105 MPa抗硫井下節(jié)流器研制及數(shù)值模擬實驗

許定江， 江 源， 楊云山， 喻成剛， 李 奎， 謝 嘉

1中國石油西南油氣田公司工程技術研究院 2西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室3中國石油西南油氣田公司川中油氣礦

0 引言

井下節(jié)流技術的應用起源于上個世紀80年代，國內主要應用于西南、勝利、長慶、新疆等油田[1-3]，特別是在川中須家河得到了大規(guī)模應用[4-5]。為了進行高壓天然氣節(jié)流，目前主要形成了地面節(jié)流工藝和井下節(jié)流工藝[6-7]。地面節(jié)流會產生額外的加熱用氣，需要配套水套爐等設備以提高氣流溫度，或者加入抑制劑，以避免形成水合物堵塞管線。地面節(jié)流需要專人值守[8]，地面節(jié)流前端依然具有高壓風險。而井下節(jié)流工藝可以利用地熱溫度加熱流體，井筒內不會形成水合物堵塞油管，從而實現(xiàn)井口及地面管路的的壓力降低，具有顯著的成本和效率優(yōu)勢[9-10]。井下節(jié)流技術需要將井下節(jié)流器下入生產管柱內，通常包括活動式和固定式兩種，活動式井下節(jié)流器直接坐封在井筒生產管柱內任意位置，無需坐放短節(jié)，而固定型井下節(jié)流器則需要坐放短節(jié)，但是其可靠性更高[11-12]。

西南油氣田已開發(fā)的氣藏中，含硫氣藏占比到了84%，近年來隨著更多高壓及超高壓氣藏的開發(fā)，含硫氣井井口高油壓問題逐漸突出[13]。目前，國內已形成了?60.325 mm、?73 mm、?88.9 mm的井下節(jié)流器工具系列，可用于高壓差和凝析油的工作環(huán)境，工具節(jié)流壓差≤70 MPa。但是，隨著勘探開發(fā)的不斷深入，西南油氣田陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了川西飛仙關氣藏、長興組氣藏、棲霞組氣藏和茅口組氣藏等異常超高壓氣藏。以川西地區(qū)九龍山區(qū)塊茅口組某氣井為例，其關井壓力為107.89 MPa，H2S分壓為0.98 MPa，同時具有井口壓力高、測試產量高、硫化氫含量高的特點。含硫及井口超高壓對安全生產提出更高的要求，現(xiàn)有的井下節(jié)流器并不能滿足現(xiàn)場井下節(jié)流工藝技術要求。因此，開展節(jié)流壓差達到105 MPa的井下節(jié)流器的研制對于超高壓氣井的開發(fā)具有十分重要的意義。

1 節(jié)流器結構及特點

西南油氣田工程技術研究院主要根據九龍山構造以及雙魚石構造氣藏的現(xiàn)場參數(shù)(井口壓力、原始地層壓力、H2S含量、氣層溫度)進行105 MPa抗硫井下節(jié)流器的研制。如圖1所示的105MPa抗硫井下節(jié)流器采用CAD/CAE一體化設計，主要包括打撈頸、卡瓦、嘴套等部分，可以安裝不同內徑的節(jié)流噴嘴，是一種固定式井下節(jié)流器。該節(jié)流器采用三卡瓦結構，設置有相應的運動機構，以保證工具運行的穩(wěn)定性，工具坐放及打撈作業(yè)均采用鋼絲作業(yè)。

圖1 105 MPa抗硫井下節(jié)流器結構示意圖

2 節(jié)流器室內實驗

2.1 抗硫材料腐蝕實驗及選擇

采用ISO 15156-1、ISO 15156-2、ISO 15156-3中關于石油和天然氣生產中含H2S環(huán)境使用材料的選取標準，并根據工具現(xiàn)場應用條件及參數(shù)，不銹鋼材料不能滿足要求，可選擇耐蝕合金作為工具材料。這里初選沉淀硬化的鎳基合金A和B作為工作筒和節(jié)流器本體材料，C作為壓簧材料。

針對A、B、C三種材料開展腐蝕評價實驗。實驗條件為T=120 ℃、H2S分壓為7.5 MPa、CO2分壓為5 MPa、Cl-濃度為170 000 mg/L。實驗720 h后取出試件，用丙酮清洗干凈。A、B、C三種試件表面光亮，用顯微鏡放大100倍觀察，試件表面無裂紋。設計執(zhí)行JB/T 7901-2001《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，稱重后發(fā)現(xiàn)腐蝕速率小于0.01 mm/a，材料均滿足設計要求。因B材料的機械性能要低于A，為提高工具強度，所以這里選擇B材料作為節(jié)流器本體及工作筒材料，選擇彈性更好的C材料作為壓簧材料。

