馬 廣，姜 辛，劉 豪，劉 輝

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

井下節(jié)流技術是我國在天然氣綜合開采技術領域里一個重要技術分支，其綜合發(fā)展應用的速度主要取決于與其密切相關的配套開發(fā)設備和工藝流程的綜合應用發(fā)展速度。因此在我國天然氣資源開采設備工藝中和在配套設備的行業(yè)中發(fā)展推進的速度也將會很大程度上影響我國在天然氣資源開采設備行業(yè)的健康發(fā)展。目前井下節(jié)流技術是我國一項氣田資源的開采中“低成本開發(fā)維護”的發(fā)展戰(zhàn)略標志性關鍵技術。井下節(jié)流器是在氣田使用中較廣的一種設備[1-2]，其中一個節(jié)流技術的關鍵點就是節(jié)流器的正確放置，經(jīng)過了數(shù)以千計的技術人員的努力，現(xiàn)在的井下節(jié)流技術發(fā)展得已經(jīng)較為成熟，但是在井下節(jié)流器的打撈與投放等方面還亟待改進，現(xiàn)在常用的井下節(jié)流器大體上都是通過鋼絲繩投放來直接實現(xiàn)設備投撈作業(yè)的，占據(jù)了井下節(jié)流工藝成本的主要支出部分，今年由于爆發(fā)的全球新冠疫情，國際油價大幅暴跌、原油天然氣產(chǎn)能嚴重過剩，導致目前包括中國石化、中國石油、?？松├彰梨诘仍趦?nèi)的全球主要石油工業(yè)公司在第一個交易季度出現(xiàn)了不同程度的虧損，并且在可見的未來還將會持續(xù)出現(xiàn)不同程度虧損現(xiàn)象。進而對于整個石油行業(yè)來說，想要在這種不容樂觀的境況下走出低谷，對于每個環(huán)節(jié)的工藝流程的把控和生產(chǎn)設備的改進就顯得尤為重要。

在一定的壓力和溫度下，液態(tài)天然水與其他組分混合會形成不穩(wěn)定的微結(jié)晶狀或乳白色的固體，通常這些固體會凝聚成一種密度在180～190 kg/m3左右的天然氣水合物。在預防大量水合物生成方面，現(xiàn)場主要用的是加入抑制催化劑和加熱排氣管線兩種方式，但是由于抑制性試劑的大量添加會增加現(xiàn)場天然氣管理的復雜程度，并且在現(xiàn)場無法精確地統(tǒng)計出注入抑制催化劑的數(shù)量，并且如果長時間使用抑制性試劑，不僅會使得抑制性試劑的可靠性大幅度降低，更提高了現(xiàn)場采氣的成本。應用加熱管線采氣方式，主要原因是依靠水套加熱爐方式進行的加熱，這種方法需要依靠不斷地供應燃料達到避免水合物質(zhì)的生成的方法，這也進一步加重了管線在采氣時的成本。

氣井井下節(jié)流采氣工藝就是在這種競爭形勢下開始得以廣泛應用，既能有效地降低氣井采氣工藝成本又能有效地預防水合物的產(chǎn)生。節(jié)流器主要作用是能夠有效降低天然氣在管道中的輸送壓力，提升輸送流速，增大輸送的體積，提升了氣井攜液輸送的能力?；谶@些研究問題，本文選擇設計了新式預置式節(jié)流器。

1 機構(gòu)與組成原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

井下節(jié)流器主要大致可分為兩種：活動式井下節(jié)流器（圖1）和固定式井下節(jié)流器（圖2），其作用都是減小氣井井下的油管橫截的面積，從而實現(xiàn)節(jié)流效果。兩者區(qū)別在于，工作時，活動式井下節(jié)流器能夠裝定在井筒任意位置，而固定式節(jié)流器只能固定在工作筒所在的位置。

圖1 活動式節(jié)流器

圖2 固定式節(jié)流器

新型井下節(jié)流器主要是由節(jié)流器和工作筒本體組成，工作筒主要功能用來固定節(jié)流器本體的外密封筒，節(jié)流器主要由錨定機構(gòu)、密封機構(gòu)、自掉落氣嘴機構(gòu)以及防砂管組成，結(jié)合工作筒配合實現(xiàn)井下節(jié)流。

1.2 工作原理

將節(jié)流器的工作筒隨同油管一同下入到特定的深度，之后將節(jié)流器投放到油管內(nèi)，節(jié)流器依靠重力的作用下落到設定的工作筒位置，節(jié)流器外殼的凸頸部位與工作筒的凸臺發(fā)生碰撞，同時在內(nèi)支撐力的作用下鎖塊將會與節(jié)流器發(fā)生相對滑動，從而卡定在工作筒上，即而實現(xiàn)座封，開始工作生產(chǎn)。在井筒內(nèi)壓力逐漸降低時，達到排水期壓力，氣嘴將會被推離節(jié)流器，掉落到防砂罩中，形成中心大通道，此時節(jié)流器將不再起到節(jié)流作用，而是轉(zhuǎn)化為柱塞坐落器。

