气井井筒温度压力耦合分析及井下节流工具优化设计
发布时间：2020-12-10 22:42
天然气井在开发过程中容易出现水合物冰堵的现象,对气井生产效率和科学管理造成巨大影响。由于常规的地面节流工艺需要加热保温装置,会增加经济成本以及井口处的风险性,可以利用井下节流技术。将节流器安装在井筒中某合适深度,对气流进行降温降压,同时借助地层热量来提高气流温度,以保证节流后气体温度高于该压力条件下水合物生成温度,避免水合物的生成。本文从井下节流原理入手,基于能量、质量和动量守恒定律并结合井筒径向传热原理,同时考虑流体物性参数与井筒温度、压力间相互关系和温度压力耦合效应,构建气井温度压力耦合预测模型。对所建立的模型采用四阶龙格-库塔法求解,并编制MATLAB程序,获得气井温度、压力随井深分布图。以节流器所在深度为节点,根据节流温降、压降数学模型,分段计算来得到节流工况下气井参数变化图,分析气体相对密度和气井产量对温度、压力的影响。结合相关计算公式确定节流器的主要工艺参数,包括节流器合理下入深度和气嘴口径等,并以实际井例验证。利用建立的模型和程序能得到气井内流体参数沿井深的分布情况,考虑到节流气嘴周围流体流态十分复杂,且气嘴直径的突变会导致稳定的层流变为湍流状态,流体流速加快,容易产生涡...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
气体流经节流气嘴的状态示意图
9图2-2气井产量与节流压力比的关系图211p2()0.546p1KKKKβ==≈+(2-2)公式中，k:绝热指数，k=Cp/Cv=1.3，无量纲。利用流体临界状态性质，可以借助临界压力比βk来推导出大部分节流嘴产状模型。无论井口节流或井下节流，当节流嘴出口处流速与声速比值等于1（流速1马赫）时，临界压力比公式可简化为：21p0.5pKβ=≈(2-3)节流过程前后压降为：12111Δp=p-p≈p-0.5p=0.5p(2-4)由公式（2-4）可知，当节流压差△P与节流嘴出口压力P2相同时，通过节流嘴的流体为临界流态。采用井口节流或井下节流工艺，在临界工况下考虑气嘴锁闭效应，开闭井口阀门产生的压力波动不会对气嘴上游管段压力稳定产生任何影响。采用井下节流技术，除了具有稳定气井产量、保证生产效率和抑制油井出沙的作用，还能提高气流携液能力。因此，大部分研究和调查是关于临界流动状态下的节流喷嘴模型。2.2气液混合流体流经节流嘴的热力学模型在流经节流嘴时气、液两相流体（或单相气体）流速接近声速，考虑到流速过快，导致其来不及与外界环境（包括油套环空、套管、水泥壁面、地层等组成的多环壁）发生热交换便流出节流器。认为该过程属于等熵绝热膨胀过程，气流或气液两相流进入节流嘴后，由于涡流、摩擦效应产生扰动，致使节流过程不可逆。基于热力学第一定律，节流过程能量交换关系符合公式（2-5）：()()222121q=i-i+w-w+2gAAL(2-5)公式中，q：节流系统与外界产生热量互换（放热为负，吸热为正），J/kg；w1，w2：流动介质在节流嘴入口、出口的流速，m/s；i1，i2：流动介质在节流嘴入口、出口的焓值，J/kg；
