105 MPa抗硫井下節(jié)流器研制及數(shù)值模擬實驗

許定江， 江 源， 楊云山， 喻成剛， 李 奎， 謝 嘉

1中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室3中國石油西南油氣田公司川中油氣礦

0 引言

井下節(jié)流技術(shù)的應(yīng)用起源于上個世紀(jì)80年代，國內(nèi)主要應(yīng)用于西南、勝利、長慶、新疆等油田[1-3]，特別是在川中須家河得到了大規(guī)模應(yīng)用[4-5]。為了進(jìn)行高壓天然氣節(jié)流，目前主要形成了地面節(jié)流工藝和井下節(jié)流工藝[6-7]。地面節(jié)流會產(chǎn)生額外的加熱用氣，需要配套水套爐等設(shè)備以提高氣流溫度，或者加入抑制劑，以避免形成水合物堵塞管線。地面節(jié)流需要專人值守[8]，地面節(jié)流前端依然具有高壓風(fēng)險。而井下節(jié)流工藝可以利用地?zé)釡囟燃訜崃黧w，井筒內(nèi)不會形成水合物堵塞油管，從而實現(xiàn)井口及地面管路的的壓力降低，具有顯著的成本和效率優(yōu)勢[9-10]。井下節(jié)流技術(shù)需要將井下節(jié)流器下入生產(chǎn)管柱內(nèi)，通常包括活動式和固定式兩種，活動式井下節(jié)流器直接坐封在井筒生產(chǎn)管柱內(nèi)任意位置，無需坐放短節(jié)，而固定型井下節(jié)流器則需要坐放短節(jié)，但是其可靠性更高[11-12]。

西南油氣田已開發(fā)的氣藏中，含硫氣藏占比到了84%，近年來隨著更多高壓及超高壓氣藏的開發(fā)，含硫氣井井口高油壓問題逐漸突出[13]。目前，國內(nèi)已形成了?60.325 mm、?73 mm、?88.9 mm的井下節(jié)流器工具系列，可用于高壓差和凝析油的工作環(huán)境，工具節(jié)流壓差≤70 MPa。但是，隨著勘探開發(fā)的不斷深入，西南油氣田陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了川西飛仙關(guān)氣藏、長興組氣藏、棲霞組氣藏和茅口組氣藏等異常超高壓氣藏。以川西地區(qū)九龍山區(qū)塊茅口組某氣井為例，其關(guān)井壓力為107.89 MPa，H2S分壓為0.98 MPa，同時具有井口壓力高、測試產(chǎn)量高、硫化氫含量高的特點。含硫及井口超高壓對安全生產(chǎn)提出更高的要求，現(xiàn)有的井下節(jié)流器并不能滿足現(xiàn)場井下節(jié)流工藝技術(shù)要求。因此，開展節(jié)流壓差達(dá)到105 MPa的井下節(jié)流器的研制對于超高壓氣井的開發(fā)具有十分重要的意義。

1 節(jié)流器結(jié)構(gòu)及特點

西南油氣田工程技術(shù)研究院主要根據(jù)九龍山構(gòu)造以及雙魚石構(gòu)造氣藏的現(xiàn)場參數(shù)(井口壓力、原始地層壓力、H2S含量、氣層溫度)進(jìn)行105 MPa抗硫井下節(jié)流器的研制。如圖1所示的105MPa抗硫井下節(jié)流器采用CAD/CAE一體化設(shè)計，主要包括打撈頸、卡瓦、嘴套等部分，可以安裝不同內(nèi)徑的節(jié)流噴嘴，是一種固定式井下節(jié)流器。該節(jié)流器采用三卡瓦結(jié)構(gòu)，設(shè)置有相應(yīng)的運動機(jī)構(gòu)，以保證工具運行的穩(wěn)定性，工具坐放及打撈作業(yè)均采用鋼絲作業(yè)。

圖1 105 MPa抗硫井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)示意圖

2 節(jié)流器室內(nèi)實驗

2.1 抗硫材料腐蝕實驗及選擇

采用ISO 15156-1、ISO 15156-2、ISO 15156-3中關(guān)于石油和天然氣生產(chǎn)中含H2S環(huán)境使用材料的選取標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)工具現(xiàn)場應(yīng)用條件及參數(shù)，不銹鋼材料不能滿足要求，可選擇耐蝕合金作為工具材料。這里初選沉淀硬化的鎳基合金A和B作為工作筒和節(jié)流器本體材料，C作為壓簧材料。

針對A、B、C三種材料開展腐蝕評價實驗。實驗條件為T=120 ℃、H2S分壓為7.5 MPa、CO2分壓為5 MPa、Cl-濃度為170 000 mg/L。實驗720 h后取出試件，用丙酮清洗干凈。A、B、C三種試件表面光亮，用顯微鏡放大100倍觀察，試件表面無裂紋。設(shè)計執(zhí)行JB/T 7901-2001《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，稱重后發(fā)現(xiàn)腐蝕速率小于0.01 mm/a，材料均滿足設(shè)計要求。因B材料的機(jī)械性能要低于A，為提高工具強(qiáng)度，所以這里選擇B材料作為節(jié)流器本體及工作筒材料，選擇彈性更好的C材料作為壓簧材料。

