應急封井裝置對接方法數值模擬研究*

2022-07-12 03:57:52呂鑫毛寧葛陽周云健任美鵬

石油機械 2022年7期

呂鑫毛寧葛陽周云健任美鵬

(1.天然氣水合物國家重點實驗室 2.東北石油大學石油工程學院 3.中海油研究總院有限責任公司)

0 引言

水下應急封井裝置是處置深水井噴失控的重要手段。2010年，美國墨西哥灣深水井噴失控事故，不僅對海洋環境造成嚴重污染，而且給政府造成了相當大的經濟損失，歷經87 d的緊急救援，最終，英國石油公司技術團隊使用水下應急封井裝置成功封蓋失控井口[1-2]。應急封井裝置在墨西哥灣案例中的成功應用使得應急封井裝置在石油行業內備受關注，因此，國內外學者對應急封井裝置展開了一系列研究。

王定亞等[3]對現有的應急封井裝置進行了技術性能分析，指出應急封井裝置應向抗高溫、抗高壓和更加安全可靠方向發展。蘇尚文等[4]對應急封井裝置的現場下放安裝工藝進行了研究。付劍波等[5]通過有限元建立了水下應急封井裝置下放過程中鉆桿的力學分析模型，模擬計算了鉆桿各個節點的偏移量、剪力、彎矩值以及所受拉力。張春雨等[6]根據材料疲勞壽命的Miner理論對應急封井裝置二次封蓋進行了有限元靜載分析，得到了二次封蓋的危險部位，為應急封井裝置的無損檢測提供了參照。李倩等[7]采用CFD數值模擬方法對不同工況下的應急封井裝置內部流動情況進行了研究。

以上文獻只針對應急封井裝置的發展歷史[8-9]、技術性能[10]、下放流場[11-13]、噴散規律[14]、材料力學性能以及內部磨損[15]進行了研究，卻忽略了對應急封井裝置對接方法的研究，并且隨著油氣資源不斷向深水領域發展，海域天然氣水合物開發逐漸提上日程，深水鉆井過程中的流動保障、風險預測以及評價問題亟待解決，海域天然氣水合物井噴失控水下應急封井裝置下放流場、安裝對接方式及受力變化規律，對于保證鉆井過程中多相流體連續運移和開發海域天然氣水合物施工過程中的流動保障具有十分重要的意義。因此，基于鉆桿法下放安裝應急封井裝置時，本文采用CFD數值模擬方法對應急封井裝置與失控井口對接方式(水平對接、垂直對接)進行研究，通過分析模擬結果對兩種對接方式的失效風險進行評價。

1 數值模擬

1.1 建立應急封井裝置三維模型

目前國際上已有的應急封井裝置分為三類:閘板防噴器結構水下應急封井裝置、閥門結構水下應急封井裝置及分體式水下應急封井裝置，三者底部迎流面均為突起的法蘭圓環面和框架式的筋板結構。因此，本文對應急封井裝置建模時進行了合理的力學結構簡化，如圖1所示。

圖1 應急封井裝置力學結構簡化模型Fig.1 Simplified mechanical structure model of capping stack device

模型中迎流面的長與寬均為1.5 m，并且建模中保留了應急封井裝置支撐受力的“米”字形筋板結構、內徑為0.5 m的引流通孔以及外徑為0.8 m的對接法蘭，從而有效保證了模擬中應急封井裝置受力的真實性，同時為了避免水擊效應的產生，模擬中將裝置的引流通孔設置為打開狀態。

1.2 建立海域三維模型

考慮到應急封井裝置下放至水下環境時的受力均衡性，本文模擬海域的三維模型采用長、寬、高比例為1∶1∶2的長方體模型作為整體流域，其中模擬海域高度為6 m，模擬海域寬度為3 m，失控井口高度為0.1 m。海域三維網格模型如圖2所示。對海域三維模型整體采用四面體非結構網格劃分，經網格獨立性檢驗后得出模擬最佳網格數量為1 987 452個。

圖2 海域三維網格模型Fig.2 Three-dimensional grid model of sea area

井噴介質在海水中的流動屬于氣-液兩相流，因此，本文利用歐拉雙流體模型研究水下井口井噴失控后井口附近的湍流流動，模擬海域主相設置為液相(水)，次相設置為氣相(天然氣)，入口邊界條件為速度入口，并且將入口處的主相體積分數設置為0、次相設置為1；出口邊界條件采用壓力出口，為了模擬3 000 m水下壓力環境，將出口壓力值設置為30 MPa。