密封件是保證節(jié)流器密封性能的重要元件，也需要進行材質的優(yōu)選和實驗。借鑒國外密封件制造公司經驗，選擇KE-2、KE-3、KG-3、KLZ-1、KLZ-2氟橡膠進行室內實驗評價。實驗條件為：T=150 ℃、H2S分壓為1.0 MPa、CO2分壓為1.4 MPa、Cl-濃度為170 000 mg/L，浸泡72 h。KE-2、KE-3、KG-3浸泡72 h后均出現(xiàn)鼓泡，而KLZ-1、KLZ-2則表面依舊光滑、機械性能良好，需繼續(xù)進行力學性能測試。

表1為浸泡前后的KLZ-1、KLZ-2橡膠力學性能測試的數(shù)據結果，從中可以看出KLZ-1相比KLZ-2浸泡前后的各項力學性能都更好。因此，選擇力學性能最好的KLZ-1作為密封件材料，圖2是用于實驗的KLZ-1 密封件試片。

圖2 KLZ-1密封件試片實物圖

表1 橡膠力學性能測試數(shù)據

2.2 高溫密封承壓實驗

開展了室內高溫密封承壓實驗，以驗證105 MPa抗硫井下節(jié)流器在150 ℃環(huán)境溫度和105 MPa節(jié)流壓差工況下的密封承壓性能。實驗采用高溫高壓井下工具實驗系統(tǒng)，實驗過程如下：首先將105 MPa抗硫井下節(jié)流器下端用試壓堵頭堵住，將工具坐封于配套的工作筒中，將工作筒安裝在高溫高壓井下工具實驗井筒中。隨后對工具注入氣體打壓至13 MPa，升溫至150 ℃后保持溫度不變，然后逐步加壓至35 MPa、70 MPa，最后升壓至105 MPa，并穩(wěn)壓15 min。

泄壓完成后，操作人員可通過震擊器直接將節(jié)流器取出，并得到了如圖3所示的密封承壓實驗曲線，該曲線中105 MPa下保壓時間為15 min，壓降為0.6 MPa。實驗結果表明：節(jié)流器在該溫度及壓力條件下，膠筒等密封件未發(fā)現(xiàn)形變和失效，節(jié)流器在工作筒中坐封正常，工具承壓差能力合格。通過室內實驗雖然可以驗證工具的耐腐蝕性以及高溫密封承壓性能，但是在地面開展105 MPa壓差的節(jié)流試驗是不太現(xiàn)實的，不僅實驗成本較高且危險性極大。得益于計算機技術的發(fā)展，可以利用數(shù)值模擬的方法開展仿真實驗研究確定工具的節(jié)流效果[14]、流場分布以及沖蝕磨損規(guī)律[15-16]，大幅降低工具現(xiàn)場試驗風險。

圖3 密封承壓實驗曲線

3 流體力學計算模型的建立

開展節(jié)流器數(shù)值模擬實驗，首先需要建立該型節(jié)流器的等比例流體力學計算模型。流場計算模型如圖4所示，流域計算模型長度為3.3 m，入口壓力為120 MPa，節(jié)流噴嘴內徑為7 mm，節(jié)流噴嘴長度為20 mm，地層溫度取363.15 K，考慮了天然氣的可壓縮性以及與地層間的熱交換。為了提高模型計算準確性，模型通過多次剖分，實現(xiàn)了全結構化網格劃分，節(jié)流嘴附近進行了局部加密，保證了模型重點部位的計算精度。模型網格單元共158 230個，全部為六面體網格，網格質量較好，完全滿足流體動力學計算的網格精度要求。模型計算采用Standard k-epsilion湍流模型，流體為理想氣體，離散相計算考慮與主相間相互作用。

圖4 流場計算模型

4 數(shù)值模擬結果分析

4.1 節(jié)流器流場模擬結果

通過數(shù)值模擬實驗，得到節(jié)流器內部壓力場分布如圖5所示。從圖5中可以看出節(jié)流器節(jié)流效果顯著，節(jié)流氣體流動穩(wěn)定后壓降能夠達到105 MPa左右，節(jié)流后壓力可以滿足15 MPa的指標要求。工具過渡段流道和主流道的直徑基本是在一個數(shù)量級，所以未見明顯的壓力梯度變化，從局部放大的云圖可以看出，壓力梯度的變化主要都出現(xiàn)在節(jié)流噴嘴位置。

