稠油井井口采出液密闭取样器流场数值计算

王春生 董国庆 徐玉建 田明磊 仪记敏 孟珊

摘 要： 在我国超稠油开采过程中出现了高浓度的硫化氢气体，给现场的取样工作带来极大的困扰。目前，国内研究生产的取样器大多为开放式，这些取样器存在着残留物质清洗困难、原料利用不充足、破坏环境严重、以及使用过程中发生危险的几率大等等弊端，而国外生产的取样器价格昂贵，不能满足实际条件下的经济因素。因此在国内生产的设备弊端多、国外设备价格高的条件下设计一款新型的密闭环保取样器是非常有必要的。通过对现场实际情况的调研，基于活塞式取样器的原理，通过对目前取样器装置的结构与工作原理的分析，运用SolidWorks对取样器进行建模与装配，得到取样器的三维模型。使用软件建立取样器的简化模型，通过应用FLUENT中动网格部分的UDF编写成功的实现了液体吸入取样器内部。运用FLUENT数字模拟软件，通过对流体非定常流的数值模拟，控制不同的抽吸速度分别得到气体的体积分布，并计算最终的含气率与含水率，再对模拟结果进行分析，获得抽吸速度对于气体含量的影响。

关 键 词：取样器；硫化氢；抽吸速度；数值模拟

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1642-03

Numerical Calculation of Flow Field in Heavy

Oil Well Head Produced Fluid Closed Sampler

WANG Chun-sheng，DONG Guo-qing，XV Yu-jian，TIAN Ming-lei，YI Ji-min， MENG Shan

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China）

Abstract： High concentration of hydrogen sulfide gas appears in the development process of super heavy oil， which sets back the sampling work. The current domestic sampler is open type. This kind of sampler has many disadvantages， such as material waste， hard residual cleaning and big environment pollution risk and so on. As the price of foreign samplers are very high， it is of great important significant to design a new airtight environmental sampler. Base on the actual situation of research and the principle of piston sampler， after studying the structure and the working principle of current piston sample， three-dimensional model of the sampler was obtained by using Solid Works modeling and assembling. Simplified sampler model can be built with software by applying the UDF in FLUENT moving mess part. With the use of digital simulation software FLUENT， numerical simulation of unsteady fluid flow， controlling different pumping speed， volume distribution of gas was obtained，and the final gas rate and moisture content were calculated， and then the simulation results were analyzed to obtain effect of suction velocity on the gas content.

Key words： Sampler； Hydrogen sulfide； Suction speed； Mumerical simulation

在油田開发过程当中[1]，从油井采出的通常不只是原油，而是原油及其伴生气。在稠油开采过程中，蒸汽吞吐方法是行之有效的，但在蒸汽吞吐的过程中通常要加入各种表面活性剂，如除氧剂、降粘剂等，这些表面活性剂大都是含硫化合物，在一定的条件下，硫化合物具有热化学还原或分解从而在蒸汽吞吐中出现高浓度硫化氢气体，硫化氢的出现给安全生产和环保带来了很多新问题。严重威胁到油区员工的身体健康，并对环境造成污染。在取样时由于存在大量的硫化氢气体，并且目前现场使用的取样器不密闭，会对人员安全与环境带来巨大的隐患。

本文对取样装置进行了密闭的优化设计，建立取样器的三维模型，运用气液两相流理论知识，模拟在不同工况下取样装置的气体含量。分析抽吸速度对于气液两相分布的影响。

1 气液两相流动特点及处理方法

1.1 气液两相流动特点

气液两相二者间存在相分界面；介质除了与管壁存在作用力之外，两相界面间也存有作用力，并伴随能量关系；气液两相流中存在着滑脱现象，即在气液两相中，各相速度可能不同。

1.2 气液两相流的处理方法

（1）经验法—根据实验数据描述某一流动的经验关系式；

（2）半经验法—结合两相流动基本方程式及实验方法，确定描述其流动的函数式；

（3）理论分析—根据流体力学的基本方法，理论分析流动的函数关系式。

2 取样器SolidWorks模型的建立

图1活塞式原油取样器，包括筒体、筒盖、筒底、活塞、杆，排气口，阀门组成。筒盖、筒底分别固定，连接于筒体的上下两端，筒底与筒体之间形成静密封；拉杆拉动活塞沿筒体的纵向轴线上下滑动，活塞和筒体内壁形成滑动密封，由密封圈进行密封；筒底外设螺纹连接处，可以外接软管，作为被取样油品的出入口。

图1 活塞式原油取样器

Fig.1 Spherical droplets

将杆与活塞进行螺纹连接，密封圈固定于活塞上，整体置于筒体内，盖上压盖。使杆、筒体、活塞同心，同时密封圈外径与筒体内径紧密贴合，保证密封。保证拉杆沿着筒体内部上下运动。

3 抽吸速度对于取样结果的影响[2]

首先用GAMBIT软件建立取样器模型的动态网格，继而采用FLUENT软件中的UDF模块对取样器拉杆的运动进行程序的编写，取样器中流体为非定常流动，对此情况下的流动情况进行二维仿真计算；

