新型井下節(jié)流器的性能分析

馬 廣，姜 辛，劉 豪，劉 輝

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

井下節(jié)流技術(shù)是我國在天然氣綜合開采技術(shù)領(lǐng)域里一個(gè)重要技術(shù)分支，其綜合發(fā)展應(yīng)用的速度主要取決于與其密切相關(guān)的配套開發(fā)設(shè)備和工藝流程的綜合應(yīng)用發(fā)展速度。因此在我國天然氣資源開采設(shè)備工藝中和在配套設(shè)備的行業(yè)中發(fā)展推進(jìn)的速度也將會(huì)很大程度上影響我國在天然氣資源開采設(shè)備行業(yè)的健康發(fā)展。目前井下節(jié)流技術(shù)是我國一項(xiàng)氣田資源的開采中“低成本開發(fā)維護(hù)”的發(fā)展戰(zhàn)略標(biāo)志性關(guān)鍵技術(shù)。井下節(jié)流器是在氣田使用中較廣的一種設(shè)備[1-2]，其中一個(gè)節(jié)流技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)就是節(jié)流器的正確放置，經(jīng)過了數(shù)以千計(jì)的技術(shù)人員的努力，現(xiàn)在的井下節(jié)流技術(shù)發(fā)展得已經(jīng)較為成熟，但是在井下節(jié)流器的打撈與投放等方面還亟待改進(jìn)，現(xiàn)在常用的井下節(jié)流器大體上都是通過鋼絲繩投放來直接實(shí)現(xiàn)設(shè)備投撈作業(yè)的，占據(jù)了井下節(jié)流工藝成本的主要支出部分，今年由于爆發(fā)的全球新冠疫情，國際油價(jià)大幅暴跌、原油天然氣產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，導(dǎo)致目前包括中國石化、中國石油、?？松├彰梨诘仍趦?nèi)的全球主要石油工業(yè)公司在第一個(gè)交易季度出現(xiàn)了不同程度的虧損，并且在可見的未來還將會(huì)持續(xù)出現(xiàn)不同程度虧損現(xiàn)象。進(jìn)而對(duì)于整個(gè)石油行業(yè)來說，想要在這種不容樂觀的境況下走出低谷，對(duì)于每個(gè)環(huán)節(jié)的工藝流程的把控和生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)就顯得尤為重要。

在一定的壓力和溫度下，液態(tài)天然水與其他組分混合會(huì)形成不穩(wěn)定的微結(jié)晶狀或乳白色的固體，通常這些固體會(huì)凝聚成一種密度在180～190 kg/m3左右的天然氣水合物。在預(yù)防大量水合物生成方面，現(xiàn)場(chǎng)主要用的是加入抑制催化劑和加熱排氣管線兩種方式，但是由于抑制性試劑的大量添加會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)天然氣管理的復(fù)雜程度，并且在現(xiàn)場(chǎng)無法精確地統(tǒng)計(jì)出注入抑制催化劑的數(shù)量，并且如果長時(shí)間使用抑制性試劑，不僅會(huì)使得抑制性試劑的可靠性大幅度降低，更提高了現(xiàn)場(chǎng)采氣的成本。應(yīng)用加熱管線采氣方式，主要原因是依靠水套加熱爐方式進(jìn)行的加熱，這種方法需要依靠不斷地供應(yīng)燃料達(dá)到避免水合物質(zhì)的生成的方法，這也進(jìn)一步加重了管線在采氣時(shí)的成本。

氣井井下節(jié)流采氣工藝就是在這種競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下開始得以廣泛應(yīng)用，既能有效地降低氣井采氣工藝成本又能有效地預(yù)防水合物的產(chǎn)生。節(jié)流器主要作用是能夠有效降低天然氣在管道中的輸送壓力，提升輸送流速，增大輸送的體積，提升了氣井?dāng)y液輸送的能力?；谶@些研究問題，本文選擇設(shè)計(jì)了新式預(yù)置式節(jié)流器。

1 機(jī)構(gòu)與組成原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

井下節(jié)流器主要大致可分為兩種：活動(dòng)式井下節(jié)流器（圖1）和固定式井下節(jié)流器（圖2），其作用都是減小氣井井下的油管橫截的面積，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)流效果。兩者區(qū)別在于，工作時(shí)，活動(dòng)式井下節(jié)流器能夠裝定在井筒任意位置，而固定式節(jié)流器只能固定在工作筒所在的位置。

圖1 活動(dòng)式節(jié)流器

圖2 固定式節(jié)流器

新型井下節(jié)流器主要是由節(jié)流器和工作筒本體組成，工作筒主要功能用來固定節(jié)流器本體的外密封筒，節(jié)流器主要由錨定機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、自掉落氣嘴機(jī)構(gòu)以及防砂管組成，結(jié)合工作筒配合實(shí)現(xiàn)井下節(jié)流。

1.2 工作原理

將節(jié)流器的工作筒隨同油管一同下入到特定的深度，之后將節(jié)流器投放到油管內(nèi)，節(jié)流器依靠重力的作用下落到設(shè)定的工作筒位置，節(jié)流器外殼的凸頸部位與工作筒的凸臺(tái)發(fā)生碰撞，同時(shí)在內(nèi)支撐力的作用下鎖塊將會(huì)與節(jié)流器發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而卡定在工作筒上，即而實(shí)現(xiàn)座封，開始工作生產(chǎn)。在井筒內(nèi)壓力逐漸降低時(shí)，達(dá)到排水期壓力，氣嘴將會(huì)被推離節(jié)流器，掉落到防砂罩中，形成中心大通道，此時(shí)節(jié)流器將不再起到節(jié)流作用，而是轉(zhuǎn)化為柱塞坐落器。