10L：同外界环境交换的机械功，J/kg；g：重力加速度，9.8m/s2；A：热当量，J/kg。考虑到节流过程中流动介质与外界没有热交换且对外不做机械功，则q=0、L=0，公式（2-5）简化为：()221221i-i=w-w2gA(2-6)节流嘴出口处流体流速为：()221122gw=w+i-iA(2-7)由上述计算模型可得如下结论：气、液两相流体经过节流嘴时，在气嘴腔内损失的内能（i1-i2）转化为动能，使流体节流后流速急剧增加。如图2-3所示，根据等熵绝热膨胀效应的P-V图和T-S图可知：流体在节流装置入口（状态I）压力P1大于出口（状态II）压力P2，而比容与压力关系成反比，即V1＜V2。通过P-V图中曲线下方所围区域（a-b-II-I）表示流体节流中所做膨胀功。基于热力学原理，节流前后流体的熵值不变（S1=S2），由于产生了内能损失（△i=i1-i2），节流嘴出口温度T2低于入口温度T1。这是节流过程中流体内能转化为膨胀功的情形。（a）（b）（c）图2-3节流嘴等熵绝热膨胀过程示意图对气、液混合流体流态展开分析可知流速增加，当不考虑惯性和摩擦效应造成的能量损失，节流前后流体动能增量均是由消耗的内能所转化。节流作用使混合流体温度下降，导致节流嘴出口周围容易生成水合物。
【参考文献】：
期刊论文
[1]气井井下节流温降压降模型建立及节流参数的研究[J]. 曹银萍,宋振宇,窦益华,郑杰. 石油工业技术监督. 2019(11)
[2]产液水平气井井下节流工艺参数优化及应用[J]. 周舰. 石油机械. 2018(04)
[3]地下储气库注采井温度压力耦合分析[J]. 张弘,申瑞臣,梁奇敏,董文涛. 科学技术与工程. 2017(31)
[4]井下节流技术在塔里木油田的应用评价[J]. 王发清,曹建洪,曹献平,陈德飞,秦汉. 钻采工艺. 2017(04)
[5]高温高压井双封隔器管柱安全评估[J]. 胡志强,杨进,李中,李文龙,顾岳,李舒展. 石油钻采工艺. 2017(03)
[6]水力压裂注入流体流动新模型[J]. 陈守雨,杜林麟,宋博,张佩波,高萌迪. 中外能源. 2016(03)
[7]高温高压井套管多环空压力体积耦合分析[J]. 窦益华,薛帅,曹银萍. 石油机械. 2016(01)
[8]产水气井井下节流参数优化设计新方法[J]. 王一妃,王京舰,胥元刚,马昌庆,余东合,王金霞. 石油钻采工艺. 2015(06)
[9]深水油气井开采过程环空压力预测与分析[J]. 张波,管志川,张琦. 石油学报. 2015(08)
[10]产水气井井筒温度压力计算方法[J]. 李波,甯波,苏海洋,刘虹,位云生. 计算物理. 2014(05)
硕士论文
[1]柯克亚深层凝析气藏井下节流模拟[D]. 刘德生.西南石油大学 2007
[2]井下节流机理研究及现场应用[D]. 佘朝毅.西南石油学院 2004
本文编号：2909402
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
气体流经节流气嘴的状态示意图
9图2-2气井产量与节流压力比的关系图211p2()0.546p1KKKKβ==≈+(2-2)公式中，k:绝热指数，k=Cp/Cv=1.3，无量纲。利用流体临界状态性质，可以借助临界压力比βk来推导出大部分节流嘴产状模型。无论井口节流或井下节流，当节流嘴出口处流速与声速比值等于1（流速1马赫）时，临界压力比公式可简化为：21p0.5pKβ=≈(2-3)节流过程前后压降为：12111Δp=p-p≈p-0.5p=0.5p(2-4)由公式（2-4）可知，当节流压差△P与节流嘴出口压力P2相同时，通过节流嘴的流体为临界流态。采用井口节流或井下节流工艺，在临界工况下考虑气嘴锁闭效应，开闭井口阀门产生的压力波动不会对气嘴上游管段压力稳定产生任何影响。采用井下节流技术，除了具有稳定气井产量、保证生产效率和抑制油井出沙的作用，还能提高气流携液能力。因此，大部分研究和调查是关于临界流动状态下的节流喷嘴模型。2.2气液混合流体流经节流嘴的热力学模型在流经节流嘴时气、液两相流体（或单相气体）流速接近声速，考虑到流速过快，导致其来不及与外界环境（包括油套环空、套管、水泥壁面、地层等组成的多环壁）发生热交换便流出节流器。