朱軍龍 李清平 秦 蕊 姚海元

(中海油研究總院有限責(zé)任公司)

0 引 言

近些年，我國已經(jīng)相繼在深水天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域取得了重大突破，2014年第一個(gè)深水氣田荔灣3-1正式投產(chǎn)[1]，2021年第一個(gè)自營深水氣田“深海一號(hào)”順利投產(chǎn)，它們的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中均用到了水下油嘴。水下油嘴作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要部件，用來調(diào)控生產(chǎn)中流體的速度，控制油氣井的關(guān)斷和開啟，其流通性和安全性對(duì)油氣田生產(chǎn)至關(guān)重要[2]。在高壓低溫環(huán)境下工作時(shí)，天然氣流經(jīng)水下油嘴腔體內(nèi)節(jié)流部位，由于流通面積減小，壓力急劇降低，油嘴通道內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流[3]。在節(jié)流效應(yīng)影響下節(jié)流部位溫度急劇降低，通道內(nèi)極易析出凝結(jié)的天然氣水合物，引起油嘴及其下游管道和設(shè)備的冰堵，影響安全生產(chǎn)。

現(xiàn)場案例顯示，在眾多生產(chǎn)事故中，天然氣水合物堵塞是引起事故最主要的因素之一。尤其在深水高壓環(huán)境下，節(jié)流后的壓力同樣高于陸上設(shè)備壓力，加之海底低溫環(huán)境，極易生成天然氣水合物。因此節(jié)流設(shè)備的溫降機(jī)理和溫降規(guī)律越來越受到學(xué)者關(guān)注。

1 水下油嘴節(jié)流效應(yīng)與結(jié)構(gòu)

1.1 水下油嘴節(jié)流效應(yīng)機(jī)理

天然氣流經(jīng)油嘴時(shí)，流通面積驟縮，腔體內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，由于流速很快而無法與外界進(jìn)行充分換熱，造成油嘴下游溫度驟降，該過程稱為節(jié)流效應(yīng)(又稱焦?fàn)?湯姆遜效應(yīng)，即J-T效應(yīng))。節(jié)流效應(yīng)的大小通常用等焓過程中的溫度與壓力變化之比的極限值表示，其值μj稱為絕熱節(jié)流系數(shù)，見式(1)[4]。

(1)

式中：μ為比熱力能，J/kg；cp為比定壓熱容，J/(kg·K)；T為氣體的熱力學(xué)溫度，℃；p為壓力，Pa；V為比體積，m3/kg。

μj由熱力學(xué)能和流動(dòng)功決定，隨壓力、溫度的變化而變化。當(dāng)節(jié)流后溫度降低時(shí)，μj>0，產(chǎn)生節(jié)流冷效應(yīng)；當(dāng)節(jié)流后溫度升高時(shí)，μj<0，產(chǎn)生節(jié)流熱效應(yīng)。對(duì)于理想氣體，節(jié)流前后溫度不變，μj=0，產(chǎn)生零效應(yīng)。天然氣流經(jīng)油嘴節(jié)流后壓力減小，分子間距增大，必須通過吸收熱量來克服分子間吸引力。摩擦和分子間位能增加，產(chǎn)生節(jié)流冷效應(yīng)，造成下游氣體溫度降低。

高壓氣體節(jié)流形成天然氣水合物，給生產(chǎn)安全會(huì)帶來諸多問題：①天然氣節(jié)流引起的溫降效應(yīng)，會(huì)使得天然氣在高壓低溫的管道中遇水凝結(jié)，生成水合物而堵塞管道；②水合物堵塞后油嘴通道更小，形成節(jié)流效應(yīng)惡性循環(huán)，油嘴前端壓力不斷升高，高壓會(huì)威脅管線和井口裝置的安全，縮短其壽命；③調(diào)節(jié)水下油嘴會(huì)對(duì)氣井產(chǎn)生有害激勵(lì)，高壓氣流經(jīng)過水下油嘴時(shí)，由于節(jié)流和界面變化，可能會(huì)引起設(shè)備振動(dòng)[5]。國外學(xué)者對(duì)井下節(jié)流做了大量理論研究[6-14]，天然氣水下節(jié)流機(jī)理目前已經(jīng)比較清晰，針對(duì)不同工況的研究仍在持續(xù)。

水下節(jié)流工藝將油嘴置于流通段適當(dāng)位置以實(shí)現(xiàn)管線的節(jié)流壓降，只有當(dāng)節(jié)流后氣流的溫度高于節(jié)流后壓力條件下水合物形成的初始溫度，管線內(nèi)才不至于引起天然氣水合物堵塞，從而使得地面管線壓力和產(chǎn)氣量得到控制，保障正常生產(chǎn)運(yùn)行。