密封件是保證節(jié)流器密封性能的重要元件，也需要進(jìn)行材質(zhì)的優(yōu)選和實驗。借鑒國外密封件制造公司經(jīng)驗，選擇KE-2、KE-3、KG-3、KLZ-1、KLZ-2氟橡膠進(jìn)行室內(nèi)實驗評價。實驗條件為：T=150 ℃、H2S分壓為1.0 MPa、CO2分壓為1.4 MPa、Cl-濃度為170 000 mg/L，浸泡72 h。KE-2、KE-3、KG-3浸泡72 h后均出現(xiàn)鼓泡，而KLZ-1、KLZ-2則表面依舊光滑、機(jī)械性能良好，需繼續(xù)進(jìn)行力學(xué)性能測試。

表1為浸泡前后的KLZ-1、KLZ-2橡膠力學(xué)性能測試的數(shù)據(jù)結(jié)果，從中可以看出KLZ-1相比KLZ-2浸泡前后的各項力學(xué)性能都更好。因此，選擇力學(xué)性能最好的KLZ-1作為密封件材料，圖2是用于實驗的KLZ-1 密封件試片。

圖2 KLZ-1密封件試片實物圖

表1 橡膠力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)

2.2 高溫密封承壓實驗

開展了室內(nèi)高溫密封承壓實驗，以驗證105 MPa抗硫井下節(jié)流器在150 ℃環(huán)境溫度和105 MPa節(jié)流壓差工況下的密封承壓性能。實驗采用高溫高壓井下工具實驗系統(tǒng)，實驗過程如下：首先將105 MPa抗硫井下節(jié)流器下端用試壓堵頭堵住，將工具坐封于配套的工作筒中，將工作筒安裝在高溫高壓井下工具實驗井筒中。隨后對工具注入氣體打壓至13 MPa，升溫至150 ℃后保持溫度不變，然后逐步加壓至35 MPa、70 MPa，最后升壓至105 MPa，并穩(wěn)壓15 min。

泄壓完成后，操作人員可通過震擊器直接將節(jié)流器取出，并得到了如圖3所示的密封承壓實驗曲線，該曲線中105 MPa下保壓時間為15 min，壓降為0.6 MPa。實驗結(jié)果表明：節(jié)流器在該溫度及壓力條件下，膠筒等密封件未發(fā)現(xiàn)形變和失效，節(jié)流器在工作筒中坐封正常，工具承壓差能力合格。通過室內(nèi)實驗雖然可以驗證工具的耐腐蝕性以及高溫密封承壓性能，但是在地面開展105 MPa壓差的節(jié)流試驗是不太現(xiàn)實的，不僅實驗成本較高且危險性極大。得益于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以利用數(shù)值模擬的方法開展仿真實驗研究確定工具的節(jié)流效果[14]、流場分布以及沖蝕磨損規(guī)律[15-16]，大幅降低工具現(xiàn)場試驗風(fēng)險。

圖3 密封承壓實驗曲線

3 流體力學(xué)計算模型的建立

開展節(jié)流器數(shù)值模擬實驗，首先需要建立該型節(jié)流器的等比例流體力學(xué)計算模型。流場計算模型如圖4所示，流域計算模型長度為3.3 m，入口壓力為120 MPa，節(jié)流噴嘴內(nèi)徑為7 mm，節(jié)流噴嘴長度為20 mm，地層溫度取363.15 K，考慮了天然氣的可壓縮性以及與地層間的熱交換。為了提高模型計算準(zhǔn)確性，模型通過多次剖分，實現(xiàn)了全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，節(jié)流嘴附近進(jìn)行了局部加密，保證了模型重點部位的計算精度。模型網(wǎng)格單元共158 230個，全部為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量較好，完全滿足流體動力學(xué)計算的網(wǎng)格精度要求。模型計算采用Standard k-epsilion湍流模型，流體為理想氣體，離散相計算考慮與主相間相互作用。

圖4 流場計算模型

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 節(jié)流器流場模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬實驗，得到節(jié)流器內(nèi)部壓力場分布如圖5所示。從圖5中可以看出節(jié)流器節(jié)流效果顯著，節(jié)流氣體流動穩(wěn)定后壓降能夠達(dá)到105 MPa左右，節(jié)流后壓力可以滿足15 MPa的指標(biāo)要求。工具過渡段流道和主流道的直徑基本是在一個數(shù)量級，所以未見明顯的壓力梯度變化，從局部放大的云圖可以看出，壓力梯度的變化主要都出現(xiàn)在節(jié)流噴嘴位置。

