ABSTRACT

In this paper, a simplified physical model at the throttle choke is established based on the Fluent Software. The flow properties of gas-liquid two-phase flow at the throttle nozzle are studied. As a result, the pressure and the temperature at the entrance of the throttle nozzle decrease sharply and then achieve a balance through the energy attenuation. The total variation trend is reduced. It provides a theoretical foundation to prevent the hydrate formation.

Keywords:Gas-Liquid Two-Phase Flow, Restriction, CFD Simulation, Gas Hydrate

气液两相节流数值模拟

刘德生

中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京

收稿日期：2015年7月14日；录用日期：2016年1月26日；发布日期：2016年1月29日

摘 要

本文研究气液两相流在节流嘴处的流动规律，利用Fluent计算流体动力学软件，对节流嘴附近的流体流动状况进行数值模拟。分析结果表明，流体的压力、温度在节流嘴入口处急剧减小，再经过能量衰减逐渐达到平衡，总的变化趋势是减小的，为现场预防水合物的生成提供参考依据。

关键词 :气液两相流，节流，CFD模拟，水合物

1. 引言

水合物的生成问题是油气生产中一个十分重要的工程问题。产出混合液在井筒和地面管线中节流流动时，其压力、温度会发生突变，压力、温度的变化是导致水合物生成的重要原因。生产过程中水合物的形成给油井生产带来严重的危害，而且给油井的科学管理也带来许多困难。研究产出混合液在节流嘴处的流动规律，对于指导生产有重要的实际意义。

2. 气液两相节流预测数学模型

对于气液两相节流模型，Ashford和sachdeva等分别提出了相应的数学模型，这些模型主要针对气井的气嘴节流问题[1] -[6] 。针对含有伴生气的油井，可将油气作为复合流体，然后考虑复合流体的两相节流，得出用于含伴生气节流计算模型[7] -[9] 。

2.1. 复合流体参数

含伴生气油井的产出物包括从分离器分离出的原油和溶解气，忽略溶解气逃逸。由于大多数油井的气体含量很低，可以把溶解气折算成油相作为总量的一部分，称为复合流体。因此须对流量、相对密度等参数作相应的修正。

1) 复合流体流量的修正

(1)

式中：为修正后的总流量，m³/d；为经分离器得到的油相产量，m³/d；为气相产量，m³/d；为气相的相当油相体积，m³/m³。

(2)

式中：为气相相对密度；为气相分子量。

2) 复合流体相对密度

(3)

式中：为复合流体相对密度；为地面总生产气油比，m³/m³；为分离器的油相相对密度。

2.2. 复合流体–水混合物参数

由于这类油井的气液两相混合较为均匀，可视为均匀的单相流，在两相流动过程中，微小气泡悬浮于油相中，油相是气泡的载体，油相是连续相，气泡是分散相。油气水三相间无相对运动，即无滑脱现象。

在气液两相节流稳定流动能量方程中，主要包含复合流体–水混合物的密度和速度两个参数，只要确定出这两个参数，问题就得到解决。

1) 复合流体–水混合物的密度

根据两相流密度计算公式：

(4)

式中：为复合流体–水混合物的密度，kg/m³；为水密度，kg/m³；为持液率。

气液两相间的相对速度可视为零，持液率可用无滑脱持液率计算。

(5)

式中：为水流量，m³/s；为复合流体流量，m³/s。

将式(5)代人式(4)得复合流体–水混合物的密度：

(6)

(7)

式中：为含水校正系数。

2) 复合流体–水混合物的速度

同理可得复合流体–水混合物的速度：

(8)

2.3. 气液两相节流稳定流动能量方程

气液两相节流预测模型可以根据流体稳定流动能量方程推导出来。流体混合物流过节流嘴等节流元件时可以假设：忽略位能，且不对外做功，摩阻能损耗在总能量消耗的结构中很小，可以忽略不计，流体流动中各相速度相同。气液两相流体节流过程的稳定流动能量方程为：

(9)

式(9)在任何状态下都成立。前面已确定出产水凝析气井的、。将式(6)和(8)代人式(9)，并引入节流绝热等熵过程和单位换算，可推得：

(10)

