新型井下节流器的性能分析

马 广，姜 辛，刘 豪，刘 辉

（西安石油大学机械工程学院，西安 710065）

0 引言

井下节流技术是我国在天然气综合开采技术领域里一个重要技术分支，其综合发展应用的速度主要取决于与其密切相关的配套开发设备和工艺流程的综合应用发展速度。因此在我国天然气资源开采设备工艺中和在配套设备的行业中发展推进的速度也将会很大程度上影响我国在天然气资源开采设备行业的健康发展。目前井下节流技术是我国一项气田资源的开采中“低成本开发维护”的发展战略标志性关键技术。井下节流器是在气田使用中较广的一种设备[1-2]，其中一个节流技术的关键点就是节流器的正确放置，经过了数以千计的技术人员的努力，现在的井下节流技术发展得已经较为成熟，但是在井下节流器的打捞与投放等方面还亟待改进，现在常用的井下节流器大体上都是通过钢丝绳投放来直接实现设备投捞作业的，占据了井下节流工艺成本的主要支出部分，今年由于爆发的全球新冠疫情，国际油价大幅暴跌、原油天然气产能严重过剩，导致目前包括中国石化、中国石油、埃克森泰勒美孚等在内的全球主要石油工业公司在第一个交易季度出现了不同程度的亏损，并且在可见的未来还将会持续出现不同程度亏损现象。进而对于整个石油行业来说，想要在这种不容乐观的境况下走出低谷，对于每个环节的工艺流程的把控和生产设备的改进就显得尤为重要。

在一定的压力和温度下，液态天然水与其他组分混合会形成不稳定的微结晶状或乳白色的固体，通常这些固体会凝聚成一种密度在180～190 kg/m3左右的天然气水合物。在预防大量水合物生成方面，现场主要用的是加入抑制催化剂和加热排气管线两种方式，但是由于抑制性试剂的大量添加会增加现场天然气管理的复杂程度，并且在现场无法精确地统计出注入抑制催化剂的数量，并且如果长时间使用抑制性试剂，不仅会使得抑制性试剂的可靠性大幅度降低，更提高了现场采气的成本。应用加热管线采气方式，主要原因是依靠水套加热炉方式进行的加热，这种方法需要依靠不断地供应燃料达到避免水合物质的生成的方法，这也进一步加重了管线在采气时的成本。

气井井下节流采气工艺就是在这种竞争形势下开始得以广泛应用，既能有效地降低气井采气工艺成本又能有效地预防水合物的产生。节流器主要作用是能够有效降低天然气在管道中的输送压力，提升输送流速，增大输送的体积，提升了气井携液输送的能力。基于这些研究问题，本文选择设计了新式预置式节流器。

1 机构与组成原理

1.1 结构组成

井下节流器主要大致可分为两种：活动式井下节流器（图1）和固定式井下节流器（图2），其作用都是减小气井井下的油管横截的面积，从而实现节流效果。两者区别在于，工作时，活动式井下节流器能够装定在井筒任意位置，而固定式节流器只能固定在工作筒所在的位置。

图1 活动式节流器

图2 固定式节流器

新型井下节流器主要是由节流器和工作筒本体组成，工作筒主要功能用来固定节流器本体的外密封筒，节流器主要由锚定机构、密封机构、自掉落气嘴机构以及防砂管组成，结合工作筒配合实现井下节流。

1.2 工作原理

将节流器的工作筒随同油管一同下入到特定的深度，之后将节流器投放到油管内，节流器依靠重力的作用下落到设定的工作筒位置，节流器外壳的凸颈部位与工作筒的凸台发生碰撞，同时在内支撑力的作用下锁块将会与节流器发生相对滑动，从而卡定在工作筒上，即而实现座封，开始工作生产。在井筒内压力逐渐降低时，达到排水期压力，气嘴将会被推离节流器，掉落到防砂罩中，形成中心大通道，此时节流器将不再起到节流作用，而是转化为柱塞坐落器。