氣井免鋼絲繩投撈井下節(jié)流器在裝配完成前鎖塊是處于收縮狀態(tài)，在投放到井筒內(nèi)當(dāng)?shù)竭_(dá)工作筒位置時(shí)，鎖塊將被頂出節(jié)流器，從而卡定在工作筒內(nèi)部，進(jìn)而節(jié)流器固定在工作筒上，膠圈會(huì)在節(jié)流器重力的作用下卡在工作筒內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)密封，節(jié)流器座封完成，實(shí)現(xiàn)井下節(jié)流的功能。

自掉落氣嘴機(jī)構(gòu)在裝配前要將彈性裝置盡量保持壓縮狀態(tài)，當(dāng)節(jié)流器下入井筒，井內(nèi)的高壓壓縮氣嘴，彈性裝置被進(jìn)一步壓實(shí)，在后期井內(nèi)壓力逐漸降低時(shí)，此時(shí)也作為節(jié)流器需要打撈理論的壓力點(diǎn)，也是彈性裝置的理論受力的平衡點(diǎn)，在井內(nèi)壓力進(jìn)一步小于理論壓力點(diǎn)時(shí)，氣嘴將會(huì)被彈性裝置彈出，形成中心大通道。

當(dāng)?shù)竭_(dá)排水期時(shí)，氣嘴已經(jīng)掉落，形成了中心大通道，進(jìn)而不必將節(jié)流器打撈出來，而是將其當(dāng)成柱塞坐落器與后期的排水采氣相關(guān)聯(lián)。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的氣井免鋼絲繩投撈全生命周期井下節(jié)流器如圖3所示，主要技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）外徑：小于或等于57 mm；

（2）節(jié)流器總長度：小于或等于1 022 mm；

（3）節(jié)流壓差：小于或等于35 MPa；

（4）適用油管：2-7/8″油管；

（5）氣嘴直徑范圍：2～6 mm。

圖3 氣井免鋼絲繩投撈全生命周期井下節(jié)流器

3 節(jié)流器模擬分析

為研究自掉落氣嘴機(jī)構(gòu)的節(jié)流效果，取節(jié)流嘴局部區(qū)域展開分析。初始條件設(shè)立，取環(huán)境溫度340 K，節(jié)流前壓力為28 MPa，節(jié)流后壓力為4 MPa，建立如圖4所示的流場(chǎng)分析模型。圖中L1為節(jié)流嘴的長度；L2為過渡長度；L3為芯桿長度；D1為芯桿和節(jié)流嘴內(nèi)徑；D2為過渡空間直徑。為研究節(jié)流器節(jié)流效果，令L1=60 mm，L2=16 mm，L3=42 mm，D1=2 mm，D2=8 mm。

圖4 節(jié)流器幾何模型

流體的流動(dòng)滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律。又因?yàn)榱黧w流動(dòng)狀態(tài)為紊流狀態(tài)，所以應(yīng)該符合狀態(tài)方程。首先根據(jù)物理模型，再將氣嘴簡化為二維模型，天然氣為可壓縮的理想氣體，最終得到天然氣流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型[3-4]如下。

（1）質(zhì)量守恒方程

（2）動(dòng)量守恒方程

（4）紊特性方程

上面的方程是二維的暫態(tài)Navier-Stokes 方程，對(duì)層流和紊流都滿足但是直接對(duì)紊流求解時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件和軟件要求較高，工程上一般不采用這種方法。使用對(duì)暫態(tài)的N-S 方程進(jìn)行平均時(shí)間處理的措施，之后再添加流體的紊流特性方程。本文使用的是K-ε模型的RNG 形式，補(bǔ)充的K 方程和ε方程如下：

先用Auto CAD 軟件中畫出氣嘴流場(chǎng)分析的幾何模型，由于二維模型也是對(duì)稱的，因此可以簡化為模型的一半，再導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，使用Mesh 模塊來劃分網(wǎng)格，產(chǎn)生的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，在流體參數(shù)變化較大的區(qū)域適當(dāng)加密網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分情況如圖5所示[5-6]。

圖5 節(jié)流器網(wǎng)格模型

4 結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖6～9所示。如圖6所示，流體速度在節(jié)流出口處速度急劇增大，主要由于節(jié)流后壓力降低。如圖7所示，在節(jié)流嘴出口處出現(xiàn)溫度急劇降低，低溫對(duì)節(jié)流嘴性能影響較大，關(guān)系到水合物的形成和節(jié)流嘴是否能夠正常工作。如圖8所示，受到溫度和壓強(qiáng)的共同影響，密度場(chǎng)在節(jié)流后出口處的密度低于進(jìn)口處的密度，并趨于一個(gè)較為恒定的值。如圖9所示，在節(jié)流嘴出口處速度較大、壓力最低，而動(dòng)能達(dá)到最大值，這說明通過自掉落氣嘴機(jī)構(gòu)將壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能[7]。

圖6 靜態(tài)分布速度云圖

圖7 靜態(tài)分布溫度云圖

圖8 靜態(tài)分布密度云圖

圖9 靜態(tài)分布?jí)毫υ茍D

5 結(jié)束語

（1）提出了一種新型氣井井下節(jié)流器，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，應(yīng)用方便，無需投放工具和打撈工具，在排水采氣后期將氣嘴打掉，節(jié)流器便轉(zhuǎn)化為柱塞坐落器，可直接應(yīng)用到新開發(fā)氣井上使用。

（2）基于FLUENT流場(chǎng)分析軟件，建立了節(jié)流嘴流場(chǎng)分析模型，擬定了流場(chǎng)分析方法。模擬了自掉落氣嘴機(jī)構(gòu)在井下的工作情況，為新型節(jié)流器投入生產(chǎn)提供了一定參考。