1.3 控制方程組

海域液相和氣相的連續性方程如下：

(1)

(2)

式中：t為時間，s；αg為氣相體積分數，無量綱；αl為液相體積分數，無量綱；ug為氣相速度矢量，m/s；ul為液相速度矢量，m/s；ρg為氣相密度，kg/m3；ρl為液相密度，kg/m3。

液相和氣相的動量方程如下：

αl?·τl+αlρlg-β(ul-ug)

(3)

αg?·τg+αgρgg+β(ul-ug)

(4)

式中：g為重力加速度，m/s2；τ為應力張量，N/m；p為壓力，Pa；β為氣液兩相間的動量交換系數。

氣相和液體之間的動量交換系數計算式為：

(5)

式中：τp為松弛因子，無量綱；f為曳力系數，無量綱。

曳力系數f采用文獻[16-17]的曳力系數模型計算所得，計算式為：

(6)

(7)

(8)

式中：Re為雷諾數，無量綱；dg為氣泡直徑，m。

采用有限體積法對上述控制方程進行離散化。速度場和壓力場與壓力連接方程(SIMPLE)算法的半隱式方法耦合。瞬態方程采用二階隱式格式。此外，空間離散的格式基于梯度最小二乘單元，壓力、動量、湍流動能、湍流耗散率和雷諾應力也是二階迎風格式。所有的模擬都在0.5 ms的時間步長下進行，每個時間步長20次迭代。通過對每個標度殘差分量使用10-5的收斂準則來指定兩次連續迭代之間的相對誤差。在這項工作中，所有的模擬由28臺QuantaT41S-2U服務器計算，服務器的核心是i7處理器，模擬時長約40 d。

2 數值模擬結果分析

2.1 垂直對接

2.1.1 不同下放高度應急封井裝置的流場變化規律

垂直對接時在井噴速度v=150 m/s的條件下研究不同下放高度應急封井裝置的受力規律。模擬分為距離失控井口垂直高度分別為3.0、2.0和1.0 m3個水平展開，不同下放高度應急封井裝置氣相速度云圖如圖3所示。

圖3 不同下放高度應急封井裝置氣相速度云圖Fig.3 Cloud chart of gas phase velocity of capping stack device at different lowering heights

由圖3可以看出：同一噴速下隨著應急封井裝置從3.0 m下放至1.0 m的過程中流體速度核心被不斷壓縮，井噴流體受壓縮后被迫進入應急封井裝置引流通孔，這使得原本發散的流體全部進入引流通孔的狹長流道，導致其流速二次發展，因此，下放距離為1.0 m時井噴流體速度峰值明顯高于3.0和2.0 m；隨著應急封井裝置與失控井口的逐漸靠近，噴流速度峰逐漸被引流通孔匯聚和吸引，故應急封井裝置的迎流面受力面積將呈縮小趨勢。

圖4顯示的是井噴速度v=150 m/s時應急封井裝置在不同下放高度時所受井噴射流沖擊力范圍的變化。由圖4可以看出：應急封井裝置垂直下放對接過程中其所受井噴射流沖擊力范圍呈倒圓錐式逐漸減小；其受力面積最大處為噴流發散最高點，隨著進一步下放，井噴流體被應急封井裝置的引流通孔逐漸匯聚、吸引，噴流發散范圍逐漸收斂。

圖4 應急封井裝置的受力變化規律Fig.4 Change law of forces on capping stack device

2.1.2 噴速變化對應急封井裝置的受力影響規律

圖5顯示的是3種井噴速度(150、200和250 m/s)下應急封井裝置迎流面所受井噴流體沖擊力的變化規律。由圖5可以看出，在應急封井裝置由3.0 m下放至1.0 m的過程中，3種井噴速度下其迎流面受力均逐漸減小，下放高度由3.0 m下放至2.0 m時迎流面受力下降明顯，2.0 m之后均下降較為緩慢。

圖5 3種井噴速度下應急封井裝置下放過程中迎流面受力變化曲線Fig.5 Changes of force on the upstream surface during lowering capping stack device at three blowout speeds

當井噴速度為150和200 m/s時，迎流面所受沖擊力下降趨勢基本相同，下放高度由3.0 m處下降至1.0 m時，迎流面受力均下降60.23%，當井噴速度增加至250 m/s時，迎流面受力下降較為明顯，前后受力下降了66.15%。這表明垂直對接應急封井裝置時其最大對接失效風險位置位于井噴流體的最高發散點，之后隨著高度降低應急封井裝置引流通道對井噴流體的匯聚作用加強，使得應急封井裝置迎流面受力范圍減小，對接失效風險逐漸降低。

