酸性气井油管内壁水基缓蚀剂预膜仿真模拟.pdf
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1、酸性气井常常伴有CO2、H2S对金属材料的腐蚀,井下喷注水基缓蚀剂预膜防腐技术是一种比较先进且成本较低的方法。但针对缓蚀剂预膜时间、液膜厚度、液膜分布及喷注缓蚀剂周期等参数目前尚未开展系统研究。基于RNG k-模型(Re-normalization group k-模型),结合多相流理论,利用欧拉壁膜模型(EWF模型)耦合模拟水基缓蚀剂液膜的形成和流动,分析缓蚀剂停注后在气流冲刷作用下的流动规律。研究结果表明,在生产工况下酸性气井中的气流能够携带水基缓蚀剂并在管柱壁面上形成厚度约为2 mm的液膜,在2060 m管段预膜效果较好;水基缓蚀剂停止注入后,由于气流的冲刷作用,管壁缓蚀剂液膜逐渐被破坏
2、和减薄。建议每隔60 m长管段增加一个缓蚀剂注入喷嘴,并且整个井筒缓蚀剂喷嘴的位置呈螺旋上升分布。关键词:缓蚀剂;预膜;气井;欧拉壁膜;数值模拟中图分类号:TE983文献标识码:ASimulation of Prefilm of Water-Based Corrosion Inhibitors on the Inner Wall of Production Tubing in Sour Gas WellsYU Chengxiu,LIN Tiejun,NIE Jiachang,ZENG Dezhi,HAN Hao,YANG Chengsong(State Key Laboratory of Oi
3、l&Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan,China)Abstract:Sour gas wells are often associated with the corrosion of metal materials caused by CO2 and H2S.The prefilm anticorrosion technology by water-based corrosion inhibitor injection is relat
4、ively advanced and low-cost.However,no systematic research has been carried out on the prefilm time,thickness and distribution of liquid film and corrosion inhibitor spray cycle.Based on RNG k-model,the multiphase flow theory and the EWF model were coupled to simulate the formation and flow of the w
5、ater-based corrosion inhibitor liquid film,and the flow law of corrosion inhibitors subjected gas stream flushing after injection was analyzed.The results showed that the gas stream in the sour gas well can entrain water-based corrosion inhibitors and form a liquid film with a thickness of about 2 m
6、m on the pipe wall under production conditions,and the prefilm performance is better in the pipe section between the 2060 m positions.Af-ter the injection of water-based corrosion inhibitor is stopped,the liquid film of corrosion inhibitors on the pipe wall is gradually de-stroyed and thinned due to
7、 the flushing of gas streams.Therefore,it is recommended to install a corrosion inhibitor injection nozzle at an interval of 60 m along the pipe and place the corrosion inhibitor nozzles along the wellbore in a spiral manner.Key words:corrosion inhibitor;prefilm;gas well;Eulerian wall film;numerical
8、 simulation引用:余成秀,林铁军,聂家昌,等.酸性气井油管内壁水基缓蚀剂预膜仿真模拟 J.新疆石油天然气,2023,19(3):72-79.Cite:YU Chengxiu,LIN Tiejun,NIE Jiachang,et al.Simulation of prefilm of water-based corrosion inhibitors on the inner wall of pro-duction tubing in sour gas wells J.Xinjiang Oil&Gas,2023,19(3):72-79.72余成秀,等:酸性气井油管内壁水基缓蚀剂预
9、膜仿真模拟第19卷 第3期随着国内外油气行业技术的突飞猛进,我国油气田产量也屡创新高。但是我国油气田采出气中都携带一定量的CO2、H2S、SO2等酸性气体,高矿化度水中含有硫酸盐等酸性矿物介质,如普光气田、西南油气田、莺歌海盆地各气田等均为高含酸性气体的油气田1-3。酸性介质会造成金属设备和管材的化学腐蚀4,5,井筒腐蚀会影响整个管线的正常运营甚至造成巨大的经济损失和人员伤亡6。国内外常用的防腐措施主要包括采用耐蚀管材、表面保护覆盖层或涂镀层、加注缓蚀剂、工艺性防腐等7,8。由于酸性气井内的高温高压环境,很多防腐措施的采用都受到了限制。加注缓蚀剂的防腐技术有着成本低、防腐效果好、不受环境条件限
