

2)對(duì)于環(huán)形防噴器模型

(4)

式中：h為傳熱系數(shù)，W/(m2·K);T為防噴器溫度，K；Ts為海底處環(huán)境溫度，K。

其中，模型中共有2種邊界：定溫邊界(共5個(gè)，包括防噴器內(nèi)壁和4個(gè)加熱管內(nèi)壁)，自由散熱邊界(共3個(gè))。

通徑內(nèi)壁和注水管內(nèi)壁為定溫邊界，溫度分別為288和323 K；深水海水溫度受外界影響很小，趨于穩(wěn)定，取Ts=278 K。防噴器與海水的交界面為自由散熱表面，將其設(shè)置為對(duì)流換熱型邊界條件，對(duì)流傳熱系數(shù)為20 W/(m2·K)。防噴器本體選擇全鋼結(jié)構(gòu)，密度為8 030 kg/m3；比熱容為502.48 J/(kg·K)；熱導(dǎo)率為16.27 W/(m·K)，水深1 000 m。采用穩(wěn)態(tài)傳熱模型進(jìn)行模擬分析，得到防噴器溫度場(chǎng)分布。

2 模擬結(jié)果分析

在幾何模型與定解條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行防噴器溫度場(chǎng)的模擬。根據(jù)有限元軟件Fluent計(jì)算的數(shù)值結(jié)果，得到閘板和環(huán)形防噴器的溫度場(chǎng)分布，結(jié)合天然氣水合物的生成條件，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)天然氣水合物的區(qū)域，并就不同防噴器溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行了分析。

2.1 單閘板防噴器溫度分布

單閘板防噴器模型為長(zhǎng)方體型，其特點(diǎn)為：狹長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)，x方向(縱向)上較長(zhǎng)，y方向(橫向)較短。具體溫度分布如圖5所示。

從圖5可以看出，模型溫度在278～323 K之間，4個(gè)加熱管溫度最高(為323 K)；中心通徑溫度在設(shè)定的288 K左右；低溫區(qū)域分布在防噴器的邊緣，為防噴器與海水環(huán)境進(jìn)行溫度交換的主要區(qū)域，溫度較低，大致在278 K。

圖5 單閘板防噴器溫度分布Fig.5 Temperature distribution across single ram BOP

圖5的溫度分布結(jié)果顯示，整個(gè)系統(tǒng)的熱源有2個(gè)：加熱管為主熱源，向防噴器周圍提供熱量，通徑面因?yàn)闇囟容^外界環(huán)境溫度高，內(nèi)壁周圍的溫度向四周遞減，y方向上由于距離較短，在靠近邊界的位置仍然保持了280 K左右的溫度；x方向上因?yàn)楣δ苄缘男枰L(zhǎng)度較y方向上長(zhǎng)很多，由于存在4個(gè)加熱管，2個(gè)熱源的溫度場(chǎng)疊加，從中心通徑到加熱管之間的溫度整體保持在296 K左右，從加熱管到四周溫度逐漸下降。整體來(lái)看，290 K以上的溫度占整個(gè)斷面的大部分，低溫只出現(xiàn)在周圍區(qū)域，溫度分布較為理想。

2.2 環(huán)形防噴器溫度分布

環(huán)形防噴器模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，模型溫度在278～323 K之間，4個(gè)加熱管區(qū)域溫度最高(為323 K)；中心通徑溫度在設(shè)定的288 K左右；低溫區(qū)域分布在防噴器的邊緣并且遠(yuǎn)離加熱管的區(qū)域，為防噴器與海水環(huán)境進(jìn)行溫度交換的主要區(qū)域，溫度較低，大致在278 K左右。

圖6 環(huán)形防噴器溫度分布Fig.6 Temperature distribution across annular BOP

和單閘板防噴器一樣，整個(gè)系統(tǒng)也有2個(gè)熱源，分別為4個(gè)加熱管和1個(gè)通徑內(nèi)壁。主熱源為加熱管，能量從加熱管流向外壁和防噴器通徑；次熱源為通徑內(nèi)壁，2個(gè)熱源的溫度場(chǎng)在中間區(qū)域相互疊加，使溫度在這一區(qū)域保持穩(wěn)定且較高。

