含CO_2天然气井井喷流场特征.pdf

9 O 2 O 1 1年 2月 石油勘探与开发 PE TR L EUM EXPL 0RAT1 0N AND DEVEL OP M E NT Vo I ． 3 8 No ． 1 文章编号 1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 1 O 1 0 0 9 0 0 7 含 C O2 天然气井 井喷流场特征 刘振 翼 ，张应安。 ，郑远攀。 ，王峰 ，钱 新明 ， 张德平 ，黄平 ，李清 ，冯长根 1 ． 北京理工大学爆炸科学与技术 国家重点实验 室； 2 ． 中国石油吉林 油田公 司采油工 艺研 究院； 3 ． 郑州轻S - 业学院计算机与通信工程学院 基 金项 目 国 家科技 重 大 专 项 2 0 0 8 Z X0 5 0 5 4 ； 国 家 重 点基 础研 究发 展 规 划 9 7 3 项 目 2 0 0 6 CB 7 0 5 8 0 0 ； 中 国石 油 重 大科 技 专 项 0 7 0 2 Z 0 1 摘要 为研究含 c O z天然气井井喷后 的流场特性进而为确定安全 防护距离提供科学依据 ， 采用流体 力学理论 与计算流体 力学 C F D 技术相结合 的方 法分析 了井喷 的流场特 征， 阐述 了井喷流场各 个 阶段 的扩散机理 、 模 拟所 需的定解 条件及 数 值计 算方 法。井喷整个过程可划分为临界 流、 等熵膨 胀、 可压缩 射流 、 不 可压缩 射流、 重 气扩散和 非重 气扩散 6个 阶段。 采用 C F D模拟方法模拟得 出含 C O z天然气井井喷气体速度场 ， 气体膨胀速度 可达 7 0 0 m／ s以上 ； 分析 了 C O 浓度 分布 规 律 ， 在等熵膨胀 区的 内层 区域 C O 气体质量浓度均匀分布 ， 而在外层 区域 内， C O 的质量 浓度 急剧 降低 ， C O 质量浓度 随 扩散距离的变化符合高 斯分布 。理论预测 与模拟 结果具有 很好 的一致性 ， 表 明提 出的井喷流场理 论分析 与 C F D模拟 方 法 是 切 实 可 行 的 。 图 9表 1参 l 6 关 键 词 C O2； 天 然 气 ；井 喷 ；流 场 特 性 ；CF D 模 拟 ；数 值 模 拟 中图分类号 T E 3 1 9 文献标识码 A Fl o w f i e l d s i n t h e b l o wo u t o f na t u r a l g a s we l l s c o n t a i n i ng c a r b o n d i o x i d e Li u Z h e n y i ，Z h a n g Yi n g ’ a n ，Z h e n g Yu a n p a n 。 ，W a n g F e n g 。 ，Qi a n Xi n mi n g ， Z h a n g De p i n g ，Hu a n g Pi n g ，L i Qi n g 。 ，Fe n g Ch a n g g e n 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f E xp l o s i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，Be i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y，Be i j i n g 1 0 0 0 8 1 ，C h i n a ； 2 ． Pr o d u c t i o n T e c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Pe t r o Ch i n a J i l i n Oi l f i e l d C o mp a n y，S o n g y u a n 1 3 8 0 8 0，C h i n a；3 ． S c h o o l o f Co mp u t e r a n d Co mmu n i c a t i o n E n g i n e e r i n g，Z h e n g z h o u Un i v e r s i t y o ／Li g h t I n d u s t r y，Zh e n g z h o u 4 5 4 0 0 0，C h i n a Abs t r a c t The f l o w f i e l d s o f t he bl owou t o f na t ur a l ga s c o nt a i ni ng c a r bo n d i ox i d e we r e a na l y z e d by u s i ng f l u i d dy na mi c s t h e o r y a n d c o mp u t a t i o n a l f l u i d d y n a mi c s CF D t e c h n o l o g y S O a s t o p r o v i d e s c i e n t i f i c f o u n d a t i o n f o r s a f e d i s t a n c e de t e r mi n a t i o n．Di s p e r s i on m e c ha n i s m s o f bl owou t f l ow f i e l d a t e ac h s t a ge，b ou nda r y c o nd i t i o ns an d nume r i c a l a l gor i t hm f or s i mu l a t i o n we r e pr e s e nt e d a s we l 1 ．The pr oc e s s of we l l bl owou t c a n be d i v i de d i nt o s i x s t a ge s ．The y a r e c r i t i c a l f l u x，e qu a l e n t r o p y e x p a n d i n g，c o mp r e s s i b l e e j e c t i o n ， i n c o mp r e s s i b l e e j e c t i o n，h e a v y g a s d i s p e r s i o n ，a n d n o r ma l d i s p e r s i o n ． Th e d i s t r i b u t i o n o f g a s v e l o c i t y f i e l d wa s g o t v i a CF D s i mu l a t i o n，a n d t h e f l u x v e l o c i t y c a n b e mo r e t h a n 7 0 0 m／ s ． Th e c on c e nt r a t i on of CO2 wa s a na l yz e d，i ndi c a t i ng t ha t i n t he i nn e r l a y e r of t h e e q ua l e n t r o py e xp a ndi n g a r e a，t he c on c e nt r a t i o n i s u ni f or m ，whi l e i n t he e xt e r na l l a y e r ，t he c onc e nt r a t i o n de c l i ne s s h a r p l y ． The c o r r e l a t i on be t wee n ma s s c o nc e nt r a t i o n of CO2 a n d di s pe r s i o n di s t a nc e o be y s t he Ga US S f or m u l a． Th e t he or e t i c a l p r e d i c t i ons we r e c o ns i s t e nt wi t h t he r e s ul t s of s i mul a t i on，s howi ng t h a t t h e t he o r e t i c a l a na l ys i s o f f l ow f i e l d a n d t he CFD s i mul a t i on me t ho d a r e pr a c t i c a 1 ． Ke y wo r ds c a r b on di ox i de；na t ur a l g a s；we l l bl o wo ut ；f l o w f i e l d c h ar a c t e r i s t i c s ；CFD s i mul a t i on；nu me r i c a l s i mul a t i o n 0引言 世界各地都有众多高 C O。 含量 的天然气井， 在油 气勘探和开 发过程 中不可控井 喷是 最危 险的事故之 一 ，含 C O 天然 气井 一旦发 生井 喷或 泄漏 ， 会在 一定 范 围内造成窒息、 燃爆等事故。如果在钻井井场周 围有 大量 居 民 ， 井 喷 极 易 造 成 重 大 人 员 伤 亡 事 故 。中 国 已在吉林油田发现了储量较大的含 C O。 天然气藏 ， 亟 待解决含 C O。 天然气开发中的相关安全问题 ， 含 C O 。 天然气井井喷及扩散安全防护距离的确定就是其 中之 一 。井喷流场特性的研究是确定各类安全防护距离的 基 础 ， 如喷流 出 口速度 是 喷流 形态 描 述 及速 度 场 、 温 度 场 预测 的基本 数据 。另 外 ， 出于 井控 的需要 ， 也有 必 要 掌握井 喷条 件下 的流量 以及 沿着 井 架 轴线 的压 力 与温 度分 布 ] 。国 内虽然 对 井 喷 流 场 进 行 了大 量 的 研 究 ， 但仍停留在用经验公式或评价模型推导流场分布的阶 段。周开吉等将失控井在井 口的喷 出流动视为一元等 熵流 动 ， 提 出了预测 喷 口速度 的“ 短 管 ” 模 型 ， 并 得 出 喷