1.2 水下油嘴結(jié)構(gòu)與節(jié)流模型

水下油嘴結(jié)構(gòu)眾多，從固定式到如今廣泛使用的可調(diào)式，功能逐漸豐富，智能化程度也大大提高。本文以水下常用的籠套式油嘴為研究對(duì)象。水下油嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，作為一個(gè)流動(dòng)控制單位，它主要依靠改變節(jié)流孔的數(shù)量和面積控制流體的流量，進(jìn)而控制壓力和速度等[2]。

圖1 水下油嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of choke valve

圖2為油嘴及流體域結(jié)構(gòu)。圖2中，左圖為將油嘴和流量控制機(jī)構(gòu)視作一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)圖。由于油嘴內(nèi)部籠套結(jié)構(gòu)節(jié)流孔布置多，直接采用ICEM建模會(huì)比較復(fù)雜，所以采用SolidWorks建立流體域作為計(jì)算模型，將該模型保存為x_t格式導(dǎo)入ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界定義。

圖2 油嘴及流體域結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of choke and fluid domain

2 節(jié)流數(shù)值模擬

2.1 模擬工況

水下油嘴的設(shè)計(jì)工況基于1 500 m水深、-29～121 ℃溫度范圍和69 MPa壓力等級(jí)。實(shí)際工作中入口壓力約為35 MPa,出口壓力為10 MPa，入口直徑為139.7 mm(5in),設(shè)計(jì)壽命為20 a。設(shè)置油嘴降壓輸送的常規(guī)流態(tài)來模擬生產(chǎn)實(shí)際中油嘴的壓力和溫度分布與規(guī)律。

2.2 模型建立

采用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后將模型保存為Fluent格式導(dǎo)入計(jì)算。模型采用四面體網(wǎng)格，對(duì)彎管和節(jié)流孔處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。為了更精確地模擬流場在壁面邊界層的效應(yīng)，同時(shí)保證各表面之間網(wǎng)格銜接良好，不出現(xiàn)畸形網(wǎng)格，對(duì)模型表面劃分棱柱網(wǎng)格層，層數(shù)為3，能得到較高質(zhì)量的網(wǎng)格以提高計(jì)算精度。網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 油嘴網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model of choke

2.3 邊界條件

壓力入口邊界：入口壓力p1=35 MPa，溫度T1=277 K；壓力出口邊界：出口壓力p2=10 MPa，溫度T2=230 K；壁面：采用無滑移壁面邊界，設(shè)定壁面為絕熱條件，設(shè)置熱通量和各種流動(dòng)參數(shù)為0。

為了便于研究，在水下油嘴的分析中，對(duì)嘴內(nèi)實(shí)際流動(dòng)問題做出一些假設(shè)，使之簡化，以得到相應(yīng)物理模型。假設(shè)條件如下：

(1)油嘴內(nèi)流體流動(dòng)滿足連續(xù)介質(zhì)模型，即流體由連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)所形成；

(2)由于氣體密度變化較大，將甲烷視為可壓縮氣體；

(3)在實(shí)際流動(dòng)中，節(jié)流嘴內(nèi)的流動(dòng)應(yīng)是不穩(wěn)定流，但是由于不穩(wěn)定流問題的復(fù)雜性以及實(shí)際工程問題中不穩(wěn)定流的運(yùn)動(dòng)要素接近于穩(wěn)定流，所以在研究中假設(shè)為穩(wěn)定流動(dòng)；

(4)假設(shè)整個(gè)流動(dòng)沒有泄漏，滿足質(zhì)量守恒定律；

(5)假設(shè)油嘴內(nèi)的流體速度很快，來不及熱交換，整個(gè)過程為絕熱工況。

3 節(jié)流模擬結(jié)果分析

先建立單相甲烷的節(jié)流模型，模擬理想狀態(tài)下單一氣體的節(jié)流效應(yīng)，得到節(jié)流后的氣體壓力和溫度場分布，再采用VOF模型，建立甲烷-水的兩相流模型，得到兩相流節(jié)流后的壓力和溫度場分布，比較兩者的形成機(jī)理和演變規(guī)律。

3.1 單相氣體

輸入2.3節(jié)提到的邊界條件，模擬結(jié)果如圖4～圖7所示。

模擬結(jié)果顯示：氣體速度在節(jié)流孔前后有較大差異。油嘴上游管段流速保持恒定，當(dāng)氣體進(jìn)入節(jié)流前的腔體內(nèi)部時(shí)，左側(cè)腔體的氣體出現(xiàn)了回流并且流速大于右側(cè)腔體的流速，這是氣體受到入口端籠套壁面的阻擋而導(dǎo)致速度大小和方向都發(fā)生了改變。進(jìn)入節(jié)流孔時(shí)速度急劇增加，最高速度達(dá)到488 m/s，這是節(jié)流前后的巨大壓差導(dǎo)致。節(jié)流孔高速氣體流入下游管段，匯合點(diǎn)的速度甚至高于節(jié)流孔的速度。在節(jié)流孔下游，由于高速流體以拋物線射出，拐角處流速明顯低于其他地方，流速在出口管段的下游趨于平穩(wěn)。

