稠油井井口采出液密閉取樣器流場數(shù)值計算

王春生 董國慶 徐玉建 田明磊 儀記敏 孟珊

摘 要： 在我國超稠油開采過程中出現(xiàn)了高濃度的硫化氫氣體，給現(xiàn)場的取樣工作帶來極大的困擾。目前，國內(nèi)研究生產(chǎn)的取樣器大多為開放式，這些取樣器存在著殘留物質(zhì)清洗困難、原料利用不充足、破壞環(huán)境嚴重、以及使用過程中發(fā)生危險的幾率大等等弊端，而國外生產(chǎn)的取樣器價格昂貴，不能滿足實際條件下的經(jīng)濟因素。因此在國內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備弊端多、國外設(shè)備價格高的條件下設(shè)計一款新型的密閉環(huán)保取樣器是非常有必要的。通過對現(xiàn)場實際情況的調(diào)研，基于活塞式取樣器的原理，通過對目前取樣器裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理的分析，運用SolidWorks對取樣器進行建模與裝配，得到取樣器的三維模型。使用軟件建立取樣器的簡化模型，通過應(yīng)用FLUENT中動網(wǎng)格部分的UDF編寫成功的實現(xiàn)了液體吸入取樣器內(nèi)部。運用FLUENT數(shù)字模擬軟件，通過對流體非定常流的數(shù)值模擬，控制不同的抽吸速度分別得到氣體的體積分布，并計算最終的含氣率與含水率，再對模擬結(jié)果進行分析，獲得抽吸速度對于氣體含量的影響。

關(guān) 鍵 詞：取樣器；硫化氫；抽吸速度；數(shù)值模擬

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1642-03

Numerical Calculation of Flow Field in Heavy

Oil Well Head Produced Fluid Closed Sampler

WANG Chun-sheng，DONG Guo-qing，XV Yu-jian，TIAN Ming-lei，YI Ji-min， MENG Shan

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China）

Abstract： High concentration of hydrogen sulfide gas appears in the development process of super heavy oil， which sets back the sampling work. The current domestic sampler is open type. This kind of sampler has many disadvantages， such as material waste， hard residual cleaning and big environment pollution risk and so on. As the price of foreign samplers are very high， it is of great important significant to design a new airtight environmental sampler. Base on the actual situation of research and the principle of piston sampler， after studying the structure and the working principle of current piston sample， three-dimensional model of the sampler was obtained by using Solid Works modeling and assembling. Simplified sampler model can be built with software by applying the UDF in FLUENT moving mess part. With the use of digital simulation software FLUENT， numerical simulation of unsteady fluid flow， controlling different pumping speed， volume distribution of gas was obtained，and the final gas rate and moisture content were calculated， and then the simulation results were analyzed to obtain effect of suction velocity on the gas content.

Key words： Sampler； Hydrogen sulfide； Suction speed； Mumerical simulation

在油田開發(fā)過程當中[1]，從油井采出的通常不只是原油，而是原油及其伴生氣。在稠油開采過程中，蒸汽吞吐方法是行之有效的，但在蒸汽吞吐的過程中通常要加入各種表面活性劑，如除氧劑、降粘劑等，這些表面活性劑大都是含硫化合物，在一定的條件下，硫化合物具有熱化學(xué)還原或分解從而在蒸汽吞吐中出現(xiàn)高濃度硫化氫氣體，硫化氫的出現(xiàn)給安全生產(chǎn)和環(huán)保帶來了很多新問題。嚴重威脅到油區(qū)員工的身體健康，并對環(huán)境造成污染。在取樣時由于存在大量的硫化氫氣體，并且目前現(xiàn)場使用的取樣器不密閉，會對人員安全與環(huán)境帶來巨大的隱患。

本文對取樣裝置進行了密閉的優(yōu)化設(shè)計，建立取樣器的三維模型，運用氣液兩相流理論知識，模擬在不同工況下取樣裝置的氣體含量。分析抽吸速度對于氣液兩相分布的影響。

1 氣液兩相流動特點及處理方法

1.1 氣液兩相流動特點

氣液兩相二者間存在相分界面；介質(zhì)除了與管壁存在作用力之外，兩相界面間也存有作用力，并伴隨能量關(guān)系；氣液兩相流中存在著滑脫現(xiàn)象，即在氣液兩相中，各相速度可能不同。