圖5 流場壓力分布云圖

為了更加清楚的展示工具內(nèi)部的壓力變化趨勢，沿工具中心線位置的壓力變化曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，從入口到出口段(3.3～0 m)，壓力在節(jié)流位置是斷崖式的突降，出節(jié)流噴嘴后在過渡段有小幅度的上升，最后穩(wěn)定到15 MPa的出口壓力，過渡段和主流道段壓力變化不明顯。

圖6 節(jié)流器中心線位置壓力分布

從圖7中可以看出，密度場分布規(guī)律與壓力場分布規(guī)律類似，表明理想氣體壓力與密度間呈正比例關(guān)系。由于天然氣的可壓縮性顯著，節(jié)流后氣體密度只有節(jié)流前密度的12.54%。整個流場氣體最大密度為638 kg/m3，最小氣體密度為66.4 kg/m3。

圖7 流場剖面氣體密度分布

圖8為流場剖面速度分布云圖，顯示天然氣最大流速為793 m/s，出現(xiàn)在節(jié)流噴嘴前端位置，并形成了約6 cm長的高速區(qū)域段，節(jié)流噴嘴前端未見明顯的激波產(chǎn)生。該井模擬結(jié)果為質(zhì)量流量1.70 kg/s，產(chǎn)量約20.48×104m3/d。為了判斷節(jié)流器是否達(dá)到最大出氣量，還可以采用公式(1)進(jìn)行核算。

(1)

式中:p1—節(jié)流嘴入口壓力，MPa；

d—節(jié)流嘴內(nèi)徑，mm；

γg—氣體相對密度，kg/m3；

T1—節(jié)流嘴入口溫度，K；

Z1—節(jié)流嘴入口氣體偏差系數(shù)；

k—天然氣絕熱指數(shù)。

此外，從圖8中流體跡線分布中可以看出，流體通過節(jié)流噴嘴區(qū)域后，在過渡段和油管段均存在不同程度的紊流現(xiàn)象，其中過渡段紊流更加明顯，該現(xiàn)象和該區(qū)域強(qiáng)烈的能量交換也是密不可分的。

圖8 流場剖面速度分布云圖

流體的溫度場分布主要受到節(jié)流效應(yīng)和壁面溫度的影響，由圖9可以看出，流體的附面層溫度接近地層溫度363.15 K，節(jié)流噴嘴區(qū)域流體溫度急速下降，最大溫度降接近155 K。最低點溫度為221 K，最高溫度376 K，在節(jié)流噴嘴上部區(qū)域形成了長約6 cm的溫度梯度變化區(qū)域。該區(qū)域節(jié)流后的低溫流體與周圍的高溫流體迅速混合，產(chǎn)生了明顯的熱量交換。高速流體始終持續(xù)受到地溫傳熱的影響，即使生成水合物，由于壁面溫度較高，水合物也會迅速融化分解，不會出現(xiàn)水合物堵塞噴嘴的情況。

圖9 流場剖面溫度分布云圖

4.2 節(jié)流器沖蝕及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖10為工具內(nèi)壁面沖蝕速率分布及顆粒運動軌跡示意圖，發(fā)現(xiàn)高沖蝕速率區(qū)域和固相顆粒的滯留有著密不可分的關(guān)系。按照目前初設(shè)的固相質(zhì)量比例(1/1 000)和較小的固相顆粒大小，該節(jié)流器的最大沖蝕速率為2.23×10-7kg/m2·s，高沖蝕速率區(qū)域主要出現(xiàn)與節(jié)流噴嘴相連的過渡段下端面。該節(jié)流噴嘴前端壁面由于采用了9.5 mm長的變徑段，節(jié)流嘴兩端也進(jìn)行了倒角處理，所以節(jié)流噴嘴壁面的沖蝕速率相對較低。對比此前未進(jìn)行節(jié)流噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化的全通徑噴嘴，噴嘴兩端壁面的沖蝕速率降低約32%。

圖10 壁面沖蝕速率分布及顆粒運動軌跡

5 結(jié)論

(1)研制了一種節(jié)流壓差105 MPa、適用于超高壓氣井的固定式抗硫井下節(jié)流器，選取了節(jié)流器本體材料、工作筒材料、密封件材料。

(2)開展了節(jié)流器高溫密封承壓實驗，驗證了工具在150 ℃環(huán)境溫度和105 MPa節(jié)流壓差工況下的密封性及承壓能力。

(3)開展數(shù)值模擬實驗得到了工具的壓力分布、密度分布、速度分布、溫度分布，驗證了其105 MPa壓差節(jié)流效果。

(4)得到了該節(jié)流器的沖蝕速率分布規(guī)律，優(yōu)選了一種節(jié)流噴嘴處沖蝕速率相對較小的節(jié)流噴嘴結(jié)構(gòu)。