注CO2井下分層流量計量的數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化
中文題目：注CO2井下分層流量計量的數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化
論文題目：Numerical simulation and parameter optimization of downhole stratified flow measurement with CO2 injection
錄用期刊/會議：第36屆中國控制與決策會議(CCDC 2024) （CAA A類會議，EI會議論文）
原文DOI：10.1109/CCDC62350.2024.10587829
作者列表：
1） 矯欣雨 中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院石油與天然氣工程專業(yè) 博24
2） 檀朝東 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動化系教師
3） 侯 健 遼河油田（盤錦）儲氣庫有限公司
4） 陳彥潤 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院控制科學(xué)與工程 碩23
5） 施逸鵬 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院控制科學(xué)與工程 碩24
摘要:
為了提高井下分層注CO2流量計量的準(zhǔn)確性，本文構(gòu)建了井下CO2流量計量噴嘴模型，先計算井筒溫壓場獲取CO2的密度、相態(tài)等參數(shù)，然后利用Fluent模擬不同溫度、壓力下的差壓和注入壓力的關(guān)系得到流量計量模型，同時為了提高噴嘴前后端取壓精度，對取壓口位置進行參數(shù)優(yōu)化獲取最佳取壓口位置。研究結(jié)果表明：井口注入壓力增大到一定程度時，注入壓力對差壓的影響較小，主要是由于此時超臨界CO2的密度不再隨著注入壓力的增加而發(fā)生巨大變化，為井下分層注CO2的井口注入壓力提供參考；現(xiàn)有的噴嘴流量計結(jié)構(gòu)可以滿足井下CO2計量的取壓口位置要求；該研究對于改善噴嘴流量計的測試性能及CO2分層測控具有一定的實際意義。
背景與動機:
井下分層注CO2流量測量受井筒溫度、壓力影響明顯，大部分CO2在井筒中處于超臨界態(tài)，由于超臨界CO2密度、粘度、擴散性等物性參數(shù)對溫度和壓力的變化非常敏感，因此，井筒溫度、壓力的微小變化就會使得CO2的密度、黏度、熱容等參數(shù)產(chǎn)生較大波動，對井下CO2的精確計量造成影響。為了提高井下注CO2流量的精確計量，基于Fluent多相流模擬軟件對噴嘴流量計進行模擬仿真并對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，研究注入壓力、注入流量、CO2濃度對噴嘴流量計前后差壓的影響，發(fā)現(xiàn)較高的CO2流量、較低的CO2濃度、較低的注入壓力對差壓影響更明顯；噴嘴流量計的前端取壓口應(yīng)選擇距離噴嘴喉部入口1d處；噴嘴下游由于渦流的產(chǎn)生，后端取壓口應(yīng)選擇距離噴嘴喉部出口2d處，現(xiàn)有的噴嘴流量計的結(jié)構(gòu)完全可以滿足取壓口要求。
主要內(nèi)容:
如圖1所示為不同溫壓條件下CO2相態(tài)圖，CO2在井筒中所處溫壓條件為-5~120℃、10~70MPa，井筒上段為液態(tài)，井筒下段為超臨界態(tài)，超臨界態(tài)占比最高，由于超臨界CO2的獨特性質(zhì)，井筒溫度、壓力的微小變化就會使得CO2的密度、黏度、熱容等參數(shù)產(chǎn)生較大波動，因此，井口注入壓力不同、CO2濃度不同會使得注入井筒某一深度處的噴嘴流量計時產(chǎn)生差壓不同。
圖1 CO2相態(tài)圖
首先基于ANSYS Workbench建立噴嘴流量計物理模型，如圖2所示，以某油田注CO2井為例進行數(shù)值模擬研究，該井井深3500m，地面溫度18℃，地溫梯度3.5℃/100m，油管外徑73mm，油管內(nèi)徑62mm，套管外徑139.7mm，套管內(nèi)徑124.3mm。選用噴嘴入口直徑32mm，喉部直徑12mm的噴嘴模型，上游取壓口位于距離噴嘴喉部入口1d處，下游取壓口位于距離噴嘴喉部出口2d處，邊界條件設(shè)置為速度入口、壓力出口，CO2流體從噴嘴上方流入、下方流出，基于ANSYS Fluent平臺對CO2流經(jīng)噴嘴節(jié)流裝置的流動特性進行瞬態(tài)數(shù)值模擬，如圖3所示（a）、（b）、（c）分別為噴嘴的速度云圖、壓力云圖和湍流動能云圖，由圖可知：上游直管段速度、壓力和湍動能分布較穩(wěn)定，CO2到達噴嘴喉部時由于節(jié)流作用使得流速升高，由能量守恒可知，噴嘴喉部壓力降低，當(dāng)CO2流經(jīng)噴嘴喉部后進入下游管道時，氣體在下游直管段產(chǎn)生渦流。