圖5 流場壓力分布云圖

為了更加清楚的展示工具內部的壓力變化趨勢，沿工具中心線位置的壓力變化曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，從入口到出口段(3.3～0 m)，壓力在節(jié)流位置是斷崖式的突降，出節(jié)流噴嘴后在過渡段有小幅度的上升，最后穩(wěn)定到15 MPa的出口壓力，過渡段和主流道段壓力變化不明顯。

圖6 節(jié)流器中心線位置壓力分布

從圖7中可以看出，密度場分布規(guī)律與壓力場分布規(guī)律類似，表明理想氣體壓力與密度間呈正比例關系。由于天然氣的可壓縮性顯著，節(jié)流后氣體密度只有節(jié)流前密度的12.54%。整個流場氣體最大密度為638 kg/m3，最小氣體密度為66.4 kg/m3。

圖7 流場剖面氣體密度分布

圖8為流場剖面速度分布云圖，顯示天然氣最大流速為793 m/s，出現(xiàn)在節(jié)流噴嘴前端位置，并形成了約6 cm長的高速區(qū)域段，節(jié)流噴嘴前端未見明顯的激波產生。該井模擬結果為質量流量1.70 kg/s，產量約20.48×104m3/d。為了判斷節(jié)流器是否達到最大出氣量，還可以采用公式(1)進行核算。

(1)

式中:p1—節(jié)流嘴入口壓力，MPa；

d—節(jié)流嘴內徑，mm；

γg—氣體相對密度，kg/m3；

T1—節(jié)流嘴入口溫度，K；

Z1—節(jié)流嘴入口氣體偏差系數(shù)；

k—天然氣絕熱指數(shù)。

此外，從圖8中流體跡線分布中可以看出，流體通過節(jié)流噴嘴區(qū)域后，在過渡段和油管段均存在不同程度的紊流現(xiàn)象，其中過渡段紊流更加明顯，該現(xiàn)象和該區(qū)域強烈的能量交換也是密不可分的。

圖8 流場剖面速度分布云圖

流體的溫度場分布主要受到節(jié)流效應和壁面溫度的影響，由圖9可以看出，流體的附面層溫度接近地層溫度363.15 K，節(jié)流噴嘴區(qū)域流體溫度急速下降，最大溫度降接近155 K。最低點溫度為221 K，最高溫度376 K，在節(jié)流噴嘴上部區(qū)域形成了長約6 cm的溫度梯度變化區(qū)域。該區(qū)域節(jié)流后的低溫流體與周圍的高溫流體迅速混合，產生了明顯的熱量交換。高速流體始終持續(xù)受到地溫傳熱的影響，即使生成水合物，由于壁面溫度較高，水合物也會迅速融化分解，不會出現(xiàn)水合物堵塞噴嘴的情況。

圖9 流場剖面溫度分布云圖

4.2 節(jié)流器沖蝕及結構優(yōu)化

圖10為工具內壁面沖蝕速率分布及顆粒運動軌跡示意圖，發(fā)現(xiàn)高沖蝕速率區(qū)域和固相顆粒的滯留有著密不可分的關系。按照目前初設的固相質量比例(1/1 000)和較小的固相顆粒大小，該節(jié)流器的最大沖蝕速率為2.23×10-7kg/m2·s，高沖蝕速率區(qū)域主要出現(xiàn)與節(jié)流噴嘴相連的過渡段下端面。該節(jié)流噴嘴前端壁面由于采用了9.5 mm長的變徑段，節(jié)流嘴兩端也進行了倒角處理，所以節(jié)流噴嘴壁面的沖蝕速率相對較低。對比此前未進行節(jié)流噴嘴結構優(yōu)化的全通徑噴嘴，噴嘴兩端壁面的沖蝕速率降低約32%。

圖10 壁面沖蝕速率分布及顆粒運動軌跡

5 結論

(1)研制了一種節(jié)流壓差105 MPa、適用于超高壓氣井的固定式抗硫井下節(jié)流器，選取了節(jié)流器本體材料、工作筒材料、密封件材料。

(2)開展了節(jié)流器高溫密封承壓實驗，驗證了工具在150 ℃環(huán)境溫度和105 MPa節(jié)流壓差工況下的密封性及承壓能力。

(3)開展數(shù)值模擬實驗得到了工具的壓力分布、密度分布、速度分布、溫度分布，驗證了其105 MPa壓差節(jié)流效果。

(4)得到了該節(jié)流器的沖蝕速率分布規(guī)律，優(yōu)選了一種節(jié)流噴嘴處沖蝕速率相對較小的節(jié)流噴嘴結構。