稠油井井口采出液密閉取樣器流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

王春生 董國(guó)慶 徐玉建 田明磊 儀記敏 孟珊

摘 要： 在我國(guó)超稠油開采過(guò)程中出現(xiàn)了高濃度的硫化氫氣體，給現(xiàn)場(chǎng)的取樣工作帶來(lái)極大的困擾。目前，國(guó)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(yán)重、以及使用過(guò)程中發(fā)生危險(xiǎn)的幾率大等等弊端，而國(guó)外生產(chǎn)的取樣器價(jià)格昂貴，不能滿足實(shí)際條件下的經(jīng)濟(jì)因素。因此在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備弊端多、國(guó)外設(shè)備價(jià)格高的條件下設(shè)計(jì)一款新型的密閉環(huán)保取樣器是非常有必要的。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的調(diào)研，基于活塞式取樣器的原理，通過(guò)對(duì)目前取樣器裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理的分析，運(yùn)用SolidWorks對(duì)取樣器進(jìn)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(jiǎn)化模型，通過(guò)應(yīng)用FLUENT中動(dòng)網(wǎng)格部分的UDF編寫成功的實(shí)現(xiàn)了液體吸入取樣器內(nèi)部。運(yùn)用FLUENT數(shù)字模擬軟件，通過(guò)對(duì)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(jì)算最終的含氣率與含水率，再對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，獲得抽吸速度對(duì)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(hào)：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guò)程當(dāng)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(guò)程中，蒸汽吞吐方法是行之有效的，但在蒸汽吞吐的過(guò)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(lái)了很多新問(wèn)題。嚴(yán)重威脅到油區(qū)員工的身體健康，并對(duì)環(huán)境造成污染。在取樣時(shí)由于存在大量的硫化氫氣體，并且目前現(xiàn)場(chǎng)使用的取樣器不密閉，會(huì)對(duì)人員安全與環(huán)境帶來(lái)巨大的隱患。

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

1 氣液兩相流動(dòng)特點(diǎn)及處理方法

1.1 氣液兩相流動(dòng)特點(diǎn)

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(yàn)法—根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述某一流動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；

（2）半經(jīng)驗(yàn)法—結(jié)合兩相流動(dòng)基本方程式及實(shí)驗(yàn)方法，確定描述其流動(dòng)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(dòng)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(dòng)活塞沿筒體的縱向軸線上下滑動(dòng)，活塞和筒體內(nèi)壁形成滑動(dòng)密封，由密封圈進(jìn)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(jìn)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(shí)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(yùn)動(dòng)。

3 抽吸速度對(duì)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(dòng)態(tài)網(wǎng)格，繼而采用FLUENT軟件中的UDF模塊對(duì)取樣器拉桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行程序的編寫，取樣器中流體為非定常流動(dòng)，對(duì)此情況下的流動(dòng)情況進(jìn)行二維仿真計(jì)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(shí)的H2S的體積分?jǐn)?shù)分布圖分別為：

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

圖2 t=3，6，9.5 s時(shí)的H2S的體積分?jǐn)?shù)

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

此時(shí)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(shí)，當(dāng)t=1.5，3，4.75 s時(shí)的H2S的體積分?jǐn)?shù)為圖3：

圖3 t=1.5，3，4.75 s時(shí)的H2S的體積分?jǐn)?shù)

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

此時(shí)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(shí)，t=1，2，3.25 s時(shí)的H2S氣體的體積分?jǐn)?shù)分布圖為圖4：

圖4 t=1，2，3.25 s時(shí)的H2S的體積分?jǐn)?shù)

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

此時(shí)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(shí)，隨著時(shí)間t的增加，氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸增多。時(shí)間t相同時(shí)，隨著抽吸速度的加快，氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，水的體積分?jǐn)?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(guò)對(duì)取樣器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的理論分析[4]，得到了取樣器的的幾何參數(shù)。通過(guò)對(duì)以上的理論基礎(chǔ)和SolidWorks軟件的應(yīng)用，實(shí)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，并用FLUENT對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分別計(jì)算在不同抽吸速度下氣相體積分?jǐn)?shù)的云圖，并計(jì)算最終的含氣率與含水率。得出以下結(jié)論：抽吸速度對(duì)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(yùn)動(dòng)為研究基準(zhǔn)分析了抽吸速度對(duì)于氣體含量的影響[5]，這對(duì)于取樣時(shí)合理進(jìn)行操作以及取樣器的流場(chǎng)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）

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中核集團(tuán)或重啟廣東核燃料項(xiàng)目

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

據(jù)第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)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(jìn)我省清潔能源建設(shè)的實(shí)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(xiàng)目，積極協(xié)調(diào)中核集團(tuán)、中廣核集團(tuán)并爭(zhēng)取國(guó)防科工局等相關(guān)部門支持，推進(jìn)核燃料產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目盡快落戶我省并加快建設(shè)。”

廣東省發(fā)改委官網(wǎng)還顯示，上述核燃料產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目是集中建設(shè)核燃料轉(zhuǎn)化、濃縮、元件制造一體化項(xiàng)目，項(xiàng)目業(yè)主為中核集團(tuán)和中國(guó)廣核集團(tuán)。上述計(jì)劃表顯示，該項(xiàng)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(jì)劃建設(shè)同樣的核燃料產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目。自從2014年以來(lái)，中核集團(tuán)高層已經(jīng)與河北官方就滄州中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司核燃料產(chǎn)業(yè)園建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行多次接觸。河北省人民政府網(wǎng)2014年公布的《中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司核燃料產(chǎn)業(yè)園建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)公告》顯示，中核集團(tuán)在河北規(guī)劃的核燃料產(chǎn)業(yè)園計(jì)劃2015年內(nèi)開工建設(shè)首批項(xiàng)目，建設(shè)總投資初步估計(jì)約400億元，該項(xiàng)目是為了服務(wù)國(guó)內(nèi)外核電市場(chǎng)，成為國(guó)際上占有重要市場(chǎng)份額的核燃料供應(yīng)強(qiáng)國(guó)。

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

A股中中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)旗下上市公司中核科技，后期或直接受益于核燃料項(xiàng)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(xiàng)目的建設(shè)的推進(jìn)。