油嘴入口端和腔體內(nèi)壓力恒定且維持入口壓力，靠近入口的腔體上下兩個(gè)端面回流造成的區(qū)域壓力減小，節(jié)流孔內(nèi)壓力急劇下降。出口管段的頂端壓力卻有所回升，這是節(jié)流孔內(nèi)的高速流體在出

圖4 單相甲烷速度分布云圖Fig.4 Cloud chart of velocity distribution of single-phase methane

圖5 單相甲烷壓力分布云圖Fig.5 Cloud chart of pressure distribution of single-phase methane

圖6 單相甲烷溫度分布云圖Fig.6 Cloud chart of temperature distribution of single-phase methane

圖7 單相甲烷密度分布云圖Fig.7 Cloud chart of pressure distribution of single-phase methane

口處發(fā)生碰撞，導(dǎo)致頂端有流速較低的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域壓力高于節(jié)流孔內(nèi)壓力，但是隨著流體進(jìn)入，下游管段流速減小且保持穩(wěn)定。

氣體溫度在進(jìn)入節(jié)流孔后開始急劇下降，最低溫度出現(xiàn)在節(jié)流孔出口處，僅有225 K，最大溫降出現(xiàn)在節(jié)流孔處，達(dá)到53 K。這是節(jié)流后比容升高，分子間距增大，導(dǎo)致分子內(nèi)位能升高，氣體溫度降低。在油嘴出口管段溫度有所回升，這是由于下游管徑變大，氣體膨脹，氣體微團(tuán)互相摩擦，把一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成了熱能。

密度受到壓力的影響，所以分布規(guī)律與壓力相似，入口端高壓之下，氣體密度達(dá)到245 kg/m3，下游膨脹后密度趨于100 kg/m3，密度和速度成反比。

3.2 氣液兩相流

采用VOF模型，設(shè)置氣液比為8∶2，壓力和溫度與2.3節(jié)邊界條件一致，得到結(jié)果如圖8～圖12所示。

油嘴氣液兩相流的速度分布規(guī)律與單相甲烷氣體節(jié)流后的規(guī)律相似，區(qū)別在于每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的速度值明顯減小，最高速度降低至435 m/s。這是由于氣液混合后，氣體需要攜帶液體，動(dòng)能被削弱，流場速度降低。

圖8 氣液兩相速度分布云圖Fig.8 Cloud chart of velocity distribution of gas-liquid two-phase

圖9 氣液兩相壓力分布云圖Fig.9 Cloud chart of pressure distribution of gas-liquid two-phase

圖10 氣液兩相溫度分布云圖Fig.10 Cloud chart of temperature distribution of gas-liquid two-phase

圖11 氣液兩相密度分布云圖Fig.11 Cloud chart of density distribution of gas-liquid two-phase

圖12 氣液兩相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.12 Cloud chart of volume fraction distribution of gas-liquid two-phase

油嘴氣液兩相流的壓力對(duì)應(yīng)區(qū)域的壓力均小于單相甲烷氣體節(jié)流后的壓力。主要由于液體的存在，氣體的壓縮空間變小，壓力變小，節(jié)流孔末端最小壓力降低至6.4×106Pa。

油嘴氣液兩相流的溫度分布規(guī)律和單相甲烷節(jié)流后規(guī)律相似，但是數(shù)值發(fā)生了很大變化，節(jié)流孔和下游管段的最低溫度為252 K，較單相上升了27 K，這是由于水的比熱容遠(yuǎn)大于甲烷，溫度降低時(shí)散熱量更大。

由于水的不可壓縮性，油嘴氣液兩相流混合密度均大于對(duì)應(yīng)區(qū)域的單相甲烷密度，最大密度達(dá)到397 kg/m3。整體上，油嘴節(jié)流前密度大，節(jié)流后由于氣體膨脹，密度減小。

氣液兩相流在節(jié)流前基本保持穩(wěn)定的比例，進(jìn)入節(jié)流孔開始，由于氣相體積膨脹導(dǎo)致體積分?jǐn)?shù)增加，最大值達(dá)到0.94，而液相體積分?jǐn)?shù)減小，最小值為0.06。

3.3 結(jié)果對(duì)比及能量機(jī)理分析

單相甲烷、氣液兩相流節(jié)流后數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 兩種組分的節(jié)流數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of throttling data of three components

