高压天然气对油嘴冲蚀的流场分析

本文利用流体力学软件CFX对高产高压节流阀(简称油嘴)的使用工况进行了模拟,从气体速度的大小和方向两方面分析了造成油嘴失效原因,并与油嘴失效的部位进行了分析比较,找出了油嘴损坏的机理,为高压油嘴的研究及进一步改进提供了依据。     

测试井口固定油嘴内的流体流动特性

采用RNG k-ε湍流模型及Sutherland Viscosity Law可压缩流体黏度修正模型,对测试井口的一种固定节流油嘴内的流体流动过程进行了数值模拟研究。通过数值模拟得到的节流油嘴内质量流率变化规律与理论计算结果对比,验证了所采用的模型和计算方法的准确性。分析了不同节流压力对油嘴内流体流动特性的影响规律。计算结果表明,由于油嘴节流降压,气体体积膨胀出现超音速流动,所形成的高速射流促使油嘴外壁附近出现漩涡流动; 油嘴内部压力变化趋势为先下降后升高,然后又缓慢降低的过程; 由于节流降温效应,气体流过油嘴时温度下降,油嘴内出入口压力比小于临界压力比时,最易形成天然气水合物,出现堵塞管路的风险。     

空气钻井井眼净化与冲蚀效应模拟分析

空气钻井环空气固两相流场分布、工艺参数设计方面的研究较少。笔者基于流体动力学与空气动力学理论,采用有限体积法对气固两相流动控制方程进行了离散求解,模拟分析了不同注入参数条件下环空内的压强和流速分布,着重分析了＂关键点＂处的流场分布,并结合井眼净化和冲蚀效应评价方法,选取了合适的注入参数。模拟所得压强、流速分布均与实际情况吻合较好,并为实际工程参数设计（比如注入压力及井口回压确定）提供了依据,研究成果已用于指导川庆钻探公司空气钻井施工。     

节流口串联连续波信号发生器的冲蚀性能分析

针对现有的钻井液连续波信号发生器转阀存在易堵塞、节流口处流速高和冲蚀严重的问题,根据液压流体力学的基本原理,将连续波信号发生器的转阀设计为多个节流口串联结构。该种结构可以在获得足够信号幅值的前提下解决上述问题。建立了转阀冲蚀的三维离散相流场仿真模型。计算结果表明,转阀的冲蚀随节流口个数的增加而显著减小,当节流口个数增加到一定数量时,冲蚀又有所增加;转阀的冲蚀主要集中在节流口棱边上靠近轮毂的地方。     

液固两相流盲三通冲蚀特性数值分析

盲三通内特殊的"气垫"结构可以在节省空间的同时提升管道的抗冲蚀性能。为了分析液固两相流环境下弯管和盲三通内的流场分布,并对比其抗冲蚀性能,分析冲蚀机理,运用CFD-DPM方法对相同直径弯管和盲三通内的流场进行了数值计算。通过对几何模型进行网格无关性验证来确定最佳的网格数量,选用Realizable k-ε湍流模型、McLaury冲蚀预测模型和Forder壁面反弹恢复模型来计算冲蚀速率。分析结果显示:盲三通的最大冲蚀速率明显低于弯管;弯管的主要冲蚀部位位于中心区域的外侧壁面,盲三通的冲蚀区域主要位于相贯线附近和出料管底部;在盲三通内存在缓冲涡,可以阻止固体颗粒对壁面的直接撞击,从而减轻对管道的冲蚀;随着流体流速的增加,冲蚀逐渐加重,且流速较高时,冲蚀速率增加幅度越大;随着颗粒质量流量的增加,冲蚀速率呈线性增加,增长斜率随长径比的增大而减小。所得结果对于管道的设计选用及长周期安全运营有一定的参考价值。     

纯氢与掺氢天然气节流特性及节流系数预测新方法

依托天然气管道掺氢输送,可实现氢能的高效经济储运,天然气节流作为关键环节,掺氢将极大改变节流特性,从而影响管道安全运行。为此,采用数值模拟方法研究了纯氢与掺氢天然气节流特性,并在天然气节流系数经验公式的基础上,建立了三段式节流系数预测新方法。研究结果表明：(1)纯氢节流特性与以甲烷为主的天然气节流明显不同,纯氢表现为节流负效应;(2)不同掺氢比时,节流正负效应转变压力不同,天然气中掺氢不超过30%时,对混合气体节流效应转变压力影响较小,但氢浓度更高时,节流效应转变压力随之降低,直至氢浓度80%～92%左右时,气体此后均表现为节流负效应;(3)节流阀门开度随氢浓度增加而增加,以流量波动时阀门调节范围为限制,天然气掺氢浓度不宜超过30%;(3)天然气节流系数经验公式仅适用于氢浓度不超过30%的掺氢天然气,在此基础上修正,得到以氢气为主混合气的节流特性预测公式,根据掺氢比提出以0～30%、30%～80%、80%～100%的三阶段公式,可很好地估算纯氢与掺氢天然气节流特性及系数。结论认为,该研究成果可为纯氢与掺氢甲烷混合气体节流系数的估算提供依据,为氢气安全储运提供技术指导。     

