深海水下采油树流场分析及流阻计算

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1、深海水下采油树流场分析及流阻计算　　摘要：建立500m水深的采油树的流场简化模型，对采油树流场在给定的2种工况下进行分析，评定流体流动和分布特点并计算流阻.分析结果表明：采油树本体在2种工况下的压力和速度变化较均匀，只是在变直径处或直角弯管处会出现湍流现象.　　关键词：采油树；流场；流阻；湍流；有限元；FLUENT　　中图分类号：TE53；TB115.1文献标志码：B　　0引言　　21世纪是海洋的世纪，随着海洋的开发与利用，海洋石油成为热点话题.我国南海海域宽达2×106km2，是世界上四大海洋油气聚集中心之一.我国海洋石油

2、储量约为2.30×1010～3.00×1010t，天然气储量3.38×1014m3.[12]目前，国际海洋石油工程界普遍认可的深水定义是水深300m.[3]我国水深300m以上的海域达1.537×106km2[4]，但大部分尚未被勘探，因此，深海石油的勘探将成为我国未来海洋资源开发的主要方向.　　作为海洋油气开发不可或缺的设备，水下采油树在水下生产系统中起着至关重要的作用.[58]但是，由于我国深水石油的开采起步晚，技术不全面，深水采油树的开发受到限制.长期以来，水下采油树的关键技术被美国FMC和Cameron以及挪威Ake

3、rKvaernerSubsea11三大厂商所垄断，这3家企业占有世界采油树市场90%以上的份额.由于水下采油树的结构复杂，对材料性能和密封技术的要求很高，控制系统和阀等单元部件容易出现问题.目前，国内海洋石油的装备主要靠进口，因此对水下采油树相关技术进行国产化研究，对突破国外技术封锁有重大意义.[911]　　1CAE分析简介　　1.1分析目的和要求　　水下采油树可分为立式和卧式2种，两者的主要区别在于油管悬挂器和闸阀阀组的安装位置不同.[12]本文研究的水下采油树为卧式采油树，其特点是油管挂在采油树本体内，采油树的阀组位于油

4、管挂的侧面，生产油管和油管挂的安装要后于采油树自身.　　采用通用CFD软件FLUENT6.3对采油树流场进行CAE分析，评定流体流动和分布特点，并计算流阻.CAE分析和结果要满足合适的API6A的温度要求：上游18～121℃，下游46～121℃.　　1.2采油树工况　　采油树以节流阀作为整棵树的上下游分界，以流进节流阀的一端为上游，流出节流阀的一端为下游.上、下游油管流道由130.1750mm（518英寸）变为103.1875mm（4116英寸）.　　在采油树实际工作过程中，流道内一般为气液混合相（CO2含量较高，基本没有H

5、2S），其设计使用寿命为20a，设计水深为500m.在流体特别是气体流过节流阀时，由于压差的存在，将产生绝热节现象，即焦耳汤普生效应，节流阀及节流阀下游的设备会受此低温效应的影响，因此上游主要设备（指与流体接触的设备）额定设计温度为18～121℃，下游设备额定设计温度为46～121℃.　　采油树的额定压力为69.0MPa，测试压力为103.511MPa.实际上，节流阀的节流作用及流道孔径由大变小导致下游压力变小，也就是说，在上游负荷达到额定工作压力的时候，下游设备并没有达到额定工作压力.　　1.3分析内容和假设　　根据给定的

6、工作环境，分析各组件关键部位在各种工况下流场的变化规律.　　以当前的计算机计算速度和内存，直接求解NS方程非常困难，故采用雷诺平均方程.　　1.4计算方法　　可压缩流体流动和传热的控制方程可用雷诺平均NS方程表示，把流动变量放入连续性方程和动量方程，并且取一段时间的平均值，即　　ρt+xi（ρui）=0（1）　　t（ρui）+xj（ρuiuj）=-pxi+　　xjμuixj+ujxi-23δijulxl+xj（-ρu′iu′j）（2）　　此方程适用于变密度的气液混合流动，其中-ρu′iu′j称为雷诺压力，可利用Boussin

7、esq假设把雷诺压力与平均速度梯度连续起来，即-ρu′iu′j=μiuiuj+ujxi-23ρk+μtuixiδij（3）Boussinesq假设用在SA模型，kε模型和kω模型中，采用标准的kε湍流方程描述流体在管道内的流动状态，该方程主要基于湍流动能k和扩散率ε，即　　t（ρk）+xi（ρkixi）=　　xjμ+μiσkkxj+Gk+Gb-ρε-YM+Sk（4）　　t（ρε）+xi（ρεμi）=xjμ+μiσεεxj+　　C1εεk（Gk+C3εGk）-C2ερε2k+Sε（5）11　　式中：ρ为流体密度，kg/m3；μ

8、为流体动力黏度；C1ε，C2ε和C3ε为经验常数，取值分别为1.44，1.92和0.99；σk和σε分别为k和ε的普朗特数，取值分别为1.0和1.3.[13]　　此模型包含低雷诺数影响和可压缩影响，适用于混合边界层计算和受壁面限制的流动计算.　　1.5采油树整体分析　　采油树主要组成部分见