深水钻井防喷器温度场数值模拟研究

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第41卷第3期石油钻探技术Vo1．41No．32013年5月PETROLEUMDRILLINGTECHNIQUESMay，2013．_深水钻井完井专题doi：10．3969／j．issn．1001—0890．2013．03．009深水钻井防喷器温度场数值模拟研究赵欣欣，吴雪峰，高永海，李昊，郭艳利(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛266580)摘要：深水防喷器所处环境为低温高压，如有气侵出现，容易在防喷器位置生成天然气水合物，阻塞防喷器，产生井12安全隐患。为此，结合深水钻井工况，建立了深水钻井条件下闸板防喷器与环形防喷器的三维空间模型，并利用Fluent软件进行了温度场数值模拟，得到了防喷器不同位置的温度场分布。在此基础上，结合天然气水合物生成条件分析了防喷器的温度场分布，以及加热管对防喷器温度场的影响规律，并优选了加热管的布置位置。结果表明，在模拟环境条件下，闸板防喷器横向位置依靠防喷器通径内壁加热即可满足天然气水合物预防要求，在纵向侧面1／4处布置加热管效果较好；管线数量对环形防喷器温度场的影响很大，为满足温度高于天然气水舍物形成温度的要求，可以将优化加热管数量与保温措施结合起来进行。关键词：深水钻井防喷器温度分布数值模拟天然气水合物中图分类号：TE52；TE921‘。．5文献标识码：A文章编号：1001—0890(2013)03—0046—05NumericalSimulationofTemperatureDistributionofBlowoutPreventersinDeepwaterDrillingZhaoXinxin，WuXuefeng，GaoYonghai，LiHao，GuoYanli(SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Huadong)，Qingdao，Shandong，266580，China)Abstract：Incaseofgascutting，hydrateislikelytoformindeepwaterblowoutpreventersduetolOWtemperatureandhighpressureandblocktheblowoutpreventers，whichmightcomposesafetythreatatwellhead．Combiningdeepwaterdrillingconditions，3Dmodelsoframpreventersandannularblowoutpre—ventersindeepwaterdrillingconditionwerebuilt—up，andnumericalsimulationoftemperaturefieldwasperformedtoobtainthetemperaturedistributionacrossthepreventer．Thenoptima1heatinglocationsofpipeswerechosenaccordingtotheeffectofheatingpipeonblowoutpreventertemperaturefield．ResultshowedinthesimulatedtemperaturethatheatingbyannulusitselfinthetransversedirectionoftheramBOP，andheatingpipearound1／4partofthelongitudinalsectioncouldmeettherequirementsofpreven—tinggashydrateformation．QuantityofheatingpipeshaslargeinfluenceonthetemperaturefieldofammlarBOP．Optimizationofpipequantityandinsulationcombinationshouldbeconsideredtokeepthetempera—tureatannularBOPoverhydrateformationtemperature．Keywords：deepwaterdrilling；blowoutpreventer；temperaturedistribution；numericalsimulation；nat—uralgashydrate水下防喷器是保证钻探安全的重要设备之一，收稿日期：2013—03—01；改回日期：2013-05-13。更是开井、关井的关键设备。