刘兴铎，祝　贺，周发学，李中华，严金林

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)①



水下采油树本体内生产流道流动性数值模拟分析

刘兴铎1，2，祝贺1，2，周发学1，李中华1，2，严金林1，2

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)①

摘要：水下采油树内部管道是海洋油气生产通道，具有多次转向、变径的特点，生产流道内流体流动十分复杂。建立了水下采油树本体内部管道流体域模型，采用CFD流场分析软件，以速度入口、压力出口、光滑壁面为边界条件，分析不同输出管道夹角α、不同尺寸的输出管道对本体生产流道内流体运动特性的影响。分析结果表明，当生产流道内流体的流向发生变化时，近壁面处产生较高的流速，严重冲蚀管壁；合理尺寸的输出管道可以获得均匀的流体，避免产生较大的压力降。该研究结果可为设计水下采油树的生产流道提供参考。

关键词：水下；采油树；生产流道；流动性；数值模拟；CFD

水下生产系统的主要作用之一就是保障海底油气的平稳流动，其内部管道对流体的流动产生重要影响[1]。通过分析大量模型的出油管线的数量、直径、路径对流动特性的影响，可以为选择水下生产设施、风险评估提供帮助[2]。水下采油树是水下生产系统的重要设施，其油管悬挂器的生产流道出口是保障水下采油树内油气平稳流动的重要结构[3]。一般情况下，水下采油树的油管悬挂器生产流道与侧向出口呈90°连通[4]。沈丹丹等[5]研究了水下卧式采油树内部环空通道的流动特性，揭示了环空流道的管型特点，以及幂律流体的流动特性。秦蕊等[6]研究了水下采油树油管悬挂器的结构，指出优化内部管道结构，防止生成水合物，保障液体流动的稳定性。赵旭东等[7]研究水下采油树生产流道的流动特性，指出合理布置采油树部件，应该减少流道拐弯次数。本文运用CFD流场分析软件，研究不同输出管道夹角α、不同尺寸的输出管道对流体速度、压力分布的影响，可为设计采油树本体生产流道提供参考。

1水下采油树结构

水下采油树主要包括采油树本体阀组、输出阀组、环空阀组、生产阀组、油管悬挂器与采油树帽等部件。根据油管悬挂器与闸阀的位置特点[8]，水下采油树分为立式采油树和卧式采油树，如图1所示。

a　卧式采油树

b　立式采油树

2数学及物理模型

2.1流体流动的数学方程

在水下采油树生产流道内，实际的油气流动状态具有复杂性。在数值模拟计算中，不考虑液流的重力以及固体颗粒的影响，将其简化为单项湍流模型。借助RNGk-ε方程湍流模型，通过大尺度运动和修正后的黏度项，忽略小尺度运动的影响，其输运方程[9]为

(1)

(2)

式中：μ为动力黏度；μt为湍动黏度；μeff为修正湍动黏度；κ为湍动能；ε为耗散率；ρ为流体密度；Eij为主流的时均应变率；Cμ为经验常数，取0.09；C1ε为经验常数，取1.42；η0取4.377；β取0.012。

2.2三维物理模型

水下采油树的流动通道主要有油管悬挂器本体通道、采油树本体通道和环空通道。本文研究的流动通道从油管悬挂器开始，经过采油树本体通道、生产阀组，最后到输出管道为止。运用UG软件建立相应的流体域集合模型，如图2所示。

图2　水下采油树本体生产流道示意

2.3网格划分与边界条件

采用四面体网格划分流体域模型，得到三维网格模型，如图3所示。并采用ANSYS CFX软件进行流体分析。

计算流体域如图4所示。边界条件为速度进口，压力出口，光滑、无滑移壁面。

图3　水下采油树生产流道网格模型

图4　流体域边界条件

3数值模拟结果与分析

3.1不同输出管道的夹角

管道内流速云图如图5所示，显示了输出管道内流速随夹角增大而变化的情况。当输出管道与输入管道的夹角α小于90°时，输出管道流体受到壁面的分离作用，在管道分离处近壁面流速接近0；由于固体颗粒的重力作用，固体颗粒不会沉积在管道的内表面。当输出管道与输入管道的夹角α等于或大于90°时，输出管道流体受到管壁的限制作用，管道的近壁面受到流体最大流速的冲蚀；而在相对一侧，流速近似为0，这样容易破坏管道内壁的堆焊层，造成水下采油树本体生产流道的腐蚀，也不利于及时带走沉积的固体颗粒。所以，当油气井正常工作时，改变输出管道的夹角α，流体的流速将发生变化。