氣井免鋼絲繩投撈井下節(jié)流器在裝配完成前鎖塊是處于收縮狀態(tài)，在投放到井筒內(nèi)當?shù)竭_工作筒位置時，鎖塊將被頂出節(jié)流器，從而卡定在工作筒內(nèi)部，進而節(jié)流器固定在工作筒上，膠圈會在節(jié)流器重力的作用下卡在工作筒內(nèi)，從而實現(xiàn)密封，節(jié)流器座封完成，實現(xiàn)井下節(jié)流的功能。

自掉落氣嘴機構(gòu)在裝配前要將彈性裝置盡量保持壓縮狀態(tài)，當節(jié)流器下入井筒，井內(nèi)的高壓壓縮氣嘴，彈性裝置被進一步壓實，在后期井內(nèi)壓力逐漸降低時，此時也作為節(jié)流器需要打撈理論的壓力點，也是彈性裝置的理論受力的平衡點，在井內(nèi)壓力進一步小于理論壓力點時，氣嘴將會被彈性裝置彈出，形成中心大通道。

當?shù)竭_排水期時，氣嘴已經(jīng)掉落，形成了中心大通道，進而不必將節(jié)流器打撈出來，而是將其當成柱塞坐落器與后期的排水采氣相關聯(lián)。

2 主要技術指標

設計的氣井免鋼絲繩投撈全生命周期井下節(jié)流器如圖3所示，主要技術指標如下。

（1）外徑：小于或等于57 mm；

（2）節(jié)流器總長度：小于或等于1 022 mm；

（3）節(jié)流壓差：小于或等于35 MPa；

（4）適用油管：2-7/8″油管；

（5）氣嘴直徑范圍：2～6 mm。

圖3 氣井免鋼絲繩投撈全生命周期井下節(jié)流器

3 節(jié)流器模擬分析

為研究自掉落氣嘴機構(gòu)的節(jié)流效果，取節(jié)流嘴局部區(qū)域展開分析。初始條件設立，取環(huán)境溫度340 K，節(jié)流前壓力為28 MPa，節(jié)流后壓力為4 MPa，建立如圖4所示的流場分析模型。圖中L1為節(jié)流嘴的長度；L2為過渡長度；L3為芯桿長度；D1為芯桿和節(jié)流嘴內(nèi)徑；D2為過渡空間直徑。為研究節(jié)流器節(jié)流效果，令L1=60 mm，L2=16 mm，L3=42 mm，D1=2 mm，D2=8 mm。

圖4 節(jié)流器幾何模型

流體的流動滿足質(zhì)量、動量和能量守恒定律。又因為流體流動狀態(tài)為紊流狀態(tài)，所以應該符合狀態(tài)方程。首先根據(jù)物理模型，再將氣嘴簡化為二維模型，天然氣為可壓縮的理想氣體，最終得到天然氣流動的數(shù)學模型[3-4]如下。

（1）質(zhì)量守恒方程

（2）動量守恒方程

（4）紊特性方程

上面的方程是二維的暫態(tài)Navier-Stokes 方程，對層流和紊流都滿足但是直接對紊流求解時，對計算機的硬件和軟件要求較高，工程上一般不采用這種方法。使用對暫態(tài)的N-S 方程進行平均時間處理的措施，之后再添加流體的紊流特性方程。本文使用的是K-ε模型的RNG 形式，補充的K 方程和ε方程如下：

先用Auto CAD 軟件中畫出氣嘴流場分析的幾何模型，由于二維模型也是對稱的，因此可以簡化為模型的一半，再導入ANSYS Workbench 中，使用Mesh 模塊來劃分網(wǎng)格，產(chǎn)生的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，在流體參數(shù)變化較大的區(qū)域適當加密網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分情況如圖5所示[5-6]。

圖5 節(jié)流器網(wǎng)格模型

4 結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖6～9所示。如圖6所示，流體速度在節(jié)流出口處速度急劇增大，主要由于節(jié)流后壓力降低。如圖7所示，在節(jié)流嘴出口處出現(xiàn)溫度急劇降低，低溫對節(jié)流嘴性能影響較大，關系到水合物的形成和節(jié)流嘴是否能夠正常工作。如圖8所示，受到溫度和壓強的共同影響，密度場在節(jié)流后出口處的密度低于進口處的密度，并趨于一個較為恒定的值。如圖9所示，在節(jié)流嘴出口處速度較大、壓力最低，而動能達到最大值，這說明通過自掉落氣嘴機構(gòu)將壓能轉(zhuǎn)化為動能[7]。

圖6 靜態(tài)分布速度云圖

圖7 靜態(tài)分布溫度云圖

圖8 靜態(tài)分布密度云圖

圖9 靜態(tài)分布壓力云圖

5 結(jié)束語

（1）提出了一種新型氣井井下節(jié)流器，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，應用方便，無需投放工具和打撈工具，在排水采氣后期將氣嘴打掉，節(jié)流器便轉(zhuǎn)化為柱塞坐落器，可直接應用到新開發(fā)氣井上使用。

（2）基于FLUENT流場分析軟件，建立了節(jié)流嘴流場分析模型，擬定了流場分析方法。模擬了自掉落氣嘴機構(gòu)在井下的工作情況，為新型節(jié)流器投入生產(chǎn)提供了一定參考。