10、制的优点,可用于酸性气井;但目前该技术多采用油套环空注入以延缓油管外壁腐蚀速率,油管内壁腐蚀仍未得到有效解决。井下化学品注入系统于1980年代初就已经在油气田生产行业中开始流行9,其中缓蚀剂应用主要包括常规缓蚀剂加注与缓蚀剂预膜两种方法10。缓蚀剂预膜的基本思路是通过缓蚀剂段塞在管道内的流动,使缓蚀剂分子与管道内壁充分接触,进而在管道内壁形成一层较薄、致密且附着力强的防腐膜。缓蚀剂预膜可有效预防管道顶部腐蚀且成膜均匀致密,因此缓蚀剂预膜技术越来越受到管道运营者的重视11。王欣笛12采用失重法研究缓蚀剂对典型金属材料流动腐蚀规律的影响。谢南星等13通过预膜处理和腐蚀实验研究了预膜时间、腐蚀温度和
11、介质流速对缓蚀性能的影响。陈文等14利用气田水分析、现场腐蚀检测等方法形成酸性气田缓蚀剂现场效果评价技术。汪传磊等15通过开展井筒流动条件的动态腐蚀评价实验,探索出缓蚀剂成功预膜的时间及缓蚀剂预膜后冲刷时间对膜的影响。由于现场工况条件比较恶劣,室内实验结果无法完全代表现场情况。对于管道内缓蚀剂的分布,国内外学者多采用数值模拟的方法研究缓蚀剂流动规律。对于缓蚀剂预膜层与天然气两种不相混合的流体的复杂运动,大部分采用双流体模型计算16-19,而双流体模型存在无法获得壁面液膜流动参数等问题,且大多数学者都是研究地面管线,对于酸性气井内管柱研究相对较少。晋国栋20利用数值模拟的方法研究了在酸性气井井下
12、喷注缓蚀剂工艺的成膜厚度,并计算出井下注入缓蚀剂的周期,但有效模拟油管总长过短,无法说明实际情况。尽管对于缓蚀剂工艺的研究方法颇为广泛,但是对于酸性气井井下注入缓蚀剂方法还没有进行系统的研究,特别是对缓蚀剂从井下注入到油管内之后形成的液膜厚度和液膜分布规律还需要进一步研究。本文基于RNG k-模型,结合多相流理论,利用欧拉壁膜模型(EWF模型)耦合模拟水基缓蚀剂液膜的形成和流动,分析水基缓蚀剂从气井注入后在油管内壁的分布规律以及停注缓蚀剂后天然气对水基缓蚀剂液膜的冲刷影响。达到控制缓蚀剂预膜质量、减缓管道内腐蚀、提高油管使用寿命、确保管道生产运行安全、丰富和拓展缓蚀剂预膜技术的目的。1 模型建
13、立根据Shamlooh等21向井下连续注入缓蚀剂的方法和Peng等22设计的井下化学剂注入工艺,气井井下注入缓蚀剂的工作原理是在井筒中安装毛细管柱,沿着井筒向生产管柱内注入水基缓蚀剂。喷嘴出口处水基缓蚀剂在高速气流冲击下沿着生产管壁面气举上升,经过一段时间后水基缓蚀剂均匀分布在管壁上,油管中心部分为带液滴的气核,稳定后的流型属于环状流,如图1所示。图1 缓蚀剂形成环状流示意图1.1 理论模型运用计算流体力学(CFD)方法,采用QUICK差分格式和SIMPLE算法求解控制方程。由于缓蚀剂液膜的分布受到重力的影响,所以计算时需要考虑重力因素。根据边界条件可知,整个气液两相流属于湍流,采用基于涡黏理
14、论的RNG k-模型求解。缓蚀剂在管壁形成的液膜来源主要有两部分:一部分是缓蚀剂注入后直接附着在管壁上,另一部分是被高速气体冲刷形成的缓蚀剂液滴离心捕集,这个过程涉及了连续相和离散相成膜过程。然而,双流体模型只能获得气液两相流中的主要参数,无法获得详细的液膜流动参数,因此引入专门针对液膜计算的EWF模型模拟成膜过程。73新疆石油天然气2023年1.1.1 湍流模型双流体模型中的运动方程进行雷诺时均化后,由湍流脉动引起的二阶和高阶项需要通过湍流方程封闭,其中最重要的是湍流黏度t的确定。对于在气井井底处注入缓蚀剂与天然气形成的气液两相湍流运动情况采用基于涡黏理论的RNG k-模型23,其中k方程和
15、方程与标准k-模型非常相似,即:(k)t+()kuixi=xj keffkxj+Gk+(1)()t+()uixi=xj effxj+C1kGk-C22k(2)其中:eff=+t;t=Ck2。式中k湍动能k对应的Prandtl数,取1.39;耗散率对应的Prandtl数,取1.39;C1经验常数,取1.42;C2经验常数,取1.68;C经验常数,0.084 5;Gk由平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项,(kgm)/s3。流体密度,kg/m3;k湍流动能,m2/s2;t时间,s;ui流体的平均流速,m/sut湍流动力黏性系数;ueff有效黏性系数;能量耗散率,m2/s3;流体黏度,kg/(ms)
16、。1.1.2 欧拉壁膜模型针对液膜计算的EWF模型24在环状流中的相互作用涉及到液膜和液滴之间的质量交换、动量转移以及能量交换,本文不考虑能量交换。由于整个过程比较复杂,本文假设壁膜厚度远小于壁面的曲率半径,壁膜在厚度上的属性是一致的,且壁膜流动平行于壁面。质量守恒方程用壁膜厚度来表征壁膜的质量,最后求解出的物理量即为壁膜厚度,二维液膜在三维域中的质量守恒方程为:ht+s()hVl=m sl(3)式中l水基缓蚀剂液膜流体密度,kg/m3;h水基缓蚀剂液膜厚度,m;s表面梯度算子;Vl水基缓蚀剂液膜的平均速度,m/s;m s水基缓蚀剂液滴聚集单位面积上的质量源,kg(m3 s)。液膜的动量守恒方
17、程为:hVlt+sl()lhVlVl+DV=-hsPLl+hg+32l fs-3lhlVl+q sl+wl(4)其中:PL=Pgas+Ph+P;Ph=-h(n g);P=-s()sh。式中Dv基于二次型膜速度剖面计算的微分对流项;PL气体在壁面的压力、重力沿垂直于壁面的分量以及液体表面张力的合力,Pa;g 重力在平行于壁面的分量,m/s2;fs气液交界面的剪切应力,Pa;l水基缓蚀剂液膜的运动黏度,m2/s;q s液滴收集和分离相关的动量源项,N/m3;w水基缓蚀剂膜液表面张力和接触角引起的表面力,Pa;Pgas气体在壁面的压力,Pa;Ph重力沿垂直于壁面的分量,m/s2;P表面张力,Pa;流
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