天然气井井下节流后物性参数的变化模拟

基于空气动力学、计算流体力学理论,对天然气井井下节流后的流场与温度场分布进行了模拟,得出了气体温度、压强、流速及密度沿井深的分布曲线,并对局部流场进行了细化分析。模拟发现,井下节流可有效降压,节流嘴处压强经历了减小、增大的过程,并于出口下游稳定后,随井深的减小又逐渐减小;密度与压强的变化趋势基本一致;气体节流经历了亚音速-音速-超音速-亚音速的变化过程;温度沿井深的分布趋势与地温梯度基本一致,在节流嘴出口附近存有最小值,但因地温环境和气体粘性作用使温度仍保持一定高度,避免了水合物的形成。模拟结果与工程实际数据符合较好,证实了井下节流工艺降压、保温的特点,实现了流场、温度场分布的可视化,探索了一种方便、快捷的研究方法,为设计、安装节流器与确定操作参数提供了有效的依据     

天然气节流分离模拟模型

节流分离工艺过程是天然气集输场站内最常见的工艺过程。为实现节流分离过程的模拟从而提高分离效率,特运用SRK及PR方程建立了节流降压分离模拟数学模型,并运用合理的算法开发出相关模拟软件,现场数据证明,本软件具有很高的可靠性。     

浅谈节流效应及在天然气集输工艺中的应用

焦耳-汤姆逊效应的积分负效应广泛应用于油气集输和石油化工过程。天然气和油田伴生气经伴热，由油嘴节流降压降温后进入一级分离器，温度下降使天然气中的一部分水分实现冷分离。冷凝分离回收油田气的轻烃时，利用高压气体的压力经节流膨胀降温来获得需要的冷量。由于天然气是多组分混合气体，且各组分的冷凝温度不同，     

深水压井节流管线内的气体交换效应分析

深水井控中压井节流管线细长,地层侵入气体进入节流管线内会产生气体交换效应,导致节流压力发生变化,增大了深水井控的难度。应用多相流动模型通过数值计算和实例模拟,从不同角度分析了深水压井节流管线内的气体交换效应,得到节流压力的变化规律。模拟发现,深水压井时节流管线内气体体积分数变化大且迅速,气体交换效应明显;节流压力随着循环流量的增大而降低,且变化幅度随着循环流量增大而增大,随着钻井液池增量的增大而增大;同样钻井液池增量下,钻进、停钻、起钻时对应的节流压力依次升高;深水压井过程中节流压力比陆地井控节流压力变化快;节流管线直径越小,节流压力初始值越低,峰值越高,节流压力变化越大,节流管线内气体交换效应越明显。研究结果可以更好地指导深水钻井压力控制。      

大导流面柱塞型节流阀冲蚀规律研究

为了探究柱塞型节流阀在节流过程中因受到高速颗粒冲击和流体冲蚀而导致节流阀失效的问题,以PCG,2-9/16×15M型节流阀为研究对象,采用欧拉-拉格朗日法和离散模型,研究了不同开度、质量流量、流体速度及颗粒直径对阀座和阀芯的冲蚀规律。研究结果表明：随着开度的减小,节流阀主要冲蚀区域从阀体内腔节流处转为导流面节流处;在不同开度下,随着流速的增加,最大冲蚀率统一呈现上升趋势,并随着开度的增加,上升趋势更加明显;随着颗粒直径的增加,最大冲蚀率呈现上升趋势;随着质量流量的增加,最大冲蚀率不稳定,大体呈现上升趋势;节流阀通常在小开度下工作,小开度的不同工况下,节流阀最大冲蚀位置都处在节流阀阀芯上,将节流口处改为阶梯形结构,通过仿真结果对比,可有效降低节流阀最大冲蚀率。研究结果可为节流阀的进一步优化设计提供参考。     

节流管汇冲蚀磨损研究及结构改进

提高节流管汇的抗冲蚀能力、减少节流管汇的失效概率,对于成功控制溢流、实现井控安全有重要意义。从冲蚀磨损机理、数值模拟仿真和结构改进等方面开展了节流压井管汇防冲蚀磨损研究。模拟结果认为,随着开度的增大,钻井液冲蚀速度在不断降低,但钻井液速度仍高于临界冲蚀速度,冲蚀区域主要发生在下游管路入口和出口附近的管壁上。针对数值分析结果,提出了节流管汇结构改进方案。改进后的节流管汇现场试验时,防冲刺短节内部无明显的冲蚀现象,防刺效果较好,满足现场使用要求。     

高压井控楔形节流阀三维流场模拟及阀芯失效分析

井控节流阀是钻井井控管汇中的关键设备,直接关系到压井的成败。根据节流阀实际流场情况,建立了楔形节流阀三维有限元模型,并基于流体动力学理论,运用流体分析软件对高压井控节流阀内的三维流场进行了模拟,得出节流阀内部流场分布规律及特点。结果表明,由于内部流体的高速流动,阀芯在楔形面沿轴向处以及前端处会首先发生冲蚀失效。将该分析结果与现场阀芯失效的实际情况进行了比较,结果非常吻合。     