1.2 氣液兩相流的處理方法

（1）經(jīng)驗法—根據(jù)實驗數(shù)據(jù)描述某一流動的經(jīng)驗關(guān)系式；

（2）半經(jīng)驗法—結(jié)合兩相流動基本方程式及實驗方法，確定描述其流動的函數(shù)式；

（3）理論分析—根據(jù)流體力學(xué)的基本方法，理論分析流動的函數(shù)關(guān)系式。

2 取樣器SolidWorks模型的建立

圖1活塞式原油取樣器，包括筒體、筒蓋、筒底、活塞、桿，排氣口，閥門組成。筒蓋、筒底分別固定，連接于筒體的上下兩端，筒底與筒體之間形成靜密封；拉桿拉動活塞沿筒體的縱向軸線上下滑動，活塞和筒體內(nèi)壁形成滑動密封，由密封圈進行密封；筒底外設(shè)螺紋連接處，可以外接軟管，作為被取樣油品的出入口。

圖1 活塞式原油取樣器

Fig.1 Spherical droplets

將桿與活塞進行螺紋連接，密封圈固定于活塞上，整體置于筒體內(nèi)，蓋上壓蓋。使桿、筒體、活塞同心，同時密封圈外徑與筒體內(nèi)徑緊密貼合，保證密封。保證拉桿沿著筒體內(nèi)部上下運動。

3 抽吸速度對于取樣結(jié)果的影響[2]

首先用GAMBIT軟件建立取樣器模型的動態(tài)網(wǎng)格，繼而采用FLUENT軟件中的UDF模塊對取樣器拉桿的運動進行程序的編寫，取樣器中流體為非定常流動，對此情況下的流動情況進行二維仿真計算；

設(shè)置取樣器入口壓力為0.4 MPa，油、氣、水三相流[3]，含水率90%，含氣率1%，油相粘度

μ=3×104 mPa·s，抽吸速度v=0.02 m/s，0.04 m/s，0.06 m/s時的H2S的體積分數(shù)分布圖分別為：

（1）抽吸速度v=0.02 m/s時，當t=3，6，9.5 s時的H2S的體積分數(shù)分布圖為圖2：

圖2 t=3，6，9.5 s時的H2S的體積分數(shù)

Fig. 2 t=3，6，9.5 s the volume fraction of H2S

此時取樣器內(nèi)的含水率為87.8%，含氣率為1.5%。

（2）抽吸速度v=0.04 m/s時，當t=1.5，3，4.75 s時的H2S的體積分數(shù)為圖3：

圖3 t=1.5，3，4.75 s時的H2S的體積分數(shù)

Fig. 3 t=1.5，3，4.75 s the volume fraction of H2S

此時取樣器內(nèi)的含水率為89.5%，含氣率1.3%。

（3）抽吸速度v=0.06 m/s時，t=1，2，3.25 s時的H2S氣體的體積分數(shù)分布圖為圖4：

圖4 t=1，2，3.25 s時的H2S的體積分數(shù)

Fig.4 t=1，2，3.25 s the volume fraction of H2S

此時取樣器內(nèi)的含水率為93.5%，含氣率為1.2%。

由圖2-6可知，相同抽吸速度時，隨著時間t的增加，氣相體積分數(shù)逐漸增多。時間t相同時，隨著抽吸速度的加快，氣相體積分數(shù)逐漸減少，水的體積分數(shù)逐漸增加，并且變化的速率逐漸減慢。

