水下采油樹本體內生產流道流動性數值模擬分析

劉興鐸，祝　賀，周發學，李中華，嚴金林

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)①

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水下采油樹本體內生產流道流動性數值模擬分析

劉興鐸1，2，祝賀1，2，周發學1，李中華1，2，嚴金林1，2

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)①

摘要：水下采油樹內部管道是海洋油氣生產通道，具有多次轉向、變徑的特點，生產流道內流體流動十分復雜。建立了水下采油樹本體內部管道流體域模型，采用CFD流場分析軟件，以速度入口、壓力出口、光滑壁面為邊界條件，分析不同輸出管道夾角α、不同尺寸的輸出管道對本體生產流道內流體運動特性的影響。分析結果表明，當生產流道內流體的流向發生變化時，近壁面處產生較高的流速，嚴重沖蝕管壁；合理尺寸的輸出管道可以獲得均勻的流體，避免產生較大的壓力降。該研究結果可為設計水下采油樹的生產流道提供參考。

關鍵詞：水下；采油樹；生產流道；流動性；數值模擬；CFD

水下生產系統的主要作用之一就是保障海底油氣的平穩流動，其內部管道對流體的流動產生重要影響[1]。通過分析大量模型的出油管線的數量、直徑、路徑對流動特性的影響，可以為選擇水下生產設施、風險評估提供幫助[2]。水下采油樹是水下生產系統的重要設施，其油管懸掛器的生產流道出口是保障水下采油樹內油氣平穩流動的重要結構[3]。一般情況下，水下采油樹的油管懸掛器生產流道與側向出口呈90°連通[4]。沈丹丹等[5]研究了水下臥式采油樹內部環空通道的流動特性，揭示了環空流道的管型特點，以及冪律流體的流動特性。秦蕊等[6]研究了水下采油樹油管懸掛器的結構，指出優化內部管道結構，防止生成水合物，保障液體流動的穩定性。趙旭東等[7]研究水下采油樹生產流道的流動特性，指出合理布置采油樹部件，應該減少流道拐彎次數。本文運用CFD流場分析軟件，研究不同輸出管道夾角α、不同尺寸的輸出管道對流體速度、壓力分布的影響，可為設計采油樹本體生產流道提供參考。

1水下采油樹結構

水下采油樹主要包括采油樹本體閥組、輸出閥組、環空閥組、生產閥組、油管懸掛器與采油樹帽等部件。根據油管懸掛器與閘閥的位置特點[8]，水下采油樹分為立式采油樹和臥式采油樹，如圖1所示。

a　臥式采油樹

b　立式采油樹

2數學及物理模型

2.1流體流動的數學方程

在水下采油樹生產流道內，實際的油氣流動狀態具有復雜性。在數值模擬計算中，不考慮液流的重力以及固體顆粒的影響，將其簡化為單項湍流模型。借助RNGk-ε方程湍流模型，通過大尺度運動和修正后的黏度項，忽略小尺度運動的影響，其輸運方程[9]為

(1)

(2)

式中：μ為動力黏度；μt為湍動黏度；μeff為修正湍動黏度；κ為湍動能；ε為耗散率；ρ為流體密度；Eij為主流的時均應變率；Cμ為經驗常數，取0.09；C1ε為經驗常數，取1.42；η0取4.377；β取0.012。

2.2三維物理模型

水下采油樹的流動通道主要有油管懸掛器本體通道、采油樹本體通道和環空通道。本文研究的流動通道從油管懸掛器開始，經過采油樹本體通道、生產閥組，最后到輸出管道為止。運用UG軟件建立相應的流體域集合模型，如圖2所示。

圖2　水下采油樹本體生產流道示意

2.3網格劃分與邊界條件

采用四面體網格劃分流體域模型，得到三維網格模型，如圖3所示。并采用ANSYS CFX軟件進行流體分析。

計算流體域如圖4所示。邊界條件為速度進口，壓力出口，光滑、無滑移壁面。

圖3　水下采油樹生產流道網格模型

圖4　流體域邊界條件

3數值模擬結果與分析

3.1不同輸出管道的夾角

管道內流速云圖如圖5所示，顯示了輸出管道內流速隨夾角增大而變化的情況。當輸出管道與輸入管道的夾角α小于90°時，輸出管道流體受到壁面的分離作用，在管道分離處近壁面流速接近0；由于固體顆粒的重力作用，固體顆粒不會沉積在管道的內表面。當輸出管道與輸入管道的夾角α等于或大于90°時，輸出管道流體受到管壁的限制作用，管道的近壁面受到流體最大流速的沖蝕；而在相對一側，流速近似為0，這樣容易破壞管道內壁的堆焊層，造成水下采油樹本體生產流道的腐蝕，也不利于及時帶走沉積的固體顆粒。所以，當油氣井正常工作時，改變輸出管道的夾角α，流體的流速將發生變化。