3 加熱位置討論

海底的低溫高壓環(huán)境有利于天然氣水合物的生成。為避免該情況的產(chǎn)生，可以從加熱角度進(jìn)行考慮，在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)幾種可能采取的加熱布置方式進(jìn)行討論，分析了加熱措施對(duì)閘板防噴器和環(huán)形防噴器的影響規(guī)律。

3.1 單閘板防噴器加熱管位置

鑒于實(shí)際情況下對(duì)結(jié)構(gòu)和安裝的考慮，加熱管往往不能放置在防噴器本體內(nèi)。因此嘗試將加熱管放置在防噴器邊緣，然后分析其溫度場(chǎng)分布，具體方式及結(jié)果見(jiàn)圖7?？紤]到縱向端部溫度較低，因此加熱位置應(yīng)主要分布于防噴器縱向上。

圖7 單閘板防噴器2x2y與4x方式布置加熱管時(shí)的溫度分布Fig.7 Temperature distribution of the single ram BOP with 2x2y heating pipe and 4x heating pipe

將加熱管放置在長(zhǎng)、寬方向的中間位置(即2x2y方式，圖7上部圖形)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，4個(gè)加熱管對(duì)防噴器主體溫度的影響不大，僅僅局限在縱向兩端；而縱向中端的大部分溫度仍然較低，在280～284 K之間；主熱源(加熱管)和次熱源(通徑)距離較大，在兩熱源之間形成了一定的低溫區(qū)域，溫度在283 K左右，縱向端部的熱源也并沒(méi)有給邊緣區(qū)域帶來(lái)很好的加熱效果。所以，對(duì)于單閘板防噴器這種縱向和橫向上差距較大的防噴器，該布置方法不合適。

由于橫向上長(zhǎng)度較短，僅次熱源已經(jīng)足夠，主熱源主要布置在縱向上，將加熱管設(shè)在x方向1/4等分處(即4x方式，圖7下部圖形)。由圖7可知，縱向上大部分區(qū)域溫度較高，在285 K以上，部分邊緣區(qū)域分度較低?？拷绹娖魍◤絽^(qū)域溫度較高，在287 K以上，高于1 000 m水深條件下天然氣水合物的形成溫度，該方式是一種比較理想的布置方式。

3.2 環(huán)形防噴器加熱管位置

在環(huán)形邊緣區(qū)域平均分布4根和6根加熱管，通過(guò)防噴器向四周傳熱。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 4根和6根加熱管均布在環(huán)形防噴器邊緣時(shí)的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of the annular BOP with 4 heating pipes and 6 heating pipes

由圖8可知，由于有加熱管的存在，防噴器近加熱管邊緣區(qū)域溫度較高，在286 K左右；遠(yuǎn)離加熱管的邊緣處溫度較低。與內(nèi)置加熱管相比，邊緣加熱管布局對(duì)熱源的利用率不高，原因在于當(dāng)加熱管全部埋在防噴器中時(shí)，加熱面積較大，而邊緣加熱時(shí)每個(gè)加熱管僅有1/2部分用于加熱，故效率不高。6根加熱管與4根加熱管相比，整個(gè)溫度場(chǎng)分布有了較大改善，防噴器整體溫度升高了2～5 ℃，但對(duì)部分邊緣區(qū)域溫度影響不大，可以考慮結(jié)合保溫材料等方式來(lái)提高防噴器的整體溫度。

4 可能生成天然氣水合物的位置

根據(jù)天然氣水合物相態(tài)曲線，甲烷在10 MPa壓力下的生成溫度為14 ℃左右[10]。結(jié)合上述未設(shè)置加熱閘板防噴器，以及3種加熱情況的溫度縱向分布與10 MPa下的天然氣水合物生成溫度進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示。其中，Δt是防噴器溫度與模擬環(huán)境下天然氣水合物生成溫度的差，Δt>0表示不會(huì)有天然氣水合物生成，Δt<0則有可能生成天然氣水合物。

