中文題目：注CO2井下分層流量計量的數值模擬及參數優化

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（北京）石油工程學院石油與天然氣工程專業 博24

2） 檀朝東 中國石油大學（北京）人工智能學院 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（北京）人工智能學院控制科學與工程 碩23

5） 施逸鵬 中國石油大學（北京）人工智能學院控制科學與工程 碩24

摘要:

為了提高井下分層注CO2流量計量的準確性，本文構建了井下CO2流量計量噴嘴模型，先計算井筒溫壓場獲取CO2的密度、相態等參數，然后利用Fluent模擬不同溫度、壓力下的差壓和注入壓力的關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優化獲取最佳取壓口位置。研究結果表明：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生巨大變化，為井下分層注CO2的井口注入壓力提供參考；現有的噴嘴流量計結構可以滿足井下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，由于超臨界CO2密度、粘度、擴散性等物性參數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、熱容等參數產生較大波動，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構進行優化設計，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，發現較高的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選擇距離噴嘴喉部入口1d處；噴嘴下游由于渦流的產生，后端取壓口應選擇距離噴嘴喉部出口2d處，現有的噴嘴流量計的結構完全可以滿足取壓口要求。

主要內容:

如圖1所示為不同溫壓條件下CO2相態圖，CO2在井筒中所處溫壓條件為-5~120℃、10~70MPa，井筒上段為液態，井筒下段為超臨界態，超臨界態占比最高，由于超臨界CO2的獨特性質，井筒溫度、壓力的微小變化就會使得CO2的密度、黏度、熱容等參數產生較大波動，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生差壓不同。

 

圖1 CO2相態圖

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，油管內徑62mm，套管外徑139.7mm，套管內徑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流經噴嘴節流裝置的流動特性進行瞬態數值模擬，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定，CO2到達噴嘴喉部時由于節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CO2流經噴嘴喉部后進入下游管道時，氣體在下游直管段產生渦流。

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系曲線圖，由圖可知：差壓與注入壓力呈六次函數關系；隨著注入壓力的增加，差壓逐漸減??；當注入壓力小于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生變化，因此對差壓影響較小。

 

圖4 差壓與注入壓力關系曲線圖

（2）注入CO2濃度對差壓的影響

圖5為噴嘴流量計差壓與CO2濃度的關系曲線圖，由圖可知：差壓與CO2濃度呈四次函數關系；隨著CO2濃度的增加，差壓逐漸減??；當CO2濃度小于37%時，隨著CO2濃度的增加，差壓減小速度較快；當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注入量的關系曲線圖，由圖可知：差壓與CO2注入量呈二次函數關系；隨著CO2注入量的增加，差壓逐漸增大；當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注入量關系曲線圖

最后，以噴嘴入口直徑32mm，噴嘴直徑12mm為例進行數值模擬研究，邊界條件設置為速度入口、壓力出口，CO2流體從噴嘴上方流入、下方流出，CO2流量設置為300t/d，對取壓口位置進行優化。根據模擬結果，噴嘴上游直管段內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產生渦流，為獲得穩定差壓，下游取壓口位置應選擇在腔內壓力相對穩定的地方，下游直管段不同取壓位置的壓力數據如表1所示，由表可知：下游取壓口縱坐標位置為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據

 

結論:

本文以流體力學為理論基礎，基于ANSYS Fluent仿真模擬軟件對分層注CO2測控系統的測試模塊的核心部件噴嘴流量計進行數值模擬研究，得出以下結論：

（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，當注入壓力增加到一定程度時，超臨界CO2的密度不再發生巨大變化，因此流經流量計時也不會產生較大壓差，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選擇距離噴嘴喉部入口1d處；噴嘴下游由于渦流的產生，后端取壓口應選擇距離噴嘴喉部出口2d處，現有的噴嘴流量計的結構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，博士生導師。人工智能學院教師，從事教學和科研工作。研究方向：油氣舉升工程理論與智能化方法，注采設備故障診斷理論與方法，多能互補微網生產優化，檢測技術與自動化裝置。