氣井井下節流器沖刷腐蝕數值計算

劉勇峰，劉 俊，李 瑜，李 熹，閆明龍

（中國石油集團工程設計有限責任公司 西南分公司， 四川 成都 610041）

井下節流工藝技術是將井下節流器置于井筒某一適當位置，來實現井筒節流降壓，以充分利用地熱加溫，使節流后氣流溫度高于節流后壓力條件下的水合物形成初始溫度，這樣在井筒內不會形成水合物堵塞，從而達到地面管線壓力降低，控制氣井產量，取消地面加熱保溫裝置的一種采氣工藝技術。與傳統的地上節流工藝相比，它具有非常明顯的優勢[1]。

目前，該技術已經在蘇格里氣田[2]，長慶氣田[3]，川渝氣田[1]，遼河油田[4]得到現場應用，并取得了很好的效果。國內外學者對于井下節流器進行了深入的研究，設計了很多新型的節流器[5-7]，但是主要是針對井下節流器的打撈，密封等問題進行的研究，對于節流器節流嘴使用壽命的研究很少。因為在節流的過程中，節流嘴內的氣體流速非常快，對于節流嘴產生了很嚴重的沖刷腐蝕，會嚴重影響節流器的使用壽命，影響氣田的工作進度。

筆者利用計算流體力學來研究井下節流器節流嘴的沖刷腐蝕，可以為提高井下節流器的使用壽命提高指導。

1 模型的建立

計算流體力學就是用數值計算的方法直接求解描述流體運動基本規律的非線性數值方程組，研究流體運動的規律。它的優勢在于可以給出比較完整的定量研究結果，節省研究成本和工作量，擴大研究的范圍。

1.1 數學模型

流體的流動要遵守基本的定律，主要包括質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，如果流動屬于紊流，還要遵守紊流輸運方程。控制方程就是這些守恒定律的數學描述，天然氣在節流器中的流動也要遵守這些定律，主要控制方程如下：

（1）連續性方程

式中：ρ—混合物的密度；

ui—（x，y）兩個方向上的速度。

（2）動量守恒方程

其中：

算子：

（3）能力守恒方程

式中:Cp—比熱容；

T—溫度；

k—流體的傳熱系數；

ST—流粘性耗散相。

湍流模型的微分方程：

式中：k—湍動能；

Ε—湍流耗散率；

ui—速度張量；

Gk—由于平均速度梯度引起的湍動能產生；

Gb—由于浮力引起的湍動能產生；

YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；

C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

1.2 物理模型

這里以最簡單的固定式節流嘴進行研究，如圖1是物理模型的結構圖。根據文獻[8]提供的氣井井下節流器參數，節流器直徑為62 mm，節流嘴直徑為5.0 mm，入口段節流器長度為100 mm，節流嘴長度為20 mm，出口段長度為300 mm。節流器入口壓力為128.68 MPa，溫度為153.65 ℃，出口為88.35 MPa，溫度為114.9 ℃，天然氣的主要成分為甲烷，流動介質為甲烷。

采用有限體積法對計算區域進行離散，運用SIMPLE 算法來求解上述封閉的非線性偏微分方程組。

圖1 節流器模型Fig.1 Choke model

2 模擬分析

節流器中只有氣體時，產生沖刷腐蝕的主要因素是介質的流動沖刷，導致節流嘴內壁不能形成保護膜，加快金屬氧化物的脫落，這一個因素主要與節流器中介質的流速有關。如圖2所示，為節流器噴嘴壁的剪切應力大小隨節流嘴長度的變化曲線圖。剪切應力的變化趨勢是先變小再變大。

圖2 剪切應力分布曲線圖Fig.2 Distribution curve of shear stress

圖3 入口速度矢量圖（局部放大）Fig.3 Vectorgraph of inlet speed(local amplification)

由圖2可知，在噴嘴入口處剪切應力先降低后逐漸的升高，產生這一現象的主要原因是由于立體流速的變化。如圖3所示為噴嘴入口處流速的矢量圖，在入口處，由于節流器結構的突變，流體流動方向發生變化，速度變大，方向向噴嘴中心流動，由于流體的慣性，在入口處流體主要流向中心，所以在入口的兩邊流體流速不是很大，還有回流的現象。流體在噴嘴內流動，由于流體的粘性，必然要在管壁處形成流體邊界層，邊界層內速度梯度越大，將導致管壁處速度梯度變大，從而引起管壁上的剪切應力變大。噴嘴第一個點直接受流體的沖擊影響，流體速度很大，受到的剪切應力也就最大。隨后幾個點的部位速讀變小，所以剪切應力變小。隨后隨著速度的變大，剪切應力變大。所以，節流嘴內沖刷腐蝕主要發生在入口和節流嘴后端。

3 沖刷腐蝕影響因素分析

圖4 不同入口壓力下最大剪切應力的變化曲線Fig.4 Change curve of the maximum shear stress under different pressure

圖5 不同粘度下最大剪切應力的變化曲線Fig.5 Change curve of the maximum shear stress under different viscosity

對于一個固定的節流器，對其內部流動影響最大的因素就是入口的壓力和流體的粘度，在其它條件不變的情況下，改變入口的壓力，兩個區域的最大剪切應力都隨著入口壓力的上升而變大，這主要是由于入口壓力的上升，噴嘴內流體的速度變大，速度梯度變大，造成剪切應力變大。在其它條件不變，改變流體粘度時，兩個區域的最大剪切應力隨著流體壓力的粘度變大而變大，粘度變大，流體和噴嘴壁之間的摩擦變大（圖4，5）。

4 結 論

根據數值計算的結果，噴嘴的主要磨損部位在入口和噴嘴后端，形成這一現象的原因是噴嘴內流體流速的分布不一樣形成的。噴嘴壁的最大剪切應力隨入口壓力和流體粘度的增加而變大。研究的結果可以為節流器噴嘴設計提供指導。

［1］佘朝毅.井下節流機理研究及現場應用[D].成都：西南石油大學,2004:4-9.

［2］韓丹岫,李相方,侯光東. 蘇里格氣田井下節流技術[J].天然氣工業,2007,27(12): 116-118.

［3］吳革生,王效明,韓東. 井下節流技術在長慶氣田試驗研究及應用[J].然氣工業,2005, 25(4):65-67.

［4］王錦生. 氣井井下節流器工藝技術[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報),2005, 27(3):510-511.

［5］肖述琴,于志剛,商永濱. 新型卡瓦式井下節流器打撈工具研制及應用[J].石油礦場機械,2010,39(12):81-83.

［6］王曉榮,徐文龍,谷成義. 新型氣井井下節流器[J].石油機械,2010,38(12):88-89.

［7］段寶玉,劉力軍,徐曉峰.免鋼絲投撈井下節流器的研制與應用[J].石油鉆采工藝, 2010,33(1):126-128.

［8］劉德生.柯克亞深層凝析氣藏井下節流模擬[D].成都：西南石油大學,2007:51-54.