认为该过程属于等熵绝热膨胀过程，气流或气液两相流进入节流嘴后，由于涡流、摩擦效应产生扰动，致使节流过程不可逆。基于热力学第一定律，节流过程能量交换关系符合公式（2-5）：()()222121q=i-i+w-w+2gAAL(2-5)公式中，q：节流系统与外界产生热量互换（放热为负，吸热为正），J/kg；w1，w2：流动介质在节流嘴入口、出口的流速，m/s；i1，i2：流动介质在节流嘴入口、出口的焓值，J/kg；
10L：同外界环境交换的机械功，J/kg；g：重力加速度，9.8m/s2；A：热当量，J/kg。考虑到节流过程中流动介质与外界没有热交换且对外不做机械功，则q=0、L=0，公式（2-5）简化为：()221221i-i=w-w2gA(2-6)节流嘴出口处流体流速为：()221122gw=w+i-iA(2-7)由上述计算模型可得如下结论：气、液两相流体经过节流嘴时，在气嘴腔内损失的内能（i1-i2）转化为动能，使流体节流后流速急剧增加。如图2-3所示，根据等熵绝热膨胀效应的P-V图和T-S图可知：流体在节流装置入口（状态I）压力P1大于出口（状态II）压力P2，而比容与压力关系成反比，即V1＜V2。通过P-V图中曲线下方所围区域（a-b-II-I）表示流体节流中所做膨胀功。基于热力学原理，节流前后流体的熵值不变（S1=S2），由于产生了内能损失（△i=i1-i2），节流嘴出口温度T2低于入口温度T1。这是节流过程中流体内能转化为膨胀功的情形。（a）（b）（c）图2-3节流嘴等熵绝热膨胀过程示意图对气、液混合流体流态展开分析可知流速增加，当不考虑惯性和摩擦效应造成的能量损失，节流前后流体动能增量均是由消耗的内能所转化。节流作用使混合流体温度下降，导致节流嘴出口周围容易生成水合物。
【参考文献】：
期刊论文
[1]气井井下节流温降压降模型建立及节流参数的研究[J]. 曹银萍,宋振宇,窦益华,郑杰. 石油工业技术监督. 2019(11)
[2]产液水平气井井下节流工艺参数优化及应用[J]. 周舰. 石油机械. 2018(04)
[3]地下储气库注采井温度压力耦合分析[J]. 张弘,申瑞臣,梁奇敏,董文涛. 科学技术与工程. 2017(31)
[4]井下节流技术在塔里木油田的应用评价[J]. 王发清,曹建洪,曹献平,陈德飞,秦汉. 钻采工艺. 2017(04)
[5]高温高压井双封隔器管柱安全评估[J]. 胡志强,杨进,李中,李文龙,顾岳,李舒展. 石油钻采工艺. 2017(03)
[6]水力压裂注入流体流动新模型[J]. 陈守雨,杜林麟,宋博,张佩波,高萌迪. 中外能源. 2016(03)
[7]高温高压井套管多环空压力体积耦合分析[J]. 窦益华,薛帅,曹银萍. 石油机械. 2016(01)
[8]产水气井井下节流参数优化设计新方法[J]. 王一妃,王京舰,胥元刚,马昌庆,余东合,王金霞. 石油钻采工艺. 2015(06)
[9]深水油气井开采过程环空压力预测与分析[J]. 张波,管志川,张琦. 石油学报. 2015(08)
[10]产水气井井筒温度压力计算方法[J]. 李波,甯波,苏海洋,刘虹,位云生. 计算物理. 2014(05)
硕士论文
[1]柯克亚深层凝析气藏井下节流模拟[D]. 刘德生.西南石油大学 2007
[2]井下节流机理研究及现场应用[D]. 佘朝毅.西南石油学院 2004
本文编号：2909402
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