式中：为通过节流嘴流量，m³/d；为节流嘴流量系数；为节流嘴上游压力，MPa；为节流嘴面积，mm ；为节流嘴上游温度，K；为节流嘴上游气体偏差系数；K为气体绝热指数，对天然气可取1.299；R为节流嘴上下游压力比，。

3. 井下节流过程的CFD数值模拟

利用现在国际上比较流行的CFD软件——Fluent软件对所研究的节流嘴进行数值模拟分析。

3.1. 模型

3.1.1. 数学模型

在节流嘴的研究中，将节流嘴及其两端管道的几何形状简化为二维轴对称圆柱形，流动状态按可压缩理想气体紊流流动状态进行研究，通过数值求解二维Navier-Stokes方程得出节流嘴的流场数值模拟分析结果。

3.1.2. 结构几何模型

对于安装在石油管道、节流管汇上的节流嘴而言，根据其结构形式，分为固定式和可调式两种形式。对问题进行简化，在这里采用的是结构形式最简单的固定式节流嘴进行分析的，如图1所示(剖面图)。

如图1所示的剖面图，该固定式节流阀是一个二维圆形直管段，它由三段组成，其D = 60 mm，d = 5.0 mm，比值d/D = 0.08。沿着流动方向，L₁ = 100 mm，L₂ = 40 mm，L₃ = 200 mm。网格划分是结构性网格与非结构性网格组成。

3.2. 计算结果及分析

根据相关的物理模型和参数进行模拟分析。对节流过程进行了数值模拟，并得到很好收敛效果。得到了流体的流速、压力、温度在节流过程中的二维变化情况，具体见以下分析。

3.2.1. 速度变化情况

速度的变化情况如图2、图3所示，从图中可以看出，速度总的变化趋势是在节流嘴入口处，截面积急剧减小，流速急剧增大。在节流嘴出口处，由于出口处压强大于反压，因此，流体要继续膨胀，速度会进一步增大，然后经过一系列的膨胀、压缩，再膨胀、再压缩的周期性变化过程，能量逐渐衰减，最后与周围流体相混合达到平衡。

图1. 节流嘴流道示意图

图2. 速度矢量图

3.2.2. 压力变化情况

压力的变化情况如图4、图5所示，从图中可以看出，经过节流嘴后压力降低了34 MPa。在节流嘴入口处，截面积急剧减小，此时流体压力也急剧减小。在节流嘴出口处，由于出口压力大于反压，因此

图3. 轴线上速度分布图

图4. 轴线上压力分布图

图5. 等压力线图

图6. 轴线上静态温度曲线图

流体继续膨胀，压力也不断下降，在经过不断衰减的激波系的作用下，流体压力也逐渐衰减到与反压相等。

3.2.3. 温度变化情况

压力的变化情况见图6，从图中可以看出，经过节流嘴后温度降低了24.5℃。当流体进入节流嘴时，截面积急剧减小，此时温度也急剧减小，当流体流出节流嘴时，在逐渐衰减的膨胀波与压缩波波系的作用下，流体的动能逐渐转变为热能，流体温度总的变化趋势是逐渐降低的。

4. 结论

根据相关的物理模型和参数进行模拟分析。对节流过程进行了数值模拟，得到了流体的流速、压力、温度在节流过程中的二维变化情况：

1) 速度总的变化趋势是在节流嘴入口处，截面积急剧减小，流速急剧增大。再经过一系列的膨胀、压缩，再膨胀、再压缩的周期性变化过程，能量逐渐衰减，最后与周围流体相混合达到平衡。

2) 压力总的变化趋势是在节流嘴入口处急剧减小，在节流嘴出口处，压力不断下降，再经过不断衰减的激波系的作用下，流体压力也逐渐衰减到与反压相等。

3) 流体温度总的变化趋势是逐渐降低的。

文章引用

刘德生. 气液两相节流数值模拟
Numerical Simulation of Gas-Liquid Two-Phase Flow in Throttling Process[J]. 矿山工程, 2016, 04(01): 24-29. http://dx.doi.org/10.12677/ME.2016.41005

参考文献 (References)