a　α小于90°

b　α等于90°

c　α大于90°

3.2不同比率下的輸出管道

輸出管道最大流速與輸入流速的比率變化曲線如圖6所示。當輸出管道直徑變大時，輸出管道的最大流速逐漸減小。

壓力降隨進、出管道直徑比率的變化曲線如圖7所示。輸出管道內的壓力降隨著管道直徑變大而降低。

圖6　流速比率隨直徑比率的變化曲線

流體流速矢量圖、管道內壓力云圖如圖8～9所示。當輸出管道與輸入管道的直徑比率為0.6～0.7時，輸出管道內流體的流速、壓力降較大，不利于輸出管道的安全使用。所以，合理選擇輸出管道的直徑可以減少震動，延長管道的使用壽命。

a　進出管道直徑比率0.6

b　進出管道直徑比率1.0

a　進出管道直徑比率0.6

b　進出管道直徑比率1.0

4結論

1)水下采油樹本體的輸出管道與輸入管道夾角為銳角時，輸出管道內流體不會沖蝕管道內壁，有利于獲得良好的速度。因此設計輸出管道時，可以考慮將輸出管道設計成與輸入管道成銳角的方向，減少固體沉積物的積聚，有利于保護管道內壁的堆焊層。

2)水下采油樹本體的輸出管道直徑接近輸入管道直徑時，輸出管道內的流速、壓力降較小；相反，輸出管道越小于輸入管道，則產生的流速、壓力降越大，不利于安全合理地使用管道。因此，根據實際需要，選擇合理尺寸的輸出管道。

參考文獻：

[1]王定亞，鄧平，劉文霄.海洋水下井口和采油裝備技術現狀及發展方向[J].石油機械，2011，39(1)：75-79.

[2]琚選擇.水下生產系統的流動保障設計分析[C]//第十五屆中國海洋(岸)工程學術研討會論文集.北京：海洋出版社，2011.

[3]劉偉強，張鵬舉，李博，等.水下臥式采油樹油管懸掛裝置結構創新設計研究[J].科技視界，2014(7)：26-28.

[4]孫傳軒，王定亞，鄧平，等.水下油管懸掛器技術現狀與研制要點[J].石油礦場機械，2014，43(4)，91-95.

[5]沈丹丹，朱宏武，丁礦，等.水下臥式采油樹內部環空通道的流動性分析[J].石油機械，2014，42(2)：40-44.

[6]秦蕊，葉道輝，李清平，等.水下采油樹油管懸掛器的結構研究[C]//第十五屆中國海洋(岸)工程學術研討會論文集.北京：海洋出版社，2011.

[7]趙旭東，王定亞，劉文霄，等.基于CFD的水下采油樹生產通道流動數值模擬[J].石油機械，2014，42(11)：105-108.

[8]姜立杰.臥式采油樹油管掛設計研究[D].東營：中國石油大學(華東)，2011.

[9]王福軍.計算流體動力學[M].北京：清華大學出版社，2004.

Numerical Simulation Analysis of Flow Characteristic of the Production Channel in Subsea Tree Body

LIU Xingduo1，2，ZHU He1，2，ZHOU Faxue1，LI Zhonghua1，2，YAN Jinlin1，2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentEngineeringResearchCenter，Baoji721002，China)

Abstract：The inner channel of the subsea tree is the oil and gas outflow channel for the subsea well with the characters of multiple turning and multiple mutation of the tube diameters.So the flow in the production channel is full of complexity.The inner flow domain in the subsea tree body was set up in the essay.Based on the velocity inlet，pressure outlet and smooth wall boundary condition，through CFD software，to analyze the influence on flow in the production path with different angles and various diameters of the outlet channel.The results show when the flow in the production channel is changing，the maximum velocity is near the wall，resulting in serious erosion of wall.The proper diameter of outflow channel could produce steady flow and avoid great pressure drop.The research result could provide the reference to production channel design of the Subsea tree.

Keywords：subsea；christmas tree；production channel；flow characteristic；numerical simulation；CFD

中圖分類號：TE952

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.012

作者簡介：劉興鐸(1984-)，男，遼寧遼陽人，碩士，主要從事海洋石油裝備研究，E-mail：liaoning0419@163.com。

收稿日期：①2015-09-27 國家高技術研究發展計劃(863計劃)“水下臥式采油樹系統研制”(2012AA09A204)

文章編號：1001-3482(2016)03-0054-04