防喷器处深水的低温作者简介：赵欣欣(1977一)，女，河北涿州人，2000年毕业于山和高压环境，尤其是关井后和开井前的流动间歇极东工程学院机械电子工程专业，2003获石油大学(华东)油气井工程专业硕士学位，讲师，现从事油气井流体力学和传热方面的教学与研易形成天然气水合物，造成防喷器阻塞，产生安全隐究工作。患[1]。因此，必须要对水下防喷器的温度分布进行联系方式：(0532)86981928，zhaox@upc．edu．crl。分析，以研究天然气水合物的分布情况_2]。C．R．基金项目：国家自然科学基金项目“深水钻井中的气液两相流传Lin等人[4]曾经对海底防喷器温度场进行了分析，热规律研究”(编号：51004113)、国家科技重大专项子课题“深水钻井水力学及井控关键技术研究”(编号：2011ZX05026—001～02)、教育部采用三维有限元模型研究了深水防喷器和橡胶密封“长江学者和创新团队发展计划”项目“海洋油气井钻完井理论与工件的温度场分布；同时，还对二维分析结果和三维有程”(编号：1RT1O86)和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目限元分析结果进行了对比，证明两者在温度分布上(编号：l3CX05006A)资助。 第41卷第3期赵欣欣等．深水钻井防喷器温度场数值模拟研究具有相同的趋势；但是，其中并未结合深水环境下容易形成天然水合物的具体情况进行研究。因此，笔者对防喷器的温度场分布进行了模拟，并结合天然气水合物生成温度确定了防喷器中天然气水合物的生成区域，提出了初步的加热方案，以避免天然气水合物在防喷器关键区域生成。1防喷器模型的建立图2模拟的单闸板防喷器几何模型Fig．2Geometricmodelofthesingleran]BOP防喷器可分为闸板防喷器和环形防喷器。用长方体模拟单闸板防喷器，圆柱体来模拟环形防喷器。中心圆柱空腔为防喷器通径，取实际尺寸，用以安放钻杆和密封胶塞。采用Gambit软件进行防喷器建模与网络划分。1．1几何模型1_1．1闸板防喷器以CAMERON公司的一款闸板防喷器为原型建图3环形防喷器实际结构模。防喷器通径为346．1rnm，钻杆尺寸为139．7irfn。Fig．3SturctureoftheannularBOP该防喷器的结构和尺寸如图1所示。模型如图4所示。图4中，中心圆柱为防喷器通径，尺寸为539．8mm，用于安放钻杆和密封胶哪咽ll0塞；分布的4个直径80InIn的小圆柱为加热管，圆心坐标分别为(463．5ITIIn，0mm)、(Omm，463．5rnm)、(一463．5mm，0ram)和(0mm，一463．5ram)，用以提供模拟热源。图1闸板防喷器买际结构Fig．1StructureoftherainBOP为便于运算，将单闸板防喷器简化为一个长方体，模型如图2所示。图2中，中心圆柱为防喷器通径，尺寸为346．1mm；分布的4个直径8Omm的小图4模拟的环形防喷器几何模型圆柱为加热管，用以提供热源。加热端口直径为昏4GeometricmodeloftheannularBOP80mm，圆心坐标分别为(712．5mm，185．0ram)、1．2相关理论模型及边界条件(712．5mitt，一185．0mm)、(一712．5rain，185．0mm)和(-712．5mm，一185．0ram)。因为所建模型中主要为径向传热，所以忽略管道沿轴线方向的传热，分析能量守恒定律可以得出I．1．2环形防喷器其数学模型。以Hydril4539．8mm13．8MPa环形防喷器为防喷器内部为热传导[8]：原型建模，将其简化为一个圆柱体，中心处为通径。1)对于单闸板防喷器模型钻杆尺寸为139．7mm。该防喷器的结构和尺寸如图3所示。()+()+叁()一o㈤ ·5O·石油钻探技术2013年5月24置进行优化，以取得较好的加热效果。计算结果表2O明，在纵向1／4位置布置加热管效果较好。16-：+十缸方方式式加／加热热／＼＼＼／厂7／123)在模拟条件下，环形防喷器在边缘布置4根p8加热管时效果不明显，布置6根加热管能保证环形＼；／舀4防喷器大部分温度高于天然气水合物的生成温度，．—／o一．＼／如要进一步提高环形防喷器的温度，需要结合其他一4保温措施进行。—。一8一一一一_—12至陆睹昱墨由^直／m参考文献图9闸板防喷器的径向温度分布Fig．9Radialtemperaturedistributionofthesingle【1]Shing—MingChen．Unplannedshut—inanddeepwatergashy—ramB0pdrateprevention[R]．OTC20436，2010．[2]苏堪华，管志川，苏义脑．深水钻井水下井口力学稳定性分析筒区域几乎未受加热影响；4x式布置对防喷器有较_J]．石油钻采工艺，2008，30(6)：1-4，15．好的效果，可以使近井筒地带不生成天然气水合物，SuKanhua，GuanZhichuan，SuYinao．Mechanicalstability是一种比较理想的加热布置方式。