高含硫气井井筒硫液滴动力学特征及携带规律模拟_王志彬.pdf

断块油气田2023年5月摘要高含硫气井井筒中硫沉积会堵塞气流通道，严重影响气井产能，加速生产管柱的腐蚀。准确弄清井筒硫液滴的动力学特征及其携带规律，对于优化气井工作制度、预防井筒中硫沉积具有重要意义。由于硫液滴与水液滴相比，黏度更高、密度更大，因此不能将水液滴动力学特征直接用于硫液滴携带规律的研究。现有Turner圆球模型、Coleman圆球模型、李闽椭球模型、王毅忠球帽模型等用于气井液滴携带的临界气流速预测方法，不能用来准确预测含硫气井硫液滴的携带临界气流速。文中首先建立了描述气井井筒湍流场中硫液滴的动力学模型及求解方法，模型中采用流体体积函数法（VOF）模拟液滴表面结构，利用直接数值模拟方法模拟硫液滴周围气流场，研发了液滴动力学特征模拟器，对硫液滴的形状特征、破碎条件及曳力系数进行了模拟；在此基础之上，对硫液滴进行受力分析，建立了气井硫液滴携带数学模型。最后，以四川某含硫气田的现场数据对模型的准确性进行验证，结果表明，该模型具有良好的适用性。关键词高含硫气井；硫液滴；形状特征；临界韦伯数；曳力系数；临界气流速中图分类号：TE37文献标志码：A高含硫气井井筒硫液滴动力学特征及携带规律模拟王志彬1，王艺衡1，孙天礼2，李克智3，周舰3，罗懿3，朱国2（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都610500；2.中国石化西南油气分公司，四川 成都610041；3.中国石化华北油气分公司，河南 郑州450042）基金项目：国家自然科学基金项目“垂直疏水性圆管湍流场中多液滴形成机制及其携带模型研究”（51974263）Dynamics characteristics and carrying law simulation of sulfur droplet in the wellbore ofhigh sulfur gas wellWANG Zhibin1,WANG Yiheng1,SUN Tianli2,LI Kezhi3,ZHOU Jian3,LUO Yi3,ZHU Guo2(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.Southwest Oil and Gas Company,SINOPEC,Chengdu 610041,China;3.North China Oil and Gas Company,SINOPEC,Zhengzhou 450042,China)Abstract:Sulfur deposition in wellbore of high sulfur gas well will block airflow channel,seriously affect the productivity of gaswell,and accelerate the corrosion of production string.It is of great significance to accurately predict the dynamics characteristicsand carrying law of sulfur droplets in wellbore for optimizing the working system of gas well and preventing sulfur deposition inwellbore.Compared with the viscosity and density of water droplets,that of sulfur droplets are higher,so the dynamicscharacteristics of water droplets cannot be directly used in the study of sulfur droplets caryying law.The Turner sphere model,Coleman sphere model,Li Min ellipsoid model,Wang Yizhong ball cap model and other existing methods used for predicting thecritical gas velocity of water droplets in gas wells cannot be used for predicting the critical gas velocity of sulfur droplets in sulfurgas wells.The dynamics model and solution method of sulfur droplets in turbulence field of gas well were established,in which thevolume of fluid(VOF)method was used to simulate the droplet surface structure,and the direct numerical simulation method wasused to simulate the airflow field around the droplets.A dynamics characteristic simulator for droplet was developed to simulate theshape characteristics,breaking conditions and drag coefficients of sulfur droplets.On this basis,the force analysis of sulfur