圖2 噴嘴流量計物理模型
（a）速度云圖
（b）壓力云圖
（c）湍動能云圖
圖3 噴嘴內(nèi)部云圖
分析井口注入壓力、注入CO2濃度、CO2流量對差壓的影響。
（1）注入壓力對差壓的影響
圖4為噴嘴流量計差壓與注入壓力的關(guān)系曲線圖，由圖可知：差壓與注入壓力呈六次函數(shù)關(guān)系；隨著注入壓力的增加，差壓逐漸減小；當(dāng)注入壓力小于17.5MPa時，隨著注入壓力的增加，差壓減小速度較快；當(dāng)注入壓力大于17.5MPa時，隨著CO2注入壓力的增加，差壓減小速度較慢幾乎為水平線，分析原因為注入壓力超過17.5MPa時，超臨界CO2在井筒中的密度幾乎不發(fā)生變化，因此對差壓影響較小。
圖4 差壓與注入壓力關(guān)系曲線圖
（2）注入CO2濃度對差壓的影響
圖5為噴嘴流量計差壓與CO2濃度的關(guān)系曲線圖，由圖可知：差壓與CO2濃度呈四次函數(shù)關(guān)系；隨著CO2濃度的增加，差壓逐漸減小；當(dāng)CO2濃度小于37%時，隨著CO2濃度的增加，差壓減小速度較快；當(dāng)CO2濃度大于37%時，隨著CO2濃度的增加，差壓減小速度較慢，其中CO2濃度在37%~60%時，差壓減小速度最慢，隨后差壓減小速度稍有增加。由此可知，CO2濃度較低時對噴嘴差壓影響較大。
圖5 差壓與CO2濃度關(guān)系曲線圖
（3）注入CO2流量對差壓的影響
圖6為噴嘴流量計差壓與CO2注入量的關(guān)系曲線圖，由圖可知：差壓與CO2注入量呈二次函數(shù)關(guān)系；隨著CO2注入量的增加，差壓逐漸增大；當(dāng)CO2注入量小于100t/d時，隨著CO2注入量的增加，差壓增加速度較慢；當(dāng)CO2注入量大于100t/d時，隨著CO2注入量的增加，差壓增加速度較快。由此可知，CO2流量注入較大時對噴嘴差壓影響較大。
圖6 差壓與CO2注入量關(guān)系曲線圖
最后，以噴嘴入口直徑32mm，噴嘴直徑12mm為例進行數(shù)值模擬研究，邊界條件設(shè)置為速度入口、壓力出口，CO2流體從噴嘴上方流入、下方流出，CO2流量設(shè)置為300t/d，對取壓口位置進行優(yōu)化。根據(jù)模擬結(jié)果，噴嘴上游直管段內(nèi)的壓力分布和速度分布比較均勻，上游取壓口位于距噴嘴入口1d處即可滿足取壓要求。選取噴嘴下游取壓口位置時，由于噴嘴下游直管段內(nèi)產(chǎn)生渦流，為獲得穩(wěn)定差壓，下游取壓口位置應(yīng)選擇在腔內(nèi)壓力相對穩(wěn)定的地方，下游直管段不同取壓位置的壓力數(shù)據(jù)如表1所示，由表可知：下游取壓口縱坐標(biāo)位置為222~230mm壓力降低較明顯，從232mm開始壓力降低較少幾乎持平，考慮到噴嘴流量計實際安裝尺寸，流量計不宜過長，因此下游取壓口位置應(yīng)選在232mm處即距離噴嘴出口2d位置處。
表1 下游直管段不同取壓位置壓力數(shù)據(jù)
結(jié)論:
本文以流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，基于ANSYS Fluent仿真模擬軟件對分層注CO2測控系統(tǒng)的測試模塊的核心部件噴嘴流量計進行數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論：
（1）差壓受CO2流量、CO2濃度和注入壓力影響較大，尤其是較高的CO2流量、較低的CO2濃度、較低的注入壓力對差壓影響更明顯。
（2）超臨界CO2密度、黏度、擴散性等物性參數(shù)對溫度、壓力的變化非常敏感，井口CO2注入壓力不同時差壓有所不同，當(dāng)注入壓力增加到一定程度時，超臨界CO2的密度不再發(fā)生巨大變化，因此流經(jīng)流量計時也不會產(chǎn)生較大壓差，可為井下分層注CO2的井口注入壓力提供參考。
（3）噴嘴流量計的前端取壓口應(yīng)選擇距離噴嘴喉部入口1d處；噴嘴下游由于渦流的產(chǎn)生，后端取壓口應(yīng)選擇距離噴嘴喉部出口2d處，現(xiàn)有的噴嘴流量計的結(jié)構(gòu)完全可以滿足取壓口要求。
通訊作者簡介:
檀朝東，博士，教授，正高級工程師，博士生導(dǎo)師。人工智能學(xué)院教師，從事教學(xué)和科研工作。研究方向：油氣舉升工程理論與智能化方法，注采設(shè)備故障診斷理論與方法，多能互補微網(wǎng)生產(chǎn)優(yōu)化，檢測技術(shù)與自動化裝置。