气井井下节流器冲刷腐蚀数值计算

刘勇峰，刘 俊，李 瑜，李 熹，闫明龙

（中国石油集团工程设计有限责任公司 西南分公司， 四川 成都 610041）

井下节流工艺技术是将井下节流器置于井筒某一适当位置，来实现井筒节流降压，以充分利用地热加温，使节流后气流温度高于节流后压力条件下的水合物形成初始温度，这样在井筒内不会形成水合物堵塞，从而达到地面管线压力降低，控制气井产量，取消地面加热保温装置的一种采气工艺技术。与传统的地上节流工艺相比，它具有非常明显的优势[1]。

目前，该技术已经在苏格里气田[2]，长庆气田[3]，川渝气田[1]，辽河油田[4]得到现场应用，并取得了很好的效果。国内外学者对于井下节流器进行了深入的研究，设计了很多新型的节流器[5-7]，但是主要是针对井下节流器的打捞，密封等问题进行的研究，对于节流器节流嘴使用寿命的研究很少。因为在节流的过程中，节流嘴内的气体流速非常快，对于节流嘴产生了很严重的冲刷腐蚀，会严重影响节流器的使用寿命，影响气田的工作进度。

笔者利用计算流体力学来研究井下节流器节流嘴的冲刷腐蚀，可以为提高井下节流器的使用寿命提高指导。

1 模型的建立

计算流体力学就是用数值计算的方法直接求解描述流体运动基本规律的非线性数值方程组，研究流体运动的规律。它的优势在于可以给出比较完整的定量研究结果，节省研究成本和工作量，扩大研究的范围。

1.1 数学模型

流体的流动要遵守基本的定律，主要包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，如果流动属于紊流，还要遵守紊流输运方程。控制方程就是这些守恒定律的数学描述，天然气在节流器中的流动也要遵守这些定律，主要控制方程如下：

（1）连续性方程

式中：ρ—混合物的密度；

ui—（x，y）两个方向上的速度。

（2）动量守恒方程

其中：

算子：

（3）能力守恒方程

式中:Cp—比热容；

T—温度；

k—流体的传热系数；

ST—流粘性耗散相。

湍流模型的微分方程：

式中：k—湍动能；

Ε—湍流耗散率；

ui—速度张量；

Gk—由于平均速度梯度引起的湍动能产生；

Gb—由于浮力引起的湍动能产生；

YM—可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；

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

1.2 物理模型

这里以最简单的固定式节流嘴进行研究，如图1是物理模型的结构图。根据文献[8]提供的气井井下节流器参数，节流器直径为62 mm，节流嘴直径为5.0 mm，入口段节流器长度为100 mm，节流嘴长度为20 mm，出口段长度为300 mm。节流器入口压力为128.68 MPa，温度为153.65 ℃，出口为88.35 MPa，温度为114.9 ℃，天然气的主要成分为甲烷，流动介质为甲烷。

采用有限体积法对计算区域进行离散，运用SIMPLE 算法来求解上述封闭的非线性偏微分方程组。

图1 节流器模型Fig.1 Choke model

2 模拟分析

节流器中只有气体时，产生冲刷腐蚀的主要因素是介质的流动冲刷，导致节流嘴内壁不能形成保护膜，加快金属氧化物的脱落，这一个因素主要与节流器中介质的流速有关。如图2所示，为节流器喷嘴壁的剪切应力大小随节流嘴长度的变化曲线图。剪切应力的变化趋势是先变小再变大。

图2 剪切应力分布曲线图Fig.2 Distribution curve of shear stress

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

由图2可知，在喷嘴入口处剪切应力先降低后逐渐的升高，产生这一现象的主要原因是由于立体流速的变化。如图3所示为喷嘴入口处流速的矢量图，在入口处，由于节流器结构的突变，流体流动方向发生变化，速度变大，方向向喷嘴中心流动，由于流体的惯性，在入口处流体主要流向中心，所以在入口的两边流体流速不是很大，还有回流的现象。流体在喷嘴内流动，由于流体的粘性，必然要在管壁处形成流体边界层，边界层内速度梯度越大，将导致管壁处速度梯度变大，从而引起管壁上的剪切应力变大。喷嘴第一个点直接受流体的冲击影响，流体速度很大，受到的剪切应力也就最大。随后几个点的部位速读变小，所以剪切应力变小。随后随着速度的变大，剪切应力变大。所以，节流嘴内冲刷腐蚀主要发生在入口和节流嘴后端。

3 冲刷腐蚀影响因素分析

图4 不同入口压力下最大剪切应力的变化曲线Fig.4 Change curve of the maximum shear stress under different pressure

图5 不同粘度下最大剪切应力的变化曲线Fig.5 Change curve of the maximum shear stress under different viscosity

对于一个固定的节流器，对其内部流动影响最大的因素就是入口的压力和流体的粘度，在其它条件不变的情况下，改变入口的压力，两个区域的最大剪切应力都随着入口压力的上升而变大，这主要是由于入口压力的上升，喷嘴内流体的速度变大，速度梯度变大，造成剪切应力变大。在其它条件不变，改变流体粘度时，两个区域的最大剪切应力随着流体压力的粘度变大而变大，粘度变大，流体和喷嘴壁之间的摩擦变大（图4，5）。

4 结 论

根据数值计算的结果，喷嘴的主要磨损部位在入口和喷嘴后端，形成这一现象的原因是喷嘴内流体流速的分布不一样形成的。喷嘴壁的最大剪切应力随入口压力和流体粘度的增加而变大。研究的结果可以为节流器喷嘴设计提供指导。

［1］佘朝毅.井下节流机理研究及现场应用[D].成都：西南石油大学,2004:4-9.

［2］韩丹岫,李相方,侯光东. 苏里格气田井下节流技术[J].天然气工业,2007,27(12): 116-118.

［3］吴革生,王效明,韩东. 井下节流技术在长庆气田试验研究及应用[J].然气工业,2005, 25(4):65-67.

［4］王锦生. 气井井下节流器工艺技术[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报),2005, 27(3):510-511.

［5］肖述琴,于志刚,商永滨. 新型卡瓦式井下节流器打捞工具研制及应用[J].石油矿场机械,2010,39(12):81-83.

［6］王晓荣,徐文龙,谷成义. 新型气井井下节流器[J].石油机械,2010,38(12):88-89.

［7］段宝玉,刘力军,徐晓峰.免钢丝投捞井下节流器的研制与应用[J].石油钻采工艺, 2010,33(1):126-128.

［8］刘德生.柯克亚深层凝析气藏井下节流模拟[D].成都：西南石油大学,2007:51-54.