dropletswas carried out,and a mathematical model of sulfur dropletscarrying was established.The accuracy of this model isverified by the field data of a sulfur gas field in Sichuan.Theresults show that the model has good applicability.Key words:high sulfur gas well;sulfur droplets;shapecharacteristics;critical Weber number;drag coefficient;criticalgas velocity引用格式：王志彬，王艺衡，孙天礼，等.高含硫气井井筒硫液滴动力学特征及携带规律模拟J.断块油气田，2023，30（3）：458-465.WANG Zhibin，WANG Yiheng，SUN Tianli，et al.Dynamics characteristics and carrying law simulation of sulfur droplet in the wellbore ofhigh sulfur gas wellJ.Fault-Block Oil&Gas Field，2023，30（3）：458-465.收稿日期：2022-09-12；改回日期：2023-03-09。第一作者：王志彬，男，1982年生，副教授，博士，2012年毕业于西南石油大学油气田开发工程专业，现主要从事油气井井筒多相流和采油、采气工程方面的教学以及科研工作。E-mail：swpuwzb 。doi:10.6056/dkyqt202303013断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELD第30卷第3期第30卷第3期0引言对于含硫气藏，随着开采的推进，地层及井筒中的压力逐渐下降；当含硫气体从井底通过井筒流向井口时，温度会逐渐降低，溶解在气流中的硫将会析出，形成硫液滴或固态硫颗粒1-2。若气井产量不足以将液态或固态硫携带出井口，硫将会在井筒中沉积，形成硫堵塞，造成气井产量下降甚至停产。为了预防硫在井筒中沉积，现场通常通过调整工作制度，使气井产量高于硫携带临界气流量。目前，对硫携带临界气流速的预测仍是基于液滴悬浮理论建立起来的方法。如Turner临界气流速模型，模型中将液滴最大尺寸对应的韦伯数取30，液滴的形状假设为球状，曳力系数取0.4，最后得到的液滴携带临界气流速的经验系数取5.5。该方法用于含硫气井硫携带临界气流量计算时，误差较大。硫液滴与水液滴相比，物性差异较大，主要表现在硫的黏度是水的数十倍，同时硫液滴的密度远大于水液滴，界面张力也不相同，这使得硫液滴较水液滴更难变形和破碎，硫液滴尺寸较水液滴更大。因此，水液滴动力学特征不能直接用于硫液滴，Turner圆球模型、Coleman圆球模型、李闽椭球模型、王毅忠球帽模型等3用于气井液滴携带临界气流速的预测方法，也不能准确预测含硫气井硫液滴的携带临界气流速。通常，使用硫的溶解度模型判断井筒是否有硫析出，再用硫携带临界气流速模型判断硫是否沉积4-7。朱国等8分析了硫颗粒受力情况，针对硫颗粒运动的平衡方程，考虑浮力，忽略Basset力，通过求解代数关系式，得到了预测硫携带临界气流速公式；杜敬国等9不考虑颗粒碰撞、聚团效应等影响，将析出的单质硫颗粒视为球形，重点考虑浮力、重力和曳力影响，推导了硫颗粒携带的临界气流速；陈依伟10将析出的硫视为椭球形，推导了预测硫液滴和硫颗粒携带的临界气流速计算模型，模型中部分参数采用李闽模型11的参数。目前的预测硫携带临界气流速的模型多是把析出的硫视为固定的球形或椭球形，通过受力分析预测其临界气流速，未能准确揭示硫在井筒中的动力学特征。准确揭示硫液滴在气井井筒中的动力学特征，是正确计算高含硫气井中硫携带临界气流速的重要基础。本文基于气液两相基本方程建立了描述高含硫气井井筒湍流场中硫液滴的动力学模型，并进一步研发了硫液滴动力学特征模拟器，对硫液滴的动力学特征进行了深入揭示；在模拟结果的基础上，提出了预测硫液滴携带临界气流速的新模型，并以四川某含硫气田的现场数据对模型的准确性进行验证，结果表明模型具有较高的准确性。本文模型对于揭示含硫气井井筒硫液滴的携带规律具有重要意义。1硫液滴动力学特征数学模型1.1数学模型的建立从硫液滴的受力分析可得到硫液滴携带临界气流速，但硫液滴的形状特征、变形规律、破碎条件和曳力系数是准确计算硫液滴携带临界气流速的关键。本研究选用了数值模拟的手段来研究硫液滴的变形规律、曳力系数变化以及破碎条件，基本研究步骤是先建立模型，然后对模型进行求解。施加在流体上的力包括重力、表面张力和黏性应力，其控制方程12-17为v=0（1）()vt+v()v=-p+v+()vT()()+fsur+g+FBt（2）式中：为气体密度，kg/m3；v为气流速，m/s；p为压力，Pa；t为时间，s；为气体黏度，Pas；fsur为两相界面处由界面张力引起的体积力，N；g为重力加速度，取9.8 m/s2；FBt为添加的体积力（以保持液滴在恒定位置），N。为了得到硫液滴的变形程度，本研究使用流体体积函数法（VOF）研究气液两相界面结构。VOF方法中定义了一个变量L来表示液相体积分数，当0L1时，此处即为两相界面。同时，计算网格单元中混合物的物性参数也由L值计算得到：Lt+LvL()+vcL1-L()()=0（3）M=G1-L()+LL（4）M=G1-L()+LL（5）添加的液滴的体积力可由式（6）计算得到：FBt+mdropg-FD=mdropgdrop，t=mdropvdrop，t-vdrop，t-t()t（6）Fnew，Bt=Fold，Bt-ydrop，tgrad ydrop，t()FBt（7）式