气体钻井对井口四通冲蚀磨损规律研究

气体钻井中携岩气体冲击四通内壁是导致四通失效的主要原因。基于气固两相流和冲蚀理论,运用CFD软件对四通本体流体域进行数值计算,分别研究了实际钻井工况下钻杆偏心的情形和不同钻井工艺对四通本体的冲蚀规律。研究结果表明,随着偏心距的增大,岩屑的轴向速度逐渐增大,局部冲蚀速率也呈现增大的趋势;由于偏心造成的岩屑粒子轨迹偏转向四通宽流道一侧冲击,容易在局部造成严重的冲蚀缺陷,导致四通承压能力下降;在不同钻井工艺下,冲蚀速率峰值和流体速度峰值都随注气量和岩屑质量流量的增加而基本呈线性递增趋势,而与岩屑粒径成反比关系,四通出口压力对冲蚀速率的影响不大。因此,在实际钻井中应尽量减少钻杆的偏心作业,合理控制注气量、岩屑质量流量,以保证钻井作业的安全进行。     

高速膨胀天然气凝结流动特性

结合气、液相流动控制方程组、内部一致经典成核理论、Gyarmathy液滴生长模型、液滴表面张力模型、k ω湍流模型及NIST真实气体模型,对自行设计的Laval喷管内天然气自发凝结流动过程进行数值模拟研究。结果表明,在Laval喷管扩张段内,随着过冷度的增大,将发生甲烷气体凝结成核及生长现象。对于固定出口马赫数的喷管,更低入口温度或更高入口压力将使凝结发生在更靠近喉部处,且液滴成核率最大值及气体湿度均更大;比热比值将随入口温度的降低或入口压力的升高而增大,导致压降及温降增大,较低的入口温度或较高入口压力将使出口温度或出口压力低于三相点,可能导致气体无法液化。随着压比的增大,喷管内产生了激波,且逐渐向入口方向移动;激波产生后液化环境随即被破坏,湿度立即变为0。喷管出口马赫数增大对液滴成核率影响较小,能促进液滴生长过程,但过大马赫数可能导致气体无法液化。喷管出口处气体未达到热力学平衡状态时,可在直管段内继续凝结,同时压缩波和摩擦效应将使得液滴气化。各入口条件下,甲烷气体在喷管出口处湿度均低于0.1,液化效率较低。     

基于旋流的天然气超声速喷管分离特性

 采用数值模拟方法研究来流为旋流的拉伐尔喷管内的流场,考察了喷管的收缩比、收缩半角、喉部圆柱段长度和扩张半角对天然气超声速喷管旋流分离性能的影响。数值计算结果表明,增加喷管收缩比和收缩半角可以提高喷管旋流分离性能。喷管喉部圆柱段长度对喷管旋流分离性能影响较小。当喷管扩张半角小于2°时,喷管旋流分离性能较差;扩张半角在2~6°时,喷管旋流分离性能较好;继续增加扩张半角,喷管旋流分离性能下降。     

川中磨溪气田嘉二气藏高压井下节流工艺现场试验效果跟踪

川中磨溪气田嘉陵江组属异常高压气藏，埋藏深度3100m，地层压力67．67MPa，现有成熟井下节流工艺只适用于节流压小于35MPa的气井。不能用于这类超高压气藏，为此，针对嘉二气藏特征，开展了高压井下节流工艺应用研究。通过工具的研制、改进以及室内试验后，在磨41井投入了现场应用，取得了很好的效果。文中拟通过对磨41井高压节流效果的跟踪，进行高压井下节流工艺在磨溪嘉二异常高压气藏的适应性分析。     

径向钻井高压水射流喷嘴内外流场分析

径向钻井高压水射流技术目前在国内外得到了广泛应用。对射流喷嘴内、外流场进行数值模拟分析将为选择合理的喷嘴结构以及为高压水射流破岩的进一步研究奠定基础。根据射流动力学原理,建立了单喷嘴轴对称淹没射流破岩的物理模型和数学模型,运用Fluent软件对径向钻井高压水射流喷嘴内、外流场进行了数值模拟,并分析了在不同喷距和入口流量下喷嘴内、外流场的规律。分析结果表明,射流轴线上存在速度衰减性、圆柱段速度保持性和最大速度偏移性;当射流冲击到径向井底后,在井底壁面上产生水垫,对喷头的推进产生阻碍作用;在径向钻井高压水射流中会产生滞止现象,将不利于钻井过程中岩屑的快速移运。     

高压天然气井拉伐尔结构参数优化研究

高压天然气在进入城市管网前需降压,拉伐尔节流阀是典型的节流装置。针对辽河天然气井80×105m3/d、40 MPa的高压情况,依据温降和压降数值计算对拉伐尔节流阀进行了结构参数优化。依据空气动力学原理,首先对其锥管式结构和曲线式结构进行对比分析,选取喉道直径φ5～φ12 mm,进行低压和高压2种情况的数值计算,给出不同喉道直径时的喉道直径与进、出口直径最优比,以及进、出口长度最优值。在优化结构参数的基础上,分别就低压和高压2种情况,对压力场、速度场和温度场进行了数值计算。