设置取样器入口压力为0.4 MPa，油、气、水三相流[3]，含水率90%，含气率1%，油相粘度

μ=3×104 mPa·s，抽吸速度v=0.02 m/s，0.04 m/s，0.06 m/s时的H2S的体积分数分布图分别为：

（1）抽吸速度v=0.02 m/s时，当t=3，6，9.5 s时的H2S的体积分数分布图为图2：

图2 t=3，6，9.5 s时的H2S的体积分数

Fig. 2 t=3，6，9.5 s the volume fraction of H2S

此时取样器内的含水率为87.8%，含气率为1.5%。

（2）抽吸速度v=0.04 m/s时，当t=1.5，3，4.75 s时的H2S的体积分数为图3：

图3 t=1.5，3，4.75 s时的H2S的体积分数

Fig. 3 t=1.5，3，4.75 s the volume fraction of H2S

此时取样器内的含水率为89.5%，含气率1.3%。

（3）抽吸速度v=0.06 m/s时，t=1，2，3.25 s时的H2S气体的体积分数分布图为图4：

图4 t=1，2，3.25 s时的H2S的体积分数

Fig.4 t=1，2，3.25 s the volume fraction of H2S

此时取样器内的含水率为93.5%，含气率为1.2%。

由图2-6可知，相同抽吸速度时，随着时间t的增加，气相体积分数逐渐增多。时间t相同时，随着抽吸速度的加快，气相体积分数逐渐减少，水的体积分数逐渐增加，并且变化的速率逐渐减慢。

含气率随抽吸速度的变化曲线为图5。

图5 含气率随抽吸速度变化的曲线（1）

Fig.5 The change curve of gas rate with suction speed（1）

含气率随抽吸速度的变化曲线为图6。

4 结论及建议

本文通过对取样器进行运动学与动力学的理论分析[4]，得到了取样器的的几何参数。通过对以上的理论基础和SolidWorks软件的应用，实现了取样器三维模型的建立。然后利用UDF模拟取样器内部流体的运动规律，并用FLUENT对流场进行数值模拟，分别计算在不同抽吸速度下气相体积分数的云图，并计算最终的含气率与含水率。得出以下结论：抽吸速度对于最终的气体含量也具有很大的影响，随着抽吸速度的加快，最终气体的含量减少。综上所述，以取样器内流体的仿真运动为研究基准分析了抽吸速度对于气体含量的影响[5]，这对于取样时合理进行操作以及取样器的流场分析具有一定的参考意义。

图6 含气率随抽吸速度的变化曲线（2）

Fig.6 The change curve of gas rate with suction speed（2）

参考文献：

[1]金忠臣，杨川东，张守良，等. 采气工程[M]. 北京：石油工业

出版社，2004.

[2]冯翠菊，王春生，张黉. 天然气井下涡流工具排液效果影响因素分析[J]. 石油机械， 2013 （1）： 78-81.

[3]乐宏，唐建荣，葛有琰，等. 排水采气工艺技术[M]. 北京：石油工业出版社，2011.

[4] 春 兰，魏文兴 . 国内外排水采气工艺现状[J] .吐哈油气，2004，9 （ 3） ： 255-261.

[5]Dougherty Sr G A，Fehn B J，Smith T B. Apparatus and method for creating a vortex flow： US Patent 4，7，160，02[P].2007-01-09.

中核集团或重启广东核燃料项目

中国核工业集团（下称“中核集团”）或将重启在广东省的核燃料产业园项目。中核集团此前在广东江门建设的核燃料产业园项目曾在2013年因受质疑而下马。

据第一财经日报7月21日消息，广东省发改委在7月13日印发的《关于加快推进我省清洁能源建设的实施方案》（下称《方案》）的通知显示，“加快建设核燃料产业园项目，积极协调中核集团、中广核集团并争取国防科工局等相关部门支持，推进核燃料产业园项目尽快落户我省并加快建设。”

广东省发改委官网还显示，上述核燃料产业园项目是集中建设核燃料转化、浓缩、元件制造一体化项目，项目业主为中核集团和中国广核集团。上述计划表显示，该项目在最近三年内的总投资为27.3亿元，即2015年投资4.3亿元，2016年投资8亿元，2017年投资15亿元。

目前，除了廣东之外，河北也正在计划建设同样的核燃料产业园项目。自从2014年以来，中核集团高层已经与河北官方就沧州中国核工业集团公司核燃料产业园建设项目进行多次接触。河北省人民政府网2014年公布的《中国核工业集团公司核燃料产业园建设项目环境影响评价公告》显示，中核集团在河北规划的核燃料产业园计划2015年内开工建设首批项目，建设总投资初步估计约400亿元，该项目是为了服务国内外核电市场，成为国际上占有重要市场份额的核燃料供应强国。

随着核电重启，中国需要更多的核燃料。中国工程院院士、核安全专家阮可强表示，尽管目前国内的核燃料能够满足正在运行的核电机组的需求，但随着在建核机组的不断投产，以及新一轮规模发展核电的启动，国内所需核燃料正在与日俱增。阮可强表示，中国核电“走出去”也需要足够的核燃料的支持。

A股中中国核工业集团旗下上市公司中核科技，后期或直接受益于核燃料项目的重启，东方锆业、宝钛股份等核燃料生产商后期也将间接受益于核燃料项目的建设的推进。