水下油嘴的節(jié)流是一個(gè)流體突變的過程，流體進(jìn)入節(jié)流孔時(shí)為體積壓縮流動(dòng)，流出節(jié)流孔時(shí)為突然釋放的流動(dòng)。流體進(jìn)入節(jié)流孔時(shí)，受到壁面阻擋，速度和方向都會(huì)發(fā)生改變。碰撞過程會(huì)產(chǎn)生能量損失，流體在腔體內(nèi)會(huì)形成回流和漩渦，并不會(huì)立即充滿節(jié)流孔，而是不斷填充和混合，速度和方向重新調(diào)整。這兩個(gè)過程存在很嚴(yán)重的撞擊和摩擦，既存在于流體之間，又存在于流體和壁面之間。突變過程中存在一部分機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，溫度的變化由能量轉(zhuǎn)化造成。

4 流動(dòng)與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)節(jié)流溫降的影響規(guī)律

天然氣水合物的生成主要取決于壓力和溫度，當(dāng)壓力確定后，溫度成為決定水合物生成與否的關(guān)鍵因素。因此準(zhǔn)確掌握不同工況下油嘴的溫壓值和分布規(guī)律，對(duì)保障流動(dòng)安全和預(yù)防水合物生成具有重要意義。不同工況下的油嘴節(jié)流溫降規(guī)律也可以為油嘴的改進(jìn)和安全使用提供參考。

影響油嘴節(jié)流效應(yīng)的因素有流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。本節(jié)對(duì)流動(dòng)參數(shù)的分析主要從入口壓力、出口壓力(壓降)、入口溫度和氣液相占比幾個(gè)方面展開，結(jié)構(gòu)參數(shù)主要用于研究油嘴的開度。參數(shù)改變見表2，計(jì)算結(jié)果如圖13～圖17所示。

由圖13可知，最低溫度隨著入口壓力的增大呈線性降低，最大溫差、最大速度隨著入口壓力的增大呈線性增大。由圖14可知，最低溫度隨著入口溫度的增大呈線性升高，最大溫差基本保持不變，最大速度隨著入口溫度的增大而增大。由圖15可知，最低溫度隨著入口壓力的增大呈線性降低，最大溫差、最大速度隨著入口壓力的增大呈線性增大。由圖16可知，最低溫度隨著液相比例的增大而增大，最大溫差、最大速度隨液相比例的增大而減小。由圖17可知，最低溫度隨著開度的減小而減小，且溫降幅度隨著開度的減小而增大，最大溫差、最大速度隨開度的減小而增大。

表2 改變油嘴流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的計(jì)算工況Table 2 Calculation conditions corresponding to different choke flowing parameters and structural parameters

圖13 不同入口壓力下的油嘴流場規(guī)律Fig.13 Choke fluid field with different inlet pressures

圖14 不同出口壓力下的油嘴流場規(guī)律Fig.14 Choke fluid field with different outlet pressures

圖15 不同入口溫度下的油嘴流場規(guī)律Fig.15 Choke fluid field with different inlet temperatures

圖16 不同氣液比例下的油嘴流場規(guī)律Fig.16 Choke fluid field with different gas-liquid ratios

圖17 不同開度下的油嘴流場規(guī)律Fig.17 Choke fluid field with different choke openings

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)水下油嘴生產(chǎn)時(shí)在節(jié)流效應(yīng)的影響下下游溫度急劇下降，溫度下降至足夠低時(shí)會(huì)在管道析出水合物而造成堵塞，影響安全生產(chǎn)的同時(shí)也會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，堵塞會(huì)導(dǎo)致前后壓差越來越大，形成冰堵，而冰堵將進(jìn)一步加劇壓差增大，形成惡性循環(huán)并使設(shè)備劇烈振動(dòng)。

(2)模擬顯示，單相甲烷氣體在節(jié)流后溫度會(huì)降低至225 K(-48 ℃)，主要是因?yàn)闅怏w的膨脹和摩擦，形成能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致溫降。氣液兩相流的節(jié)流段溫壓場規(guī)律與單相基本一致，但是由于水的比熱容遠(yuǎn)大于甲烷，溫度降低時(shí)放熱多，溫降相對(duì)小，但最低溫度也可達(dá)到252 K(-21 ℃)。在生產(chǎn)中，根據(jù)液體情況控制壓力和溫度在水合物形成線以上就可避免冰堵。

(3)不同的入口和出口壓力對(duì)應(yīng)壓差的大小不同，壓差越大節(jié)流效應(yīng)越明顯，但液相比例增大會(huì)緩解節(jié)流效應(yīng)；油嘴開度會(huì)間接影響到壓差，因此作業(yè)時(shí)不宜采用太小開度。