analysisofsubseawellheadfordeepwaterdrilling[J]．OilDrilling&ProductionTechnology，2008，30(6)：1—4，15．对于环形防喷器，取较低的径向温度跟10MPa[3]王定亚，邓平，刘文霄．海洋水下井口和采油装备技术现状及发下天然气水合物的生成温度进行比较，结果如图10展方向[J]．石油机械，2011，39(1)：75-79．WangDingya，DengPing，LiuWenxiao．Technologyandtrend所示。ofsubseawellheadandproductionequipment[J]．ChinaPetro—6leumMachinery，2011，39(1)：75-79．4[4]LinCR，BunchPD，LiYousun，eta1．Thermalanalysisof2，subseablowoutpreventer[R]．OTC6999，1992．O．、．．[51许亮斌，张红生，周建良，等．深水钻井防喷器选配关键因素分O一2析[J]．石油机械，2012，40(6)：49-53．一4XuLiangbin，ZhangHongsheng，ZhouJianliang，eta1．Analysis一6．一不加热＼＼＼、ofthekeyfactorsforconfiguringdeepwaterdrillingBOP[J]．一内置加热。：宣—8ChinaPetroleumMachinery，2012，40(6)：49—53．—10[6]曹式敬．超深水防喷器组及其控制系统配置探讨口]．石油钻探—12技术，2012，40(5)：115—118．-14CaoShijingDiscussiononconfigurationofsubseaBOPstackanditscontrolsysteminultra—deepwater[J]．PetroleumDrill—图10环形防喷器的径向温度分布ingTechniques，2012，40(5)，】15—118．Fig．10RadialtemperaturedistributionoftheannularBOP[73谢新设，秦疆，张宝彦，等．FZ35—105防喷器的研制与应用[J]．石油钻探技术，2009，37(4)：65—67．由图10可知：在模拟环境条件下，沿边缘均匀XieXinshe，QinJiang，ZhangBaoyan，eta1．Studyandapplica—布置的4根加热管加热效果不明显，虽然比未加热tionofFZ35—105blowoutpreventer[J]．PetroleumDrillingTechniques，2009，37(4)：65—67．时整体温度略高，但仅有35的区域在天然气水合[8]高永海，孙宝江，王志远，等．深水钻探井筒温度场的计算与分物的生成温度以上；内置加热时，近井筒约70区析FJ]．中国石油大学学报：自然科学版，2008，32(2)：58—62．域的温度在临界温度以上；布置6根加热管时，防喷GaoYonghai，SunBaojiang，WangZhiyuan，eta1．Calculationandanalysisofwellboretemperaturefieldindeepwaterdrilling器整体温度进一步提高，不会生成天然气水合物的[J]．JournalofChinaUniversityofPetroleum：EditionofNatu—区域约占85，该布置方案加热效果较好。ralScience，2008，32(2)：58-62．[9]唐晓东，陈广明，王治红，等．注空气开采海上稠油井筒传热模型研究Ij]．特种油气藏，2009，16(1)：87—91．5结论TangXiaodong，ChenGuangming，WangZhihong，eta1．Well—boreheattransfermodelofrecoveringoffshoreheavy0ilbyair1)结合水深与天然气水合物的生成温度和压injection[-J~．SpecialOi1andGasReservoirs，2009，16(1)：87—91．力可确定防喷器所需的加热温度，应合理布置加热[1O]任韶然，刘建新，刘义兴，等．多孔介质中甲烷水合物形成与分解实验研究VJ]．石油学报，2009，30(4)：583—587．方式以及保温措施，避免防喷器关键部件发生天然RenShaoran，LiuJianxin，LiuYixing，eta1．Experimental气水合物阻塞。studyonformationanddissociationofmethanehydratein2)闸板防喷器纵向尺寸大于横向，横向依靠防porousmedia[J]．AetaPetroleiSinica，2009，30(4)：583—587．喷器通径内壁加热即可；纵向位置需要对加热管布r编辑令文学]