頁巖氣井下多相流體動態控制系統的計算和仿真

劉士吉

摘 要：一種新型頁巖氣用井下多相流體控制系統包括套筒通過細桿連接滑槽，上述通過小鋼球鎖止球頭機構在兩個工作位置，.此種新型井下流體控制器可在下行工作位置打開通流孔使液柱與其相對運動時有低的動能損失，在上行工作位置有效分隔氣液。對其建立模型、CFD分析比較多種新型控制器結構與傳統結構，發現上述結構存在較大優勢，其中一種比其他受壓減小3%-8%，在頁巖氣井中有很高的應用價值。

關鍵詞：多相流；控制系統；頁巖氣；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.095

1 引言

頁巖氣具有資源量大、壽命長等特點。中國有頁巖氣區塊54個，面積約17×104km2[2]。由于頁巖氣井儲層在產氣的同時也會產生其他液體，生產過程中產液體及積液問題日益突出[3]。且產液體量上升迅猛，產量大，一旦產出液體氣產量迅速下降。

頁巖氣井內流體成分復雜，需要一種在氣體連續生產過程中可以在井下油管中動態分隔生產的多余液體與氣體的方式來控制井內的多相流體。上世紀提出了一種可用于分隔液氣體的控制系統。其在井中下降時依靠重力運行到定位系統，上升過程中依靠產層的高壓氣體推動液體到達井口，阻礙生產的液柱被排出，管線可連續采收氣體。此后研究者做出了改進，包括PSC公司的專利結構使其在下降時液體產生湍流曝氣減小阻力[6]；和可開關內部通流結構的構型。

2 新型控制器介紹

近年，研究得出減小流體經控制器時的能量損失有助提高頁巖氣井的生產。基于此，IPS公司設計的兩級流體控制系統通過一個擁有大內部通流截面積的套筒以及一個較小的先導球頭。先釋放球頭再釋放套筒，由于內部形成大通流，兩級都可以使流體快速且順暢的通過；在上行工作期間，球頭堵住套筒下端，在氣藏壓力作用下形成密封面。其設計具有先進性，但由于使用了兩個體，實際運行時難以兩級的相對運動。

Mobil公司提出一種新型一體式頁巖氣井下動態控制器。控制器特征為為將分體式的球頭鎖定在控制器底部，球頭與控制器套筒之間通過細支架與滑槽連接，滑槽中兩個機構鎖定套筒與球頭的相對位置。套管下部設計為引導流線型以減少撞擊液體時損失的動能。控制器有上下兩個行程。下行程中，套筒外有渦流發生槽和捕撈頭，滑槽鋼珠卡定在環槽中，鋼珠使滑槽通過流體段塞柱時與球頭不發生縱向的相對位移；先導桿由彈塊銷和尾椎被鎖止在球頭中，制造出通流減小流體損失的動能。當控制器遭遇定位裝置時，在沖量的作用下先導桿縮進至與球頭下端部平齊，小鋼珠由滑槽上的環槽滑入先導桿上的環槽，慣性使套筒繼續下行，球頭連桿件則相對向上縮進，使小鋼珠鎖止球頭與先導桿的位移一起向上縮進，直至和管壁發生接觸形成密封面，在上行狀態時氣藏壓力維持結構直至控制器上升至下一個定位裝置。

3 新型控制器的計算和仿真

在前文所述控制器的基礎上，需要對其在多相液體環境的兩個工作狀態中分別實現較少的液體漏失與較低的動能損失的能力做出評估。建立受力的牛頓平衡方程：

式中m為總質量，πr2Hρ1g為氣體浮力，Ff2為上下壓差形成的阻力。根據控制器結構的變量僅有上下壓差，因此將沿軸向壓力代數和作為設計的目標，使用Fluent計算流體力學分析軟件包進行仿真。

設控制器靜止，來流與其產生相對位移，根據控制器在多相流體中的運動狀態建立模型：a.流體介質：水摻雜油蠟，入口流速：0.6m/s，入口壓力2.8mpa，溫度70℃，主控制方程選用K-e模型。其方程如下：

優選方案建模，將切片導入Fluent。在選取的4種新型控制器中，A型采用高曲率頭部和橢圓形后端，滑槽加厚；B型在A型的基礎上將球頭改為圓形，球頭與滑槽連接處圓滑處理；C型在不改變A型球頭結構，滑槽做為流型；D型有銳角菱形的頭部和與A型相同的滑槽；作為對照，加入了兩級流體控制器；所有控制器都呈下降或完全打開狀態。從結果看，速度最高點出現在球頭最大直徑處，球頭后部形成負壓，連接處圓滑程度對流動影響不大，滑槽的流線型設計展現了有利影響。圓形球頭相比于其他構型來說，球頭的能量損失最小，流體經新型控制器后的流速損失（5～8e-01）相對于傳統控制器的流速損失（0～1.03e-01）都有較大提升，達到減小動能損失的目的。

4 結論

本文介紹了一種新型流體控制器，對此控制器進行了計算和仿真，明確了此控制器控制器具小動能損失和較好的多相流體分隔效果的原因。此種結構簡單零部件少，加大了生產效率。分析過程中還發現這種控制器無法避免管壁摩擦阻尼，有進一步的改進空間。

參考文獻：

[1]蒲泊伶.四川盆地頁巖氣成藏條件分析[D].2008.

[2]董大忠，鄒才能，李建忠等.頁巖氣資源潛力與勘探開發前景[J].地質通報，2011，30（2/3）：324+336.

[3]楊旭東，李麗，張軍等.井下渦流工具排水采氣機理研究[J].石油機械，2015，43（05）.

[4]Victor B M.Sand plunger：U.S.Patent 7，475，731[P].2009-1-13.

[5]Tanton M S.Plunger lift：U.S. Patent 8，181，706[P].2012-5-22.

[6]Gong M，Harrison L E， Pirog T W，et al.Plunger lift systems and methods： U.S. Patent 8，833，467[P].2014-9-16.endprint