含氣率隨抽吸速度的變化曲線為圖5。

圖5 含氣率隨抽吸速度變化的曲線（1）

Fig.5 The change curve of gas rate with suction speed（1）

含氣率隨抽吸速度的變化曲線為圖6。

4 結(jié)論及建議

本文通過對取樣器進行運動學(xué)與動力學(xué)的理論分析[4]，得到了取樣器的的幾何參數(shù)。通過對以上的理論基礎(chǔ)和SolidWorks軟件的應(yīng)用，實現(xiàn)了取樣器三維模型的建立。然后利用UDF模擬取樣器內(nèi)部流體的運動規(guī)律，并用FLUENT對流場進行數(shù)值模擬，分別計算在不同抽吸速度下氣相體積分數(shù)的云圖，并計算最終的含氣率與含水率。得出以下結(jié)論：抽吸速度對于最終的氣體含量也具有很大的影響，隨著抽吸速度的加快，最終氣體的含量減少。綜上所述，以取樣器內(nèi)流體的仿真運動為研究基準分析了抽吸速度對于氣體含量的影響[5]，這對于取樣時合理進行操作以及取樣器的流場分析具有一定的參考意義。

圖6 含氣率隨抽吸速度的變化曲線（2）

Fig.6 The change curve of gas rate with suction speed（2）

參考文獻：

[1]金忠臣，楊川東，張守良，等. 采氣工程[M]. 北京：石油工業(yè)

出版社，2004.

[2]馮翠菊，王春生，張黌. 天然氣井下渦流工具排液效果影響因素分析[J]. 石油機械， 2013 （1）： 78-81.

[3]樂宏，唐建榮，葛有琰，等. 排水采氣工藝技術(shù)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2011.

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[5]Dougherty Sr G A，F(xiàn)ehn B J，Smith T B. Apparatus and method for creating a vortex flow： US Patent 4，7，160，02[P].2007-01-09.

中核集團或重啟廣東核燃料項目

中國核工業(yè)集團（下稱“中核集團”）或?qū)⒅貑⒃趶V東省的核燃料產(chǎn)業(yè)園項目。中核集團此前在廣東江門建設(shè)的核燃料產(chǎn)業(yè)園項目曾在2013年因受質(zhì)疑而下馬。

據(jù)第一財經(jīng)日報7月21日消息，廣東省發(fā)改委在7月13日印發(fā)的《關(guān)于加快推進我省清潔能源建設(shè)的實施方案》（下稱《方案》）的通知顯示，“加快建設(shè)核燃料產(chǎn)業(yè)園項目，積極協(xié)調(diào)中核集團、中廣核集團并爭取國防科工局等相關(guān)部門支持，推進核燃料產(chǎn)業(yè)園項目盡快落戶我省并加快建設(shè)?！?/p>

廣東省發(fā)改委官網(wǎng)還顯示，上述核燃料產(chǎn)業(yè)園項目是集中建設(shè)核燃料轉(zhuǎn)化、濃縮、元件制造一體化項目，項目業(yè)主為中核集團和中國廣核集團。上述計劃表顯示，該項目在最近三年內(nèi)的總投資為27.3億元，即2015年投資4.3億元，2016年投資8億元，2017年投資15億元。

目前，除了廣東之外，河北也正在計劃建設(shè)同樣的核燃料產(chǎn)業(yè)園項目。自從2014年以來，中核集團高層已經(jīng)與河北官方就滄州中國核工業(yè)集團公司核燃料產(chǎn)業(yè)園建設(shè)項目進行多次接觸。河北省人民政府網(wǎng)2014年公布的《中國核工業(yè)集團公司核燃料產(chǎn)業(yè)園建設(shè)項目環(huán)境影響評價公告》顯示，中核集團在河北規(guī)劃的核燃料產(chǎn)業(yè)園計劃2015年內(nèi)開工建設(shè)首批項目，建設(shè)總投資初步估計約400億元，該項目是為了服務(wù)國內(nèi)外核電市場，成為國際上占有重要市場份額的核燃料供應(yīng)強國。

隨著核電重啟，中國需要更多的核燃料。中國工程院院士、核安全專家阮可強表示，盡管目前國內(nèi)的核燃料能夠滿足正在運行的核電機組的需求，但隨著在建核機組的不斷投產(chǎn)，以及新一輪規(guī)模發(fā)展核電的啟動，國內(nèi)所需核燃料正在與日俱增。阮可強表示，中國核電“走出去”也需要足夠的核燃料的支持。

A股中中國核工業(yè)集團旗下上市公司中核科技，后期或直接受益于核燃料項目的重啟，東方鋯業(yè)、寶鈦股份等核燃料生產(chǎn)商后期也將間接受益于核燃料項目的建設(shè)的推進。