a　α小于90°

b　α等于90°

c　α大于90°

3.2不同比率下的输出管道

输出管道最大流速与输入流速的比率变化曲线如图6所示。当输出管道直径变大时，输出管道的最大流速逐渐减小。

压力降随进、出管道直径比率的变化曲线如图7所示。输出管道内的压力降随着管道直径变大而降低。

图6　流速比率随直径比率的变化曲线

流体流速矢量图、管道内压力云图如图8～9所示。当输出管道与输入管道的直径比率为0.6～0.7时，输出管道内流体的流速、压力降较大，不利于输出管道的安全使用。所以，合理选择输出管道的直径可以减少震动，延长管道的使用寿命。

a　进出管道直径比率0.6

b　进出管道直径比率1.0

a　进出管道直径比率0.6

b　进出管道直径比率1.0

4结论

1)水下采油树本体的输出管道与输入管道夹角为锐角时，输出管道内流体不会冲蚀管道内壁，有利于获得良好的速度。因此设计输出管道时，可以考虑将输出管道设计成与输入管道成锐角的方向，减少固体沉积物的积聚，有利于保护管道内壁的堆焊层。

2)水下采油树本体的输出管道直径接近输入管道直径时，输出管道内的流速、压力降较小；相反，输出管道越小于输入管道，则产生的流速、压力降越大，不利于安全合理地使用管道。因此，根据实际需要，选择合理尺寸的输出管道。

参考文献：

[1]王定亚，邓平，刘文霄.海洋水下井口和采油装备技术现状及发展方向[J].石油机械，2011，39(1)：75-79.

[2]琚选择.水下生产系统的流动保障设计分析[C]//第十五届中国海洋(岸)工程学术研讨会论文集.北京：海洋出版社，2011.

[3]刘伟强，张鹏举，李博，等.水下卧式采油树油管悬挂装置结构创新设计研究[J].科技视界，2014(7)：26-28.

[4]孙传轩，王定亚，邓平，等.水下油管悬挂器技术现状与研制要点[J].石油矿场机械，2014，43(4)，91-95.

[5]沈丹丹，朱宏武，丁矿，等.水下卧式采油树内部环空通道的流动性分析[J].石油机械，2014，42(2)：40-44.

[6]秦蕊，叶道辉，李清平，等.水下采油树油管悬挂器的结构研究[C]//第十五届中国海洋(岸)工程学术研讨会论文集.北京：海洋出版社，2011.

[7]赵旭东，王定亚，刘文霄，等.基于CFD的水下采油树生产通道流动数值模拟[J].石油机械，2014，42(11)：105-108.

[8]姜立杰.卧式采油树油管挂设计研究[D].东营：中国石油大学(华东)，2011.

[9]王福军.计算流体动力学[M].北京：清华大学出版社，2004.

Numerical Simulation Analysis of Flow Characteristic of the Production Channel in Subsea Tree Body

LIU Xingduo1，2，ZHU He1，2，ZHOU Faxue1，LI Zhonghua1，2，YAN Jinlin1，2

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentEngineeringResearchCenter，Baoji721002，China)

Abstract：The inner channel of the subsea tree is the oil and gas outflow channel for the subsea well with the characters of multiple turning and multiple mutation of the tube diameters.So the flow in the production channel is full of complexity.The inner flow domain in the subsea tree body was set up in the essay.Based on the velocity inlet，pressure outlet and smooth wall boundary condition，through CFD software，to analyze the influence on flow in the production path with different angles and various diameters of the outlet channel.The results show when the flow in the production channel is changing，the maximum velocity is near the wall，resulting in serious erosion of wall.The proper diameter of outflow channel could produce steady flow and avoid great pressure drop.The research result could provide the reference to production channel design of the Subsea tree.

Keywords：subsea；christmas tree；production channel；flow characteristic；numerical simulation；CFD

中图分类号：TE952

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.012

作者简介：刘兴铎(1984-)，男，辽宁辽阳人，硕士，主要从事海洋石油装备研究，E-mail：liaoning0419@163.com。

收稿日期：①2015-09-27 国家高技术研究发展计划(863计划)“水下卧式采油树系统研制”(2012AA09A204)

文章编号：1001-3482(2016)03-0054-04