天然气井井下节流后物性参数的变化模拟

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1、学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2010年6月第32卷第3期JournalofOilandGasTechnology(J．JPI)Jun．2010Vo1．32No．3天然气井井下节流后物性参数的变化模拟朱红钧，林元华刘辉，朱达江(西南石油大学石油管力学和环境行为重点实验室，四川成都。’。。0)[摘要]基于空气动力学、计算流体力学理论，对天然气井井下节流后的流场与温度场分布进行了模拟，得出了气体温度、压强、流速及密度沿井深的分布曲线，并对局部流场进行了细化分析。模拟发现，

2、井下节流可有效降压，节流嘴处压强经历了减小、增大的过程，并于出t=／下游稳定后，随井深的减小又逐渐减小；密度与压强的变化趋势基本一致；气体节流经历了亚音速一音速一超音速一亚音速的变化过程；温度沿井深的分布趋势与地温梯度基本一致，在节流嘴出口附近存有最小值，但因地温环境和气体粘性作用使温度仍保持一定高度，避免了水合物的形成。模拟结果与工程实际数据符合较好，证实了井下节流工艺降压、保温的特点，实现了流场、温度场分布的可视化，探索了一种方便、快捷的研究方法，为设计、安装节流器与确定操作参数提供了有效的依据[关键词

3、]天然气井；井下节流；流场；温度场；数值模拟[中图分类号]TE375[文献标识码]A[文章编号]1000—9752(2010)O3—0147一O52O世纪8O年代，RogerTailby等人[提出在水平井产层段安装井下节流嘴可有效地控制油井产量，减少水、气的进入。Valbatne等人[2结合数值模拟和经验公式，引人井筒阻力、节流嘴压降等因素计算了产量和沿程压强，对比了有无节流嘴的压强分布。现场工艺计算仍常采用Brown]的焓熵图图解法，但缺乏通用性和计算的连续性。于是，Ros]、P．oettman]、Ash

4、fordl6等进行了数学模型的大量研究，但模型都是在一定假设条件下推导得出，与工程实际存在一定的差距。国内，刘鸿文等l7推导了节流嘴的最小下入深度及忽略能量损失得出的流量关系式，但没有整个井筒内压强、温度的分布情况。郭春秋等～”在假设气体动能相对焓值较小、忽略能量损失的条件下，建立了气井井下节流压强、温度预测模型。然而，李玉星[】胡指出节流前后温差较大，动能项不能简单忽略。蒋代君t对节流临界状态的判别方法进行了理论分析，以确定实际流态。然而，有关井下节流嘴的应用机理，用于设计计算的节流嘴模型还模糊不清或与实

5、际存在差距，井下节流后全井段流场分布的报道也很少。笔者基于空气动力学、计算流体力学理论，模拟得出了天然气井井下节流后的流场与温度场，给出了气体温度、压强、流速及密度沿井深的分布曲线，并对局部流场进行了细化分析。1研究问题及模型参考川渝地区井下节流工艺的实际参数【，选用适于2in(73ram)油管的固定型井下节流器，节流嘴孑L径1．6ram，高度20cm，在3000m生产井中安装深度为2000m；井底产层压强25MPa，井口压强1．4MPa；井口环境温度2O℃，地温梯度3C／100m；天然气相对密度0．667

6、9，比热容2222J／(kg·K，导热系数0．O332w(m·K)，动力粘度1．087×10Pa·s。建立几何模型与网格划分如图1所示。天然气视为可压缩流体，并考虑粘热效应。计算基于有限体积法l_l，选用SIMPLE法进行压强[收稿日期]2009～07—02[基金项目]新世纪优秀人才支持计划项目(NCET一08—0907)；四川省杰出青年学科带头人培养基金项目(O6ZQO26028)中国石油天然气集团公司应用基础研究项目(2008A一3005)。[作者简介]朱红钧(1983一)，男，2007年大学毕业，硕士

7、，讲师，现主要从事油气计算流体力学的教学与科研工作。学兔兔www.xuetutu.com石油天然气学报(江汉石油学院学报)2010年6月速度耦合，离散为二阶迎风格式，模型为可实现模型]。其控制方程为：(1)P警一去[(Ok一一y(2)．o塞一去[(+)去]+一zG式中，k为单位质量湍动能，m／s。；e为单位质量湍动能耗散率，ITI／s。；』D为流体密度，kg／m。；t为时问，S；(一1，2，3)代表3个方向；S为平均应变率，S；为分子动力粘性系数，Pa·S；为湍流粘性系数，Pa·S；u为分子运动粘性系数，m

8、／s；G为平均速度梯度引起的湍动能，N／(m·s)；G为浮力影响引起的湍动能，N／(m。·s)；y为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响，kg／(rn·s。)；Cl、C2、C3、k、为常数，取C1一1．44，C2—1．9，C一1，k=1．0，O"E—1．2；C1为经验常数，c一max43，l。图1几何模型与网格划分2数值结果与分析}一，，●量000N●I．T■I．●●●●．-{旨0II1000_【图2为安装井下节流