气井免钢丝绳投捞井下节流器在装配完成前锁块是处于收缩状态，在投放到井筒内当到达工作筒位置时，锁块将被顶出节流器，从而卡定在工作筒内部，进而节流器固定在工作筒上，胶圈会在节流器重力的作用下卡在工作筒内，从而实现密封，节流器座封完成，实现井下节流的功能。

自掉落气嘴机构在装配前要将弹性装置尽量保持压缩状态，当节流器下入井筒，井内的高压压缩气嘴，弹性装置被进一步压实，在后期井内压力逐渐降低时，此时也作为节流器需要打捞理论的压力点，也是弹性装置的理论受力的平衡点，在井内压力进一步小于理论压力点时，气嘴将会被弹性装置弹出，形成中心大通道。

当到达排水期时，气嘴已经掉落，形成了中心大通道，进而不必将节流器打捞出来，而是将其当成柱塞坐落器与后期的排水采气相关联。

2 主要技术指标

设计的气井免钢丝绳投捞全生命周期井下节流器如图3所示，主要技术指标如下。

（1）外径：小于或等于57 mm；

（2）节流器总长度：小于或等于1 022 mm；

（3）节流压差：小于或等于35 MPa；

（4）适用油管：2-7/8″油管；

（5）气嘴直径范围：2～6 mm。

图3 气井免钢丝绳投捞全生命周期井下节流器

3 节流器模拟分析

为研究自掉落气嘴机构的节流效果，取节流嘴局部区域展开分析。初始条件设立，取环境温度340 K，节流前压力为28 MPa，节流后压力为4 MPa，建立如图4所示的流场分析模型。图中L1为节流嘴的长度；L2为过渡长度；L3为芯杆长度；D1为芯杆和节流嘴内径；D2为过渡空间直径。为研究节流器节流效果，令L1=60 mm，L2=16 mm，L3=42 mm，D1=2 mm，D2=8 mm。

图4 节流器几何模型

流体的流动满足质量、动量和能量守恒定律。又因为流体流动状态为紊流状态，所以应该符合状态方程。首先根据物理模型，再将气嘴简化为二维模型，天然气为可压缩的理想气体，最终得到天然气流动的数学模型[3-4]如下。

（1）质量守恒方程

（2）动量守恒方程

（4）紊特性方程

上面的方程是二维的暂态Navier-Stokes 方程，对层流和紊流都满足但是直接对紊流求解时，对计算机的硬件和软件要求较高，工程上一般不采用这种方法。使用对暂态的N-S 方程进行平均时间处理的措施，之后再添加流体的紊流特性方程。本文使用的是K-ε模型的RNG 形式，补充的K 方程和ε方程如下：

先用Auto CAD 软件中画出气嘴流场分析的几何模型，由于二维模型也是对称的，因此可以简化为模型的一半，再导入ANSYS Workbench 中，使用Mesh 模块来划分网格，产生的网格为结构性网格，在流体参数变化较大的区域适当加密网格。网格划分情况如图5所示[5-6]。

图5 节流器网格模型

4 结果分析

仿真结果如图6～9所示。如图6所示，流体速度在节流出口处速度急剧增大，主要由于节流后压力降低。如图7所示，在节流嘴出口处出现温度急剧降低，低温对节流嘴性能影响较大，关系到水合物的形成和节流嘴是否能够正常工作。如图8所示，受到温度和压强的共同影响，密度场在节流后出口处的密度低于进口处的密度，并趋于一个较为恒定的值。如图9所示，在节流嘴出口处速度较大、压力最低，而动能达到最大值，这说明通过自掉落气嘴机构将压能转化为动能[7]。

图6 静态分布速度云图

图7 静态分布温度云图

图8 静态分布密度云图

图9 静态分布压力云图

5 结束语

（1）提出了一种新型气井井下节流器，结构简单紧凑，应用方便，无需投放工具和打捞工具，在排水采气后期将气嘴打掉，节流器便转化为柱塞坐落器，可直接应用到新开发气井上使用。

（2）基于FLUENT流场分析软件，建立了节流嘴流场分析模型，拟定了流场分析方法。模拟了自掉落气嘴机构在井下的工作情况，为新型节流器投入生产提供了一定参考。