2.2 水平對接

2.2.1 不同偏移距離對應急封井裝置流場的影響規律

不同于垂直對接，水平對接時首先將應急封井裝置下放至與失控井口一側同一水平高度處，然后逐漸向失控井口靠近。因此，為了研究應急封井裝置在不同偏移距離時噴流流場的變化規律，本文分別對偏移距離為0、0.2和0.4 m，井噴速度為150 m/s、高度為1.0 m時應急封井裝置與失控井口水平對接過程進行模擬。

圖6顯示的是不同偏移距離下應急封井裝置水平對接的速度流場變化規律。由圖6可以看出：當偏移距離為0.4 m時，應急封井裝置對接法蘭迎流面沒入噴流流束，僅有一小部分流體由引流通孔流出，絕大部分流體在與應急封井裝置對接法蘭迎流面沖擊后由波峰中心分叉從側向流出；當應急封井裝置偏移距離由0.4 m水平運動至0.2 m處時，大部分流體被引流通孔吸引，導致噴流被側向擠壓后出現了傾斜的流速核心，此時仍存在分叉流；最后應急封井裝置運動至與失控井口正對，井噴流體流速峰均由引流通孔噴出，應急封井裝置迎流面受力均勻。

圖6 不同偏移距離下應急封井裝置水平對接速度流場云圖Fig.6 Flow field cloud chart of capping stack device in horizontal docking with different offset distances

2.2.2 不同偏移距離下應急封井裝置受力的變化規律

為了研究水平對接時應急封井裝置與失控井口中心距離的逐漸拉近過程中，應急封井裝置迎流面受井噴流體沖擊力的變化規律，筆者模擬了井噴速度v=200 m/s、下放高度h=4.9 m(應急封井裝置距失控井口垂直高度為1 m)時應急封井裝置在由偏距0.8 m逐漸向失控井口中心(0 m)靠近過程中，不同偏距下應急封井裝置受力的變化規律，結果如圖7所示。

由圖7可以看出：隨著應急封井裝置與失控井口在同一水平高度逐漸靠近的過程中，應急封井裝置受力變化規律總體呈現為拋物線，前期逐漸增大，后期逐漸減小；前期(偏距0.8～0.4 m)應急封井裝置由于單側接近井噴流體且噴流與應急封井裝置疊合面逐漸增大，因此，其所受沖擊力成正比例函數曲線增大，增漲幅度為60.25 kN/m；當應急封井裝置移動至水平距離為0.4 m時，由于應急封井裝置迎流面已被井噴流體覆蓋，此時若距離進一步靠近引流通孔將匯聚、吸引噴流，使得噴流對迎流面的沖擊作用減弱，故水平偏移距離為0.4 m時噴流對應急封井裝置的沖擊力達到峰值；后期(偏距0.4～0 m)隨著二者水平距離逐漸縮短，引流通孔對噴流的匯聚和吸引作用逐漸明顯，使得流體發生分叉、偏轉，部分流體從引流通孔噴出并且流量逐漸增大，作用于迎流面的噴流不在垂直射向迎流面而是存在一定的偏轉角，故封井裝置所受沖擊力以68.08 kN/m的幅度減小，沖擊力下降顯著。由此表明，水平對接時應急封井裝置單側受力明顯且受力較大，對下放對接鉆桿抗剪切強度和螺紋的抗拉強度有一定要求，對接失效風險較大。

圖7 不同偏距下應急封井裝置受力的變化規律Fig.7 Change law of forces on capping stack device with different offset distances

3 兩種對接方式對接失效風險評價

筆者通過對應急封井裝置處于不同對接方式和不同流場環境下的模擬結果的分析，得出兩種對接方式的優缺點，如表1所示。

表1 兩種對接方式的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of two docking methods

由表2可以看出垂直對接與水平對接各有優劣。垂直對接時需要對應急封井裝置與失控井口進行精準定位并且克服海域的洋流影響，應急封井裝置下放至噴流作用區域后需持續定位輔助。由此可見：垂直對接時，對接輔助設備有非常高的要求，增加了對接成本，其優點是可以有效避免封井裝置受井噴流體沖擊作用從而提高對接成功率，降低對接風險；水平對接時，前期下放工作較容易，可以有效避免噴流沖擊，但后期下放至與井口相同高度時對接過程單側受力明顯，對接風險較大。