從圖9可以看出:單閘板防噴器若無(wú)加熱措施，幾乎全在臨界溫度以下；單純從加熱角度來(lái)看，內(nèi)置加熱措施效果最好，除邊緣外均在臨界溫度以上，但實(shí)際安裝操作不可行；2x2y式布置意義不大，近井筒區(qū)域幾乎未受加熱影響；4x式布置對(duì)防噴器有較好的效果，可以使近井筒地帶不生成天然氣水合物，是一種比較理想的加熱布置方式。

圖9 閘板防噴器的徑向溫度分布Fig.9 Radial temperature distribution of the single ram BOP

對(duì)于環(huán)形防噴器，取較低的徑向溫度跟10 MPa下天然氣水合物的生成溫度進(jìn)行比較，結(jié)果如圖10所示。

圖10 環(huán)形防噴器的徑向溫度分布Fig.10 Radial temperature distribution of the annular BOP

由圖10可知:在模擬環(huán)境條件下，沿邊緣均勻布置的4根加熱管加熱效果不明顯，雖然比未加熱時(shí)整體溫度略高，但僅有35％的區(qū)域在天然氣水合物的生成溫度以上；內(nèi)置加熱時(shí)，近井筒約70％區(qū)域的溫度在臨界溫度以上；布置6根加熱管時(shí)，防噴器整體溫度進(jìn)一步提高，不會(huì)生成天然氣水合物的區(qū)域約占85％，該布置方案加熱效果較好。

5 結(jié) 論

1)結(jié)合水深與天然氣水合物的生成溫度和壓力可確定防噴器所需的加熱溫度，應(yīng)合理布置加熱方式以及保溫措施，避免防噴器關(guān)鍵部件發(fā)生天然氣水合物阻塞。

2)閘板防噴器縱向尺寸大于橫向，橫向依靠防噴器通徑內(nèi)壁加熱即可；縱向位置需要對(duì)加熱管布置進(jìn)行優(yōu)化，以取得較好的加熱效果。計(jì)算結(jié)果表明，在縱向1/4位置布置加熱管效果較好。

3)在模擬條件下，環(huán)形防噴器在邊緣布置4根加熱管時(shí)效果不明顯，布置6根加熱管能保證環(huán)形防噴器大部分溫度高于天然氣水合物的生成溫度，如要進(jìn)一步提高環(huán)形防噴器的溫度，需要結(jié)合其他保溫措施進(jìn)行。

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NumericalSimulationofTemperatureDistributionofBlowoutPreventersinDeepwaterDrilling

ZhaoXinxin，WuXuefeng，GaoYonghai，LiHao，GuoYanli

(SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong,266580,China)

In case of gas cutting,hydrate is likely to form in deep water blowout preventers due to low temperature and high pressure and block the blowout preventers,which might compose safety threat at wellhead.Combining deepwater drilling conditions,3D models of ram preventers and annular blowout preventers in deepwater drilling condition were built-up,and numerical simulation of temperature field was performed to obtain the temperature distribution across the preventer.Then optimal heating locations of pipes were chosen according to the effect of heating pipe on blowout preventer temperature field.Result showed in the simulated temperature that heating by annulus itself in the transverse direction of the ram BOP,and heating pipe around 1/4 part of the longitudinal section could meet the requirements of preventing gas hydrate formation.Quantity of heating pipes has large influence on the temperature field of annular BOP.Optimization of pipe quantity and insulation combination should be considered to keep the temperature at annular BOP over hydrate formation temperature.

deepwater drilling；blowout preventer；temperature distribution；numerical simulation；natural gas hydrate

2013-03-01；改回日期2013-05-13。

趙欣欣(1977—)，女，河北涿州人，2000年畢業(yè)于山東工程學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)，2003獲石油大學(xué)(華東)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，講師，現(xiàn)從事油氣井流體力學(xué)和傳熱方面的教學(xué)與研究工作。

聯(lián)系方式：(0532)86981928，zhaox@upc.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深水鉆井中的氣液兩相流傳熱規(guī)律研究”(編號(hào)：51004113)、國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題“深水鉆井水力學(xué)及井控關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號(hào)：2011ZX05026-001-02)、教育部“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”項(xiàng)目“海洋油氣井鉆完井理論與工程”(編號(hào)：IRT1086)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(編號(hào)：13CX05006A)資助。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.009

TE52；TE921+.5